Spécialité : Réseaux Electriques (RE) Thème Etude d’un

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université Larbi Ben M’hidi, Oum El-Bouaghi Faculté des Sciences et des Sciences Appliquées

Département de Génie Electrique

Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du Diplôme de Master

Spécialité : Réseaux Electriques (RE)

Thème

Etude d’un onduleur multi-niveaux

en cascade de type 3/2

Soutenu le juin 2018

Proposé et Dirigé par : Présenté Par :

Mr Abdesselam Barkat Med Lotfi Dekkiche

Année Universitaire : 2017/2018

Je dédie ce modeste travail à :

Ma mère,

Mon père,

Ma grande mère,

Mon grand père,

Ma sœur,

Mes frères,

Au reste de ma famille et à tous mes amis,

Tous mes collègues de la promotion M2 RE 2018

Mohammed Lotfi Dekkiche

Remerciements

Avant tout, je remercie ALLAH pour tout qu’il m’a offert tant dans le domaine

des sciences que dans celui des connaissances.

Je tiens à remercier vivement mon promoteur Monsieur Abdesselam Barkat pour ces

orientations éclairées, ses conseils, son esprit critique et son aide précieuse.

Je remercie également, le président et les membres du jury pour leur accord de juger mon

travail.

Je remercie aussi tous mes enseignants de la formation et particulièrement ceux de la

spécialité ELT.

Toute ma gratitude à tous ceux qui, de prés ou de loin, ont contribué à notre formation.

Sous oublier, en fin de remercier vivement tous les membres de ma famille.

Résumé

L’emploi des onduleurs multi-niveaux dans les installations industrielles est motivé

par les avantages énergétiques, largement éprouvés tels que, la réduction très significative du THD du courant, l’amélioration du facteur de puissance, la réduction des contraintes en

tension aux bornes des interrupteurs statiques, … Les principales applications des topologies multi-niveaux, se trouvent généralement dans la traction et la propulsion électriques (navires électriques, variateurs de vitesse, …) ainsi

que dans les systèmes de génération et de transport de l’énergie électrique.

Vu l’utilité que présente les onduleurs multi-niveaux, l’objectif visé par ce travail est l’étude de la topologie et de la commande d’un onduleur hybride multi-niveaux en cascade de type 3/2 (onduleurs 3 et 2 niveaux en cascade) utilisé pour entraîner une

machine asynchrone (MAS). Ceci permet de déterminer les caractéristiques, par simulation, de ce type de convertisseur, surtout du point de vue THD du courant et de la

tension de sortie, en comparaison avec d’autres entraînements utilisant des topologies d’onduleurs conventionnels ou similaires.

Mots-Clés

Onduleur multi-niveaux, onduleur NPC, onduleur hybride en cascade, commande MLI (ou

PWM), commande vectorielle.

Sommaire

Introduction Générale........................................................................................................1

Chapitre 1:

Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux

I.1 Introduction……………………………………………………………………………3

I.2 Principe de fonctionnement de l’onduleur triphasé à deux niveaux de tension………4

I.3 Intérêt des onduleurs multi-niveaux ………………………………………………..…5

I.4 Différentes topologies des onduleurs multi-niveaux…………………………………6

I.4.1 Onduleurs multi niveaux avec diodes de bouclage…….…………………..7

a) Topologies NPC classiques......……………………………………………..7

b) Topologies basées sur NPC……………………………………………...…9

I.4.2 Onduleurs multi-niveaux à condensateur flotteur ou à cellules imbriquées...9

I.4.3 Les onduleurs multi-niveaux en pont H (H-Bridge en cascade)………….12

a) H-Bridge Classiques………………………………………………………12

b) Topologies basées sur l’onduleur en pont H………………………………13

I.4.4 Les onduleurs multi-niveaux hybrides…………………………………….13

I.5 Propriétés des principales structures……………………………………………...…15

I.5.1 Classification des topologies selon leur alimentation...……………………15

I.5.2 Nombres de composants nécessaires...………………………………….…16

I.6 Conclusion………………………………………………….………………………...17

CHAPITRE II

Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC trois

niveaux

II.1 Introduction……………………………………………………………...……….….19

II.2 Onduleur à trois niveaux de type NPC…………………………………...………….19

II.2.1 Structure………………………………………………………...………....19

II.2.2 Principe de fonctionnement.……………………………………………….21

II.3 Modélisation de l’onduleur de tension à trois niveaux de type NPC….……...…….24

II.3.1 Fonctions de connexion………..…………………………………………..26

a) Relation entre les fonctions de connexion…..……………………...……..27

b) Relation entre les fonctions des demi-bras………………….………….…27

II.3.2 Potentiels et tension de sotie…………………………………………..27

a) Potentiels …………………………………………..………………..27

b) Tensions de sortie…………………………………..………...…………28

b.1) Tensions composées……………………………………………….28

b.2) Tensions simples…………………………………………………..29

II.3.3 Tension de sortie pour l’onduleur multi-niveaux en cascade 3/2…………29

II.4 Techniques de commandes MLI…………………………………………………….31

II.4.1 Commande en pleine onde de type ………………………………...32

II.4.2 Modulation sinusoïdale (ou sinus-triangle)……………………………….32

a) Modulation sinusoïdale naturelle…………………………………...33

b) Modulation sinusoïdale à double triangles……………….…………34

II.4.3 Modulation vectorielle…………………………………………………….35

a) Principe de la modulation vectorielle……………………………….35

II.5 Commande vectorielle de la machine asynchrone……..….…………………….…37

II.5.1 Principe de la commande vectorielle de la MAS……………...…………38

II.6 Conclusion…………………………………………………………………………..40

Chapitre III

Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en

cascade

III.1 Introduction……………………………………………………….……………….41

III.2 Paramètres de simulation………………………………………………………….41

III.2.1 Paramètres de la MAS…..………………………………..……………..41

III.2.2 Paramètres de la MLI…..………………………….……...……………..41

III.3 Résultats de simulation pour un entraînement d’une MAS….…..…………....…..42

III.3.1 Entraînement avec un onduleur deux niveaux…………………….……42

III.3.2 Entraînement avec un onduleur trois niveaux……….……………….…45

III.3.3 Entraînement avec onduleur 3/2 en cascade………………….…………49

a) Commande en Boucle Ouverte (sans régulation de vitesse).………49

b) Commande en Boucle Fermée (avec régulation de vitesse)…….....51

III.4 Comparaison et interprétations des résultats de simulation………………………54

III.4 Conclusion…………………………………………………………….…...…...…55

Bibliographie……………………………………………………………………………56

Annexe…………………………………………………………………………………..60

Notation

THD : Total Harmonic Distortion.

IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor.

SVM : Space Vector Modulation.

SPWM : Sinus Pulse Width modulation.

PWM : Pulse Width modulation.

MLI : modulation à largeur d’impulsion.

MAS : machine asynchrone.

NPC : Neutral Point Clamped .

p : Nombre de paires de pôles.

: Interrupteur.

: Diode.

CDC : NPC en cascade.

CMH : H-bridge en cascade.

CDCH : NPC et H-bridge en cascade.

: Tension entre le point milieu ‘i’ de chaque bras de l’onduleur et le point

milieu ‘0’ de l’alimentation de l’onduleur [V].

: Fonction de connexion.

: Tension simple aux bornes de chaque phase de la charge [V].

g : masse fictif de convertisseu .

Tension entre le point a de la phase statorique et le point de la masse g.

d,q : Axe de référentiel de Park.

r,s : Indices respectifs du stator et du rotor.

iqs et ids Courants statoriques dans le repère de Park (dq).

τr Constantes de temps rotorique et statorique.

M : inductance mutuelle cyclique entre stator et rotor.

ids*, iqs* (ids_ref, iqs_ref) Courants statoriques de référence dans le repère de Park (dq).

vds*, vqs* (vds_ref, vqs_ref) Tensions statoriques de référence dans le repère de Park (dq).

φdr et φqr Flux rotorique dans le repère de Park (dq).

Ce, Tém : Couple électromagnétique du moteur à induction.

Liste des figures

N0 de figure Titre de figure page Figure I-1 Schéma représentatif d’un onduleur triphasé à deux niveaux de

tension

4

Figure I-2-a Mise en parallèle transistor-diode 5 Figure I-2-b Caractéristique statique 5 Figure I-3 Différentes topologies des onduleurs multi-niveaux 6

Figure I-4 Onduleur NPC à trois niveaux (phase a) 7

Figure I-5 Onduleur NPC à quatre niveaux (phase a) 8

Figure I-6 Topologies basées sur le modèle NPC 9

Figure I-7 Structure d’un bras d’onduleur FC de trois niveaux 10

Figure I-8 Topologie multi-niveau à cellules imbriquées pour quatre

niveaux (phase a)

11

Figure I-9 Onduleur H-bridge à 5 niveaux, monophasé (à gauche) et

triphasé (à droite)

12

Figure I-10 Modèle de topologie parallèle de phase avec bobine

d’interphase

13

Figure I-11 Hybridation en pont de 2 onduleurs multi-niveaux 14

Figure I-12 Hybridation en cascade d’onduleurs multi-niveaux de type H-

bridge

14

Figure I-13 Hybridation 3/2 en pont avec deux onduleurs connectés à un

moteur asynchrone

15

Figure II-1 Structure d’un onduleur triphasé à trois niveaux de type NPC

20

Figure II-2 Bras d’un onduleur NPC à trois niveaux

21

Figure II-3 Première configuration du premier bras

22

Figure II-4 Deuxième configuration du premier bras

22

Figure II-5 Troisième configuration du premier bras

23

Figure II-6 Forme d’onde de la tension de sortie d’un bras d’onduleur à trois niveaux de type NPC

24

Figure II-7 Onduleur triphasé à trois niveaux de tension de type NPC 25 Figure II-8 Interrupteur bidirectionnel équivalent de la paire transistor-

diode

25

Figure II-9 Un bras de l’onduleur à trois niveaux de tension

26

Figure II-10 Structure d’un onduleur multi-niveau en cascade n1/n2 30 Figure II-11 Différentes techniques de commande MLI

31

Figure II -12 Schéma de principe de la technique sinus-triangle

32

Figure II-13 Principe de la modulation MLI sinusoïdale classique

34

Figure II-14 Principe de la MLI à doubles triangles

35

Figure II-15 Schéma de principe de la MLI vectorielle

36

Figure II-16 Représentation dans le plan des vecteurs de tension de

l’onduleur à trois niveaux de tension

37

Figure II-17 Principe du contrôle vectoriel (orientation du flux rotorique) 39 Figure III-1 Signaux de commande des interrupteurs Ka1 et Ka2

42

Figure III-2 Vitesse de la MAS entraînée par onduleur 2 niveaux 43

Figure III-3 Couple électromagnétique de la MAS entraînée par

onduleur 2 niveaux

43

Figure III-4-a Courant de phase statorique de la MAS entraînée

par onduleur 2 niveaux

44

Figure III-4-b Régime sinusoïdal permanent du courant statorique Isa

(ond. 2 niv.)

44

Figure III-5 Tension simple Vsa da la MAS entraînée par onduleur 2

niveaux

45

Figure III-6 Signaux de commande des interrupteurs du bras de la phase a

46

Figure III-7 Vitesse de la MAS entraînée par onduleur 3 niveaux

46

Figure III-8 Couple électromagnétique de la MAS entraînée par onduleur 3

niveaux

47

Figure III-9-a Courant de phase statorique de la MAS entraînée


47

Figure III-9-b Régime sinusoïdal permanent du courant statorique Isa

(ond. 3 niv.)

48

Figure III-10 Tension simple Vsa de la MAS entraînée par onduleur 3

niveaux

48

Figure III-11 Vitesse de la MAS entraînée en BO par onduleurs 3/2 en cascade

49

Figure III-12 Couple électromagnétique de la MAS entraînée par onduleurs

3/2 en cascade

49

Figure III-13-

a

Courant de phase statorique de la MAS entraînée en BO par

onduleurs 3/2 en cascade

50

Figure III-13-

b

Régime sinusoïdal permanent du courant statorique Isa

(cascade 3/2)

50

Figure III-14 Tension simple Vsa da la MAS entraînée en BO par


51

Figure III-15 Contrôle vectoriel indirect à flux orienté de la MAS

52

Figure III-16-

a

Courant de phase statorique de la MAS entrainée en BF 53

Figure III-16-

b

Régime sinusoïdal permanent du courant statorique Isa 53

Figure III-17 Tension simple Vsa de la MAS entrainée en BF 54

Introduction générale

1


L’utilisation des convertisseurs statiques dans l’industrie est devenue un champ

extrêmement vaste, car les équipements industriels utilisent de plus en plus des

entraînements à vitesse variable. Les onduleurs de tension sont largement utilisés, surtout

pour la commande des machines à courant alternatif.

Un onduleur de tension est un convertisseur statique alimenté soit par une source de

tension continue, pour fournir une tension ou un courant alternatif de valeur efficace et de

fréquence fixes (cas des alimentations sans interruption) ou variables (cas des variateurs

de vitesse).

L’inconvénient majeur des onduleurs conventionnels (à deux niveaux) est l’obtention

d’une tension non sinusoïdale à sa sortie, ce qui provoque une dégradation du régime de

fonctionnement de certaines charges, surtout le cas des machines électriques. Ces

tensions de sortie sont très riches en harmoniques, d’où la nécessité de les réduire. Les

onduleurs conventionnels sont limités aux applications de faibles et moyennes

puissances.

L’utilisation des topologies multi-niveaux de l’onduleur est motivé, vu les avantages

énergétiques largement éprouvés, entres autres :

- la réduction significative du taux de distorsion harmonique (THD) du courant ou de la

tension,

- l’amélioration du facteur de puissance,

- la réduction des contraintes en tension aux bornes des interrupteurs statiques,

- la diminution des pertes de puissance et la réduction du volume des filtres (si

nécessaire).

Les onduleurs à plusieurs niveaux de tensions sont très employés dans le domaine

des moyennes et des fortes puissances. Les onduleurs multi-niveaux, avec des topologies

naturelles ou hybrides, peuvent être utilisés dans : les variateurs de vitesse pour machines

électriques, le domaine médical, les alimentations de secours, les filtres actifs, ou dans les

applications des systèmes photovoltaïques.


2

En revanche, l’onduleur multi-niveaux impose l’utilisation d'un grand nombre de

semi-conducteurs de puissance, donc une grande complexité pour la commande et

l’équilibrage de tensions aux bornes des condensateurs.

Vu l'intérêt que présente les onduleurs multi-niveaux, l’objectif de ce travail est

l’étude de la topologie et de la commande d’un onduleur multi-niveaux en cascade 3/2

qui est une hybridation en pont entre un onduleur triphasé (NPC : Neutral Point Clamped)

à 3 niveaux et un autre à 2 niveaux, connectés à un moteur asynchrone comme charge.

L’étude présentée dans ce mémoire est organisée en trois chapitres :

- Le premier chapitre présente les différentes catégories des onduleurs multi-

niveaux d’une manière générale, ainsi que les topologies hybrides associées tout

en montrant les avantages et les inconvénients de chaque catégorie.

- Le second chapitre est consacré à l’étude du principe de fonctionnement et à la

modélisation de l’onduleur de tension à trois niveaux, nécessaire pour déterminer

ses tensions de sortie et par la suite, celles de la cascade 3/2. De plus, quelques

stratégies de commande (à MLI) pour ce type de convertisseur, sont exposées.

- Le troisième chapitre est réservé aux simulations (sous Psim) pour des différents

entraînements d’une machine asynchrone à cage (MAS) avec trois types de

d’onduleurs de tension (deux niveaux, trois niveaux et en cascade 3/2) pour deux

types de commande à MLI, ce qui permet de suivre l’évolution temporelle des

différentes grandeurs de la MAS (vitesse, couple, courant et tension) et d’établir

les comparaisons entre les différentes structures d’onduleurs employés, surtout du

point de vue THD du courant et de la tension de phase alimentant la MAS.

CHAPITRE I

Catégories et topologies des

onduleurs multi-niveaux

I.1 Introduction

I.2 Principe de fonctionnement de l’onduleur triphasé à deux niveaux

de tension

I.3 Intérêt des onduleurs multi-niveaux

I.4 Différentes topologies des onduleurs multi-niveaux

I.4.1 Onduleurs multi niveaux avec diodes de bouclage

I.4.2 Onduleurs multi-niveaux à condensateur flotteur ou à cellules

imbriquées

I.4.3 Les onduleurs multi-niveaux en pont H (H-Bridge en cascade)

I.4.4 Les onduleurs multi-niveaux hybrides

I.5 Propriétés des principales structures

I.5.1 Classification des topologies selon leur alimentation

I.5.2 Nombres de composants nécessaires

I.6 Conclusion

Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux

3

I. 1 Introduction

Les onduleurs de tension constituent une fonction incontournable de

l’électronique de puissance. Ils sont présents dans les domaines d’application les plus

variés, dont le plus connu, sans doute est celui de la variation de vitesse des machines à

courant alternatif. La forte évolution de cette fonction s’est appuyée, d’une part sur le

développement des composants à semi-conducteurs entièrement commandé, puissants,

robustes et rapides et d’autre part, sur l’utilisation quasi-généralisée des techniques

dites de modulation de largeur d’impulsion, ainsi que le progrès réalisé dans le

domaine de la micro- informatique. Malgré leurs nombreux avantages, les onduleurs

conventionnels présentent certains inconvénients tels que:

l’usage limité aux applications de faibles et de moyennes puissances seulement ;

la détérioration prématurée des roulements causée par l’apparition des tensions

homopolaires à l’arbre du moteur.

Pour surmonter ces problèmes, un nouveau type d’onduleur a été introduit,

en l’occurrence, l’onduleur multi-niveaux. Ce type d’onduleur présente plusieurs

avantages, parmi les plus importants, on mentionne :

il peut générer des tensions très proche de la sinusoïde avec une fréquence de

commutation égale à celle de la fondamentale ;

les performances spectrales des formes d’ondes des grandeurs de sortie d’un

onduleur multi-niveau sont supérieures à celles d’un onduleur à deux niveaux ;

les formes d’ondes des grandeurs de sortie d’un onduleur multi-niveau limitent

naturellement les problèmes de surtensions ;

il est bien adapté aux moteurs de moyennes et de grandes puissances.

Ce chapitre comprend deux parties. Tout d’abord, nous effectuons une

présentation des différentes catégories d’onduleurs multi-niveaux, et des topologies

hybrides associées.


4

I.2 Principe de fonctionnement de l’onduleur triphasé à deux niveaux de

tension

Les onduleurs sont des convertisseurs statiques de type continu-alternatif, un

onduleur se définit comme un appareil électronique de puissance. Il est capable de

fournir des courants alternatifs. Ils sont «statiques» car ils ne font intervenir aucun

mouvement mécanique (contrairement aux machines tournantes).

La figure (I-1) présente le schéma de principe de l'onduleur de tension triphasé.

IL est placé entre une source de tension continue supposée parfaite, donc de tension

constante, et une source de courant alternatif triphasé supposée elle aussi parfaite, donc

des courants, , et formant un système triphasé sinusoïdal équilibré.

Fig. I-1 Schéma représentatif d’un onduleur triphasé à deux niveaux de tension

L'onduleur triphasé est l'assemblage de trois demi ponts monophasés chacun est

formé de deux "interrupteurs" en série, ( ), ( ) et ( ).

Les interrupteurs d'un même demi-point doivent être à commandes

complémentaires pour que la source de tension continue ne soit jamais en court-

circuit et pour que les circuits des courants , et ne soient jamais ouverts.

Pour que les six interrupteurs puissent imposer les tensions de sortie, quels que soient

les courants , et , il faut que ces interrupteurs soient bidirectionnels en courant.

Chacun d'eux est formé d'un semi-conducteur à ouverture et fermeture commandées


5

et d’une diode montée en anti-parallèle (figure I-2 a) : et , et et

; la figure I-2 b montre la caractéristique statique de chaque interrupteur

bidirectionnel, celle-ci est constituée de trois branches :

- La branche 1 correspond à l'état bloquant du transistor et de la diode.

- La branche 2 correspond à la conduction du transistor.

- La branche 3 correspond à la conduction de la diode.

Fig. I-2-a Mise en parallèle transistor-diode Fig. I-2-b Caractéristique statique

I.3 Intérêt des onduleurs multi-niveaux

Un convertisseur statique DC-AC est dit « multi-niveaux » lorsqu’il génère une

tension de sortie découpée composée au moins de trois niveaux. Ce type de convertisseur

présente essentiellement deux avantages. D’une part les structures multi-niveaux

permettent de limiter les contraintes en tension subies par les interrupteurs de puissance :

chaque composant, lorsqu’il est à l’état bloqué, supporte une fraction d’autant plus faible

de la pleine tension du bus continu que le nombre de niveaux est élevé. D’autre part, la

tension de sortie délivrée par les convertisseurs multi-niveaux présente d’intéressantes

qualités spectrales. Le fait de multiplier le nombre de niveaux intermédiaires permet de

réduire l’amplitude de chaque front montant ou descendant de la tension de sortie. Alors

l’amplitude des raies harmoniques est par conséquent moins élevée. Dans le cas de

Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI), le recours à un convertisseur multi-niveaux


6

associé à une commande judicieuse des composants de puissance permet, en outre, de

supprimer certaines familles de raies harmoniques.

En général, les onduleurs de tension multi-niveaux peuvent être vus comme des

synthétiseurs de tension, dans lesquels la tension de sortie est synthétisée de plusieurs

niveaux de tension discrets [1].

I.4 Différentes topologies des onduleurs multi-niveaux

L’onduleur de tension multi-niveaux possède trois ou plusieurs niveaux. Le but

de cette partie est de donner une vue générale des topologies de base des onduleurs

multi-niveaux. La figure (I-3) représente les trois topologies principales des onduleurs

multi-niveaux les plus récentes :

Fig. I-3 Différentes topologies des onduleurs multi-niveaux

Deux catégories d’onduleurs multi-niveaux sont actuellement répertoriées. La

première catégorie regroupe les onduleurs principaux en trois groupes [2] :

1) les onduleurs à diodes de bouclage (en anglais clamping diodes) : Neutral Point

Clamped (NPC) et Multiple Point Clamped (MPC)

2) l’onduleur à condensateur flotteur (ou Flying Capacitor (FC) ou à cellules

imbriquées).

3) l’onduleur à pont en cascade (H-bridge).

La deuxième catégorie des onduleurs multi-niveaux comporte les assemblages

hybrides des onduleurs de la première catégorie. Ainsi, on peut citer entre autres [3]:


7

1) NPC en cascade (CDC),

2) H-bridge en cascade (CMH),

3) NPC et H-bridge en cascade (CDCH)

I.4.1 Onduleurs multi niveaux avec diodes de bouclage

a) Topologies NPC classiques

L’onduleur Neutral Point Clamped (NPC) est proposé par Baker. Cet onduleur

permet d’avoir un niveau impair de tension. 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.

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. Cependant,

l’onduleur Multiple Point Clamped (MPC) a été développé dans les années 90 pour un

nombre pair de tensions. Ces deux types d’onduleurs sont montrés par les figure (I-4) et

figure (I-5) :

Fig. I-4 Onduleur NPC à trois niveaux (phase a)


8

Fig. I-5 Onduleur NPC à quatre niveaux (phase a)

Les principaux avantages de l’onduleur NPC à trois niveaux sur l’onduleur

classique à deux niveaux 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.

Cependant, pour les topologies avec diodes de bouclage, la pratique a révélé

plusieurs difficultés techniques qui compliquent ses applications au cas des grandes

puissances. Entres autres, on peut citer :

Le NPC exige des diodes de bouclage à vitesse de commutation élevée et 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.


9

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 multi-niveaux est employé surtout dans les circuits de compensation.

Cela est dû au problème d’équilibrage des capacités.

b) Topologies basées sur NPC

Il existe plusieurs variantes de convertisseurs multi-niveaux 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. Les figures (I-6) montrent 3 niveaux NPC ;

Sur la configuration de la figure (I-6-b), les états de commutation peuvent être utilisés

pour doubler la fréquence de découpage apparente.

Fig. I-6 Topologies basées sur le modèle NPC

I.4.2 Onduleurs multi-niveaux à condensateur flotteur ou à cellules imbriquées

Dans un convertisseur à deux niveaux de tension, chaque phase est constituée

d’une paire d’interrupteurs de puissance montée en parallèle aux bornes d’un

condensateur. Ils sont souvent commandés de façon complémentaire, si bien que la

tension de sortie de la branche est reliée soit à la borne positive, soit à la borne négative

de ce condensateur.


10

Dans la topologie multi-niveau proposée en 1992 par T. Meynard et H. Foch,

elle est également connue sous l’appellation « flying capacitors multilevel inverter»

dans la littérature anglo-saxonne.

Plusieurs cellules « condensateur et paire d’interrupteurs » sont imbriquées les unes dans

les autres comme l’illustre la figure (I-7) pour un bras d’onduleur FC à trois niveaux :

Fig. I-7 Structure d’un bras d’onduleur FC de trois niveaux

La figure (I-8) montre la topologie multi-niveaux à cellules imbriquées pour

quatre niveaux avec ( , , , ... , ) :


11

Fig. I-8 Topologie multi-niveau à cellules imbriquées pour quatre niveaux (phase a)

Le principe de fonctionnement de cette topologie est quasiment identique à celui de la

topologie NPC. Elle présente plusieurs avantages, notamment :

La tension de blocage des interrupteurs est partout la même ;

Le concept peut être facilement appliqué à d’autres types de conve rtisseurs

(continu-continu, continu-alternatif, alternatif-alternatif), aussi bien pour un transfert

unidirectionnel de la puissance que bidirectionnel;

Les condensateurs n’étant jamais mis en série entre niveaux différents, le problème du

déséquilibre de leur tension n’existe plus.

Actuellement il semble que cette topologie a quelques inconvénients. Néanmoins,

quelques points faibles qui doivent toujours être explorés :

Le contrôleur de la charge du condensateur ajoute la complexité au contrôle du circuit

entier.


12

La topologie de l’onduleur multi-niveau à cellules imbriquées peut exiger plus de

condensateurs que la topologie de l’onduleur NPC. De plus, il est évide nt que

des courants de grande valeur efficace circuleront à travers ces condensateurs.

Il y a un potentiel de résonance parasite entre les condensateurs découplés.

I.4.3 Les onduleurs multi-niveaux en pont H (H-Bridge en cascade)

a) H-Bridge Classiques

Le premier modèle d’onduleur était l’onduleur en pont H (en anglais H-bridge),

apparu en 1975. Un progrès des onduleurs multi-niveaux a été dû au modèle en pont H

cascadé en série. La première application d’onduleur en pont H était pour la stabilisation

des plasmas en 1988. 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.

La figure (I-9) présente un exemple d’un onduleur en pont H en cascade à cinq

niveaux monophasé (à gauche) et triphasé (à droite).

Fig. I-9 Onduleur H-bridge à 5 niveaux, monophasé (à gauche) et triphasé (à droite)


13

b) Topologies basées sur l’onduleur en pont H

Une autre structure couramment utilisée des onduleurs en pont H est la topologie

parallèle de phase. Dans cette topologie chaque phase est connectée à un onduleur en

pont H est 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.

La figure (I-10) montre un modèle de topologie parallèle de phase avec bobine

d’interphase :

Fig. I-10 Modèle de topologie parallèle de phase avec bobine d’interphase

I.4.4 Les onduleurs multi-niveaux hybrides

L’onduleur multi-niveau 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 du nombre de niveaux de la tension de sortie en utilisant

moins de sources de tension continue à l’entrée et moins de commutations.

Trois types d’hybridation sont développés dans l’industrie :


14

- Hybridation en pont, généralement entre onduleurs de même nature : la figure (I-11)

montre une hybridation en pont de deux onduleurs multi-niveaux ;

- Hybridation en cascade, les topologies fournissent un effet multiplicateur du nombre

de niveaux selon le modèle de structuration ; la figure (I-12) montre une hybridation

en cascade d’onduleurs multi-niveaux de type H-bridge.

Fig. I-11 Hybridation en pont de 2 onduleurs multi-niveaux

Fig. I-12 Hybridation en cascade d’onduleurs multi-niveaux de type H-bridge

La figure (I-13) montre l’hybridation 3/2 en pont avec deux onduleurs NPC connectés à

un moteur asynchrone :


15

Fig. I-13 Hybridation 3/2 en pont avec deux onduleurs connectés à un moteur asynchrone

Ce dernier type fera l’objet de l’étude présentée dans le deuxième chapitre.

I.5 Propriétés des principales structures

I.5.1 Classification des topologies selon leur alimentation

Les topologies telles que les onduleurs NPC et les onduleurs à cellules imbriquées

divisent leur tension d’alimentation, la tension de sortie est plus petite ou égale à la

tension continue d’entrée. Elles sont capables de fonctionner à partir d’une alimentation

continue unique.

Au contraire, les structures telles que les onduleurs en cascade élèvent leur tension

d’alimentation, la tension de sortie maximale est plus grande que chacune des tensions

d’alimentation et elle est plus petite ou égale à la somme des tensions d’alimentation.


16

I.5.2 Nombres de composants nécessaires

A l’aide des tableaux suivants, nous comparons le nombre de commutateurs

principaux et de diodes principales, nécessaires pour réaliser le nombre de niveaux de

tension :

Pour le cas le plus simple permettant d’obtenir trois niveaux par branche, nous obtenons :

Topologie

NPC

Cellules imbriquées

Cascade (en pont H)

Tableau (I-1) Nombres de composants nécessaires pour la topologie à trois niveaux [4].

Topologie

NPC

Cellules

imbriquées

Cascade (en pont

H)

Tableau (I-2) Nombres de composants nécessaires pour la topologie à n niveaux [5].

Avec :

- : le nombre de niveaux de tension obtenus,

- : le nombre de sources à courant continu,

- : le nombre de commutateurs principaux,

- : le nombre de diodes principales,

- : le nombre de diodes clampées,

- : le nombre de condensateurs d’équilibrage.


17

Du point de vue nombre de composants, les onduleurs à cellules cascadées

paraissent être la solution multi-niveau la plus avantageuse, surtout lorsque le nombre de

niveaux devient important. C’est effectivement le cas pour les applications monophasées

telles que le filtrage actif ou la compensation statique, lorsque le convertisseur n’a pas

besoin de fournir d’énergie au système. Pour les applications triphasées et pour un petit

nombre de niveaux, les onduleurs NPC sont intéressants, car les condensateurs sont

partagés par les différentes branches, ce qui permet un équilibrage de la puissance

circulant entre les phases. Cet équilibrage permet une réduction notable de la taille des

condensateurs intermédiaires.

Un autre avantage de l’onduleur cascadé est la flexibilité de disposition de circuit.

La disposition du circuit de modulation est possible puisque chaque niveau a la même

structure, et il n’y a aucune diode clampée supplémentaire ou un condensateur

d’équilibrage de tension. Le nombre de niveaux de la tension de sortie peut être

facilement ajusté en ajoutant ou en enlevant des cellules de pont complet [6].

I.6 Conclusion

Il existe plusieurs topologies d’onduleurs multi-niveaux, dont chacune correspond

à un type d’application bien déterminé permettant d’atteindre les performances

recherchées.

Dans ce chapitre, nous avons présenté les différentes structures de base

d’onduleurs de tension multi-niveaux.

Les onduleurs NPC sont intéressants pour les applications triphasées nécessitant

peu de niveaux. L’énergie stockée à l’étage intermédiaire peut être réduite. Les structures

permettant une conversion directe (NPC et cellules imbriquées) sont avantageuses pour

les applications avec échange de puissance active. Les onduleurs à cellules en cascade

sont très avantageux pour les applications monophasées sans échange de puissance

active. Ils conviennent même pour les très grandes tensions.

Les onduleurs hybrides ont pour but de diminuer la dépendance de la source par

rapport au nombre de niveaux, grâce aux propriétés de ‘’redondance’’ des séquences de

configuration.


18

Le chapitre suivant sera consacré à l’étude du principe et l’analyse du

fonctionnement de l’onduleur multi-niveaux en cascade 3/2, ainsi que quelques stratégies

de commande de ce type de convertisseur.

CHAPITRE II

Principe de fonctionnement et

commande de l’onduleur NPC trois

niveaux

II.1 Introduction

II.2 Onduleur à trois niveaux de type NPC

II.2.1 Structure

II.2.2 Principe de fonctionnement

II.3 Modélisation de l’onduleur de tension à trois niveaux de type

NPC

II.3.1 Fonctions de connexion

II.3.2 Potentiels et tension de sotie

II.3.3 Tension de sortie pour l’onduleur multi-niveaux en cascade 3/2

II.4 Techniques de commandes MLI

II.4.1 Commande en pleine onde de type

II.4.2 Modulation sinusoïdale (ou sinus-triangle)

II.4.3 Modulation vectorielle

II.5 Commande vectorielle de la machine asynchrone

II.5.1 Principe de la commande vectorielle de la MAS

II.5 Conclusion

Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux

19

II.1 Introduction

Les onduleurs multi-niveaux permettent de véhiculer des puissances élevées sans

que les composants qui les constituent ne subissent des contraintes considérables lors de

leur commande à l’ouverture ainsi qu’à la fermeture. La première structure d’onduleurs

multi-niveaux apparus est le NPC (Neutral Point Clamped) à trois niveaux proposé par

Nabea. A la sortie d’un onduleur, alimenté par une source de tension continue, on

obtient une tension alternative formée de créneaux rectangulaires. Le filtrage de cette

tension permet son approximation à une tension sinusoïdale. Si la tension a filtrer est à

la fréquence industrielle, le filtrage sera lourd, coûteux et les résultats obtenus seront

médiocres. D’où la nécessité d’une technique permettant le découpage d’une alternance

en plusieurs créneaux. La Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI) est introduite pour

résoudre ce problème. Cependant, l’essor de la modulation MLI n’a été possible que

grâce aux progrès sur les semi-conducteurs.

La génération des signaux de commande de la modulation MLI se fait le plus

souvent en temps réel. On détermine ainsi les instants d’ouverture et de fermeture des

interrupteurs à l’aide d’une électronique de commande analogique ou numérique ou

éventuellement une combinaison des deux.

Ce chapitre porte, sur l’étude détaillée de l’onduleur de tension à trois niveaux de

type NPC (structure et principe de fonctionnement). Afin de généraliser les principes

employés dans la topologie NPC, nous allons les appliquer à l’onduleur à diodes de

bouclage à trois niveaux ; nous allons établir le modèle mathématique en mode

commandable, en utilisant la notion de fonctions de connexion des interrupteurs et des

demi-bras.

Enfin nous allons voir les différentes techniques de commande MLI : la

modulation sinusoïdale et modulation vectorielle.

II.2 Onduleur à trois niveaux de type NPC

II.2.1 Structure

L’idée de base de l’onduleur NPC est l’obtention d’une tension de sortie à trois

niveaux par la superposition de deux interrupteurs élémentaires alimenté chacun par une

source de tension continue distincte.


20

La figure (II-1) représente la structure topologique d’un onduleur triphasé à trois

niveaux. Elle est composée de trois bras monophasés. A partir de la source principale de

tension continue, et à l’aide d’un diviseur de tension capacitif formé par les

condensateurs de filtrage et de même capacité, on obtient deux sources

secondaires de tension continue délivrant chacune une demi- tension ( ). Cette

structure crée alors une source continue à point milieu (0).

Ces derniers sont identiques de manière à éviter le déséquilibre de charge

( c’est-à-dire ).

Fig. II-1 Structure d’un onduleur triphasé à trois niveaux de type NPC

Chaque demi-bras de l’onduleur se compose de deux interrupteurs en série

avec leur point commun relié par une diode de bouclage au point milieu de la source (0).

Une diode en antiparallèle est montée sur chaque interrupteur pour assurer la réversibilité

des courants dans la charge.

L’onduleur multi-niveaux de type NPC permet d’avoir une tension plus proche

de la sinusoïde que celle issue de l’onduleur classique à deux niveaux. Il permet

également, par la mise en série des interrupteurs, une meilleure maîtrise des contraintes

en tension sur les composants [7].


21

II.2.2 Principe de fonctionnement

L’onduleur triphasé à trois niveaux montré sur la figure (II-1), qui représente le

schéma de principe de l’une des topologies des onduleurs triphasés à structure NPC [8].

Grâce à la symétrie de ces derniers, on considère un seul bras dont la structure est

représentée par la figure (II-2).

Fig. II-2 Bras d’un onduleur NPC à trois niveaux

Il faut déterminer les valeurs que peut prendre la tension simple entre la

borne (a) de la charge et le point milieu ( ). Cette tension est entièrement définie par

l’état (0 ou 1) des quatre interrupteurs du bras. Nous avons

configurations possibles, seules trois configurations sont mises en œuvre,

toutes les autres séquences ne sont pas fonctionnelles, et sont donc à éviter. En effet, elles

provoquent, soient des courts-circuits des sources de tension continue, soit la

déconnexion de la charge.

Première configuration (combinaison des états : 1100)

sont passants, sont bloqués (figure II-3), on a la valeur de la

tension simple de sortie :

(II-1)

La tension inverse appliquée aux bornes des interrupteurs bloqués est :

(II-2)


22

Fig. II-3 Première configuration du premier bras

Deuxième configuration (combinaison des états : 0110)

sont passants, sont bloqués (figure II-4), le point a est relié

directement au point milieu 0. Donc, la tension de sortie est nulle :

(II-3)


(II-4)

Fig. II-4 Deuxième configuration du premier bras

Troisième configuration (combinaison des états : 0011)

sont passants, sont bloqués (figure II-5), on a la valeur de la

tension simple de sortie :

(II-5)


23


(II-6)

Fig. II-5 Troisième configuration du premier bras

Le Tableau (II-1) représente la tension de sortie d’un onduleur NPC à 3

niveaux en fonction de l’état des interrupteurs. Outre les variations du potentiel du point

milieu, la tension aux bornes des interrupteurs de puissance n’excède jamais la moitié du

bus d’entrée.

Etat des interrupteurs Tension

de sortie

1 1 0 0

0 1 1 0 0

0 0 1 1

Tableau (II-1) Table de commutation de l’onduleur NPC trois niveaux [9].

Pour visualiser l’enchaînement des configurations décrites ci-dessus, la figure (II-6)

représente les signaux de commande de chaque interrupteur, ainsi que la forme d’onde de

la tension de sortie .


24

Fig. II-6 Forme d’onde de la tension de sortie d’un bras d’onduleur à trois

niveaux de type NPC

La structure de l’onduleur à trois niveaux limite à la tension imposée à

chaque interrupteur lorsqu’il est bloqué, alors que dans la structure classique de

l’onduleur, cette tension vaut la tension continue complète . C’est cette caractéristique

de l’onduleur à trois niveaux qui permet de monter en puissance, dans le cas des

applications de forte puissance.

Donc, la tendance vers l’augmentation du nombre de niveaux est dictée par le

besoin de tensions plus élevées pour les applications de forte puissance. Ainsi que, plus le

nombre de niveaux augmente, la tension de sortie en forme d’escalier possède plusieurs

paliers. Ceci permet de mieux s’approcher des sinusoïdes.

II.3 Modélisation de l’onduleur de tension à trois niveaux de type NPC

Le circuit de puissance de l’onduleur multi-niveaux est donné par la figure (II-7) :


25

Fig. II-7 Onduleur triphasé à trois niveaux de tension de type NPC

Pour simplifier la complexité de la structure de l’onduleur à trois niveaux, on

présente chaque paire (transistor-diode) par un seul interrupteur bidirectionnel (figure

II-8) et vu la symétrie de la structure, on présente la configuration d’un seul bras.

Fig. II-8 Interrupteur bidirectionnel équivalent de la paire transistor-diode

L’ouverture et la fermeture des interrupteurs dépend de :

La commande externe (l’ordre d’amorçage ou de blocage du semi-conducteur bi-

commandable ).

La commande interne définie par les signes du courant du bras.

Pour éviter la mise en conduction simultanée des quatre interrupteurs d’un seul

bras, qui provoque un court-circuit aux bornes des sources continues et par conséquent le

risque de destruction des condensateurs et des composants semi-conducteurs, par


26

surintensité et qui peut engendrer la destruction par surtension des interrupteurs lors

ouverture simultanée de ces derniers, on adopte la solution classique suivante :

On doit réaliser une commande complémentaire des différents interrupteurs d’un même

bras de l’onduleur [10].

Cette commande est la seule qui permet d’exploiter les trois niveaux de la tension

de sortie, possibles pour un bras ( ), avec .

Pour le bras d’onduleur , la commande complémentaire est :

{

(II-7)

C’est cette commande qui va être adoptée pour la modélisation de l’onduleur à trois

niveaux (Fig. II-9) :

Fig. II-9 Un bras de l’onduleur à trois niveaux de tension

II.3.1 Fonctions de connexion

Chaque interrupteur supposé idéal introduit une fonction de connexion .

Avec :

: indicateur du bras.

: numéro de l’interrupteur du bras .

Cette fonction vaut si l’interrupteur est fermé, et dans le cas contraire.

{

(II-8)


27

a) Relation entre les fonctions de connexion

Ainsi les fonctions de connexions des interrupteurs du bras sont liées par les

relations suivantes :

(II-9)

b) Relation entre les fonctions des demi-bras

On définit la fonction de connexion du demi-bras qu’on notera avec

(haut) pour le demi-bras du haut et avec (bas) pour le demi-bras du bas.

Pour un bras , les fonctions de connexions des demi-bras s’expriment au moyen des

fonctions de connexions des interrupteurs comme suit :

(II-10)

Cette modélisation sera effectuée en considérant l’association de l’onduleur de tension

triphasé avec une charge triphasée équilibrée.

Tension simple aux bornes de chaque phase de la charge :

Tension entre le point milieu de chaque bras de l’onduleur et le point milieu

de l’alimentation continue de l’onduleur :

Charge triphasée équilibrée couplée en étoile.

II.3.2 Potentiels et tensions de sortie

a) Potentiels

Les potentiels des nœuds de l’onduleur triphasé à trois niveaux par

rapport au point milieu , sont donnés par le système suivant :

{

(II-11)

Pour l’onduleur triphasé à trois niveaux, les fonctions de connexions des demi-bras sont

définies selon les relations suivantes :


28

(II-12)

En introduisant ces fonctions de connexions des demi bras dans le système (II-35), on

aboutit à :

{

(II-13)

b) Tensions de sortie

Le système d’équation (II -13) nous permet d’avoir les tensions de sortie de

l’onduleur à trois niveaux qui s’expriment en fonction des deux tensions d’entrées et

.

On peut considérer l’onduleur à trois niveaux comme étant l’association en série

de deux onduleurs à deux niveaux et chaque bras de l’un de ces onduleurs sera un demi-

bras de l’onduleur à trois niveaux.

Dans ces conditions, nous pourrons définir le modèle liant les fonctions des demi-

bras et les tensions aux bornes de la charge (tensions simples et tensions

composées ).

b.1) Tensions composées

Les différentes tensions composées de l’onduleur triphasé à trois niveaux

s’expriment à l’aide des fonctions de connexions des interrupteurs comme suit :

{

(II-14)

Avec , le système (II-14) devient :

{

(II-15)

Les différentes tensions composées de l’onduleur triphasé à trois niveaux

s’expriment à l’aide des fonctions des demi-bras comme suit :


29

[

] [

] {[

] [

] } (II-16)

Cette relation se réduit à :

[

] [

] [

] (II-17)

b.2) Tensions simples

Lorsque la charge est un système triphasé équilibré, donc la somme des trois

tensions simples à la sortie de l’onduleur est nulle :

(II-19)

(II-20)

Sous la forme matricielle :

[

]

[

][

] (II-21)

II.3.3 Tension de sortie pour l’onduleur multi-niveaux en cascade 3/2

La structure générale de ce type d’onduleur est donnée par la figure (II-10)

suivante :


30

Fig. II-10 Structure d’un onduleur multi-niveau en cascade n1/n2 [11]

Si le dans la figure indique un point fictif, alors les tensions de phase du

convertisseur 1 (3 niveaux dans notre cas) peuvent être écrites comme suit :

[

]

[

] [

] (II-22)

Où est la masse qui coïncide avec le pôle négatif de la source continue du

convertisseur 1. A titre d’exemple est la tension entre le point et la masse .

De même pour le convertisseur 2 (2 niveaux dans notre cas) les tensions de phase de

celui-ci sont données par :

[

]

[

] [

] (II-23)


31

Où est la masse qui coïncide avec le pôle négatif de la source continue .

Les tensions de phase aux bornes de la charge (moteur asynchrone à cage dans notre cas)

sont :

(II-24)

Par substitution des équations (II-22) et (II-23) dans l’équation (II-24), on obtient :

[

]

[

] [

] (II-25)

Le maximum du nombre de niveaux réalisables de tension est le produit des niveaux de

tension de chaque convertisseur [11] :

(II-26)

Pour le cas du convertisseur à trois niveaux en cascade avec un convertisseur à deux

niveaux, on peut former un convertisseur à six niveaux de tension (six niveaux pour les

tensions

,

et

).

Pour obtenir ce nombre de niveaux de tension effectifs, le rapport des tensions

continues des deux convertisseurs doit être réglé par la relation [11] :

(II-27)

II.4 Techniques de commandes MLI

Nous distinguons plusieurs types de techniques de MLI, dont on peut citer (Fig.II-11) :

Fig. II-11 Différentes techniques de commande MLI

Stratégies de modulation

En pleine onde

type

MLI

MLI sinusoïdale MLI vectorielle


32

II.4.1 Commande en pleine onde de type

La tension générée par la stratégie de la commande pleine onde à une forme

rectangulaire, Sa décomposition en série de Fourier a montré que cette forme d’onde est

riche en harmoniques. Ce type de commande convient pour les onduleurs à deux niveaux.

II.4.2 Modulation sinusoïdale (ou sinus-triangle)

La modulation sinusoïdale consiste à utiliser les intersections d’une onde de

référence ou modulante, généralement sinusoïdale, avec une onde de modulation ou

porteuse, généralement triangulaire. Cette technique exige une commande séparée pour

chacune des phases de l’onduleur [12].

La figure ci-dessous illustre le principe de base de cette technique.

Fig. II -12 Schéma de principe de la technique sinus-triangle

Dans le cas d’une référence sinusoïdale, les caractéristiques sont :

L’indice de modulation égal au rapport de la fréquence de la porteuse à la

fréquence de la référence :

Le cœfficient de réglage égal au rapport de l’amplitude de la référence à

l’amplitude crête de la porteuse :

Le facteur d’évaluation des performances de la MLI qui est le distorsion facteur de

total des harmoniques de la tension de sortie (THD), défini par le rapport de la valeur


33

efficace des harmoniques de tension à la valeur efficace du fondamental de cette

tension :

√

(II-28)

Dans cette section, on analyse la stratégie de commande à modulation sinusoïdale,

il s’agit de déterminer, pour un onduleur triphasé à trois niveaux de type NPC, les

signaux de commande des interrupteurs.

a) Modulation sinusoïdale naturelle

Comme pour les onduleurs à deux niveaux, les signaux de commande des

interrupteurs de l’onduleur NPC sont obtenus à partir des intersections des trois signaux

de référence sinusoïdaux déphasés entre eux de , de fréquence et d’amplitude

, avec un signal triangulaire d’amplitude et de fréquence , très supérieure à

(Figure(II-13a)).La figure (II-13) montre le principe de la technique MLI sinusoïdale

naturelle utilisée pour un onduleur deux niveaux [13].

Les formes d’ondes des tensions de sortie par rapport au point milieu (O) de la

source continue , sont représentées par les figures (II -13 b, II -13 c et II -

13 d) respectivement.


34

Fig. II-13 Principe de la modulation MLI sinusoïdale classique

b) Modulation sinusoïdale à double triangles

Cette stratégie est basée au principe sur la modulation sinusoïdale naturelle. Pour

les onduleur deux niveaux, elle recommande l’utilisation de deux signaux triangulaires

symétriques de même fréquence et de même amplitude .Ces signaux triangulaires

sont comparés, pour chaque phase, avec un signal de référence d’amplitude et de

fréquence . C’est la modulation sinusoïdale à double triangle.

Pour les onduleurs avec un nombre de niveaux supérieur à trois, la technique

sinusoïdale naturelle avec son signal triangulaire unique, ne permet pas la génération de

tous les signaux de commande requis. Alors, Cette technique nécessite signaux

triangulaires de même fréquence et de même amplitude .

La figure II-14 représente le principe de la modulation sinusoïdale à double

triangle. Deux porteuses sont utilisées, avec trois signaux de référence, pour générer la

commande de chaque phase comme il est illustré sur la figure II -14a. Les figures II -14b,

II-14c et II-14d montrent les formes d’ondes des tensions , rapportées au

point milieu de la source continue à l’entrée de l’onduleur [14].


35

Fig. II-14 Principe de la MLI à doubles triangles

II.4.3 Modulation vectorielle

La modulation vectorielle, dite "Space Vector Modulation", est une modulation en

temps réel. Elle utilise le fait qu’un vecteur peut représenter les trois tensions d’un

système triphasé de somme nulle. Elle est conduite en synchronisme sur les trois phases.

Cette technique de MLI suit les principes suivants :

Le signal de référence est échantillonné à intervalles réguliers T (MLI régulière),

Pour chaque phase, réalisation d’une impulsion de largeur T centrée sur la période

(MLI symétrique) dont la valeur moyenne est égale à la valeur de la tension

de référence à l’instant d’échantillonnage .

Tous les interrupteurs d’un même demi-pont ont un état identique au centre et aux

deux extrémités de la période [15].

a) Principe de la modulation vectorielle

Le schéma de principe de la MLI vectorielle est présenté par la figure (II-15) :


36

Fig. II-15 Schéma de principe de la MLI vectorielle

Le principe de la modélisation vectorielle (SVM) consiste à reconstruire le vecteur

tension à partir de huit vecteurs de tensions, chacun correspond à une combinaison

des états des interrupteurs d’un onduleur de tension triphasé.

La MLI vectorielle est la méthode récemment la mieux adaptée au contrôle des moteurs

asynchrones contrairement à d’autres méthodes.

Elle consiste à considérer globalement le système triphasé et à lui appliquer une

transformée de Concordia pour se ramener dans le plan ( , ). Le système triphasé des

tensions à générer pour la durée d'échantillonnage en cours peut alors être représenté

comme un unique vecteur dans ce plan.

Ce vecteur n'est pas directement réalisable par les interrupteurs du variateur, mais on peut

chercher les trois configurations les plus proches (situées sur les sommets et au centre de

l’hexagone) et les appliquer successivement pendant une fraction adéquate de la période

d'échantillonnage, de façon à obtenir en valeur moyenne le vecteur recherché.

La modulation vectorielle traite donc, les signaux triphasés comme un tout. L’onduleur

triphasé à trois niveaux de tension ayant trois bras et trois configurations, possède

modes de commutations possibles. Il peut donc générer 27 vecteurs différents

de la tension de sortie [16].

La représentation sur le plan (α, β) de ces 27 vecteurs est donnée par la figure (II -16) :


37

Fig. II-16 Représentation dans le plan des vecteurs de tension de

l’onduleur à trois niveaux de tension

II.5 Commande vectorielle de la machine asynchrone

Au début des années 70, Blaschke et Hasse ont inventé une nouvelle technique dite

commande vectorielle. En utilisant cette technique, la machine asynchrone (MAS) peut

avoir des propriétés similaires à celle la machine à courant continu (MCC), sans les

inconvénients liés au système balais-collecteur. Les travaux de recherche effectués sur ce

sujet utilisent trois principales méthodes. La première dite « méthode directe », a été

initiée par Blaschke, la deuxième dite « méthode indirecte » a été introduite par Ha sse et

la troisième dite « méthode simplifiée » est développée par Robyns sur une machine

alimentée en tension dans le but de linéariser le comportement de la machine [17].


38

II.5.1 Principe de la commande vectorielle de la MAS

L’algorithme de référence de la commande de la machine asynchrone dit commande à

flux orienté (Field Oriented Control (FOC)) a été mis au point par Blaschke en 1972.

Cette méthode a marqué un pas décisif dans la façon de concevoir la commande des

machines à courant alternatif.

En effet, jusqu’aux développements théorique et pratique de Blaschke, seule la

commande scalaire était utilisée. A partir du constat que la machine à courant continu

était commandée via un découplage naturel, l’idée fondamentale de Blaschke fut de

mettre au point une commande permettant de rapprocher le comportement de la machine

asynchrone de celui de la machine à courant continu. Cette méthode se base sur la

transformation des variables électriques vers un référentiel qui tourne avec le vecteur du

flux rotorique. Par conséquent, ceci permet de commander le flux de la machine avec un

courant ids qui est l’équivalent du courant inducteur de la machine à courant continu. A

condition de travailler à flux constant, un courant orthogonal iqs permet de contrôler le

couple électromagnétique, correspondant au courant induit de la machine à courant

continu. Les techniques de contrôle vectoriel sont liées à la maîtrise du vecteur flux

(amplitude et position instantanée) et correspondent de ce fait à un contrôle tant des

régimes permanents que transitoires. Par conséquent, Contrairement aux méthodes

scalaires, les algorithmes de contrôle vectoriel permettent de faire varier non seulement

l’amplitude et la vitesse de rotation des vecteurs spatiaux, mais aussi leur phase. Grâce à

cela, il est possible dans certaines conditions d’agir séparément sur le flux de la machine

et le courant responsable du couple de la même façon que pour une machine à CC à

excitation séparée.

Le couple en régime transitoire (quelconque) s'exprime dans le repère (d,q) par :

(II-29)

On s'aperçoit que si l'on élimine : , alors le couple ressemblerait fort à celui d'une

machine à courant continu. Il suffit, pour ce faire, d'orienter le repère (d,q) de manière à

annuler la composante de flux en quadrature. C'est-à-dire, de choisir convenablement

l'angle de rotation de Park de sorte que le flux rotorique soit entièrement porté sur l'axe

direct (d) et donc d’avoir : ainsi figure (II-17).


39

Fig. II-17 Principe du contrôle vectoriel (orientation du flux rotorique)

Le couple pourra être écrit comme suit :

(II-30)

et le flux :

(II-31)

Avec

la constante de temps rotorique et s la variable de la transformée de

Laplace.

En régime permanent

La composante ids commande donc le flux rotorique et la composante iqs le couple

électromagnétique à flux constant. C’est pourquoi on parle de découplage dans la

commande vectorielle.

Notons que le problème essentiel de la commande est de déterminer la norme et la

position du flux rotorique, qui ne sont pas mesurables directement. Il est nécessaire de

connaître ces deux grandeurs pour le contrôle du régime dynamique de la machine [18].


40

II.6 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons présenté la structure topologique d’un onduleur de

tension triphasé de type NPC, dit à diode de bouclage. En définissant le modèle de

l’interrupteur bidirectionnel en courant, ainsi que la détermination de son modèle

mathématique en mode commandable, en optant pour une commande complémentaire

optimale des quatre interrupteurs, qui le constituent. Les ondes de tension obtenu

correspondent aux tensions simples sont non sinusoïdales très riche

en harmoniques.

Il est nécessaire de penser à d’autres stratégies de commande pour réduire ces

harmoniques

Les différentes stratégies de commande de l’onduleur sont la MLI sinusoïdale et la MLI

vectorielle.

La MLI vectorielle génère les signaux d’impulsions simultanément avec la rotation du

vecteur de référence, par contre la MLI sinusoïdale nécessite de déterminer les instants

de commutations des interrupteurs de chaque bras de l’onduleur séparément.

Nous avons évoqués le principe de fonctionnement et les avantages de la commande

vectorielle avec asservissement de la vitesse de la machine asynchrone.

Dans le chapitre suivant et pour montrer l’importance de l’onduleur multi-

niveaux, nous allons effectuer des simulations (sous Psim) pour un onduleur deux

niveaux, trois niveaux et pour l’onduleur hybride trois-deux en cascade. La charge

considérée est un moteur asynchrone triphasé à cage.

Chapitre III

Simulation d’entrainements avec

onduleurs deux, trois niveaux et 3/2

en cascade

III.1 Introduction

III.2 Paramètres de simulation

III.2.1 Paramètres de la MAS

III.2.2 Paramètres de la MLI

III.3 Résultats de simulation pour un entraînement d’une MAS

III.3.1 Entraînement avec un onduleur deux niveaux

III.3.2 Entraînement avec un onduleur trois niveaux

III.3.3 Entraînement avec onduleur 3/2 en cascade

III.4 Comparaison et interprétations des résultats de simulation

III.4 Conclusion

Chapitre III Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en cascade

41

III.1 Introduction

Dans ce chapitre, nous allons effectuer des simulations (sous PSIM) avec trois

types d’onduleurs entraînant une machine asynchrone (MAS) à cage : un onduleur deux

niveaux, un onduleur trois niveaux et une cascade trois-deux (onduleur trois niveaux en

cacade avec un onduleur deux niveaux) pour une commande MLI de type sinus-triangle

(modulation intersective) et pour une commande vectorielle à flux orienté appliquée à

l’entraînement avec onduleur hybride 3/2 en cascade.

Ces simulations, nous permettent d’établir des comparaisons, surtout du point de vue

THD du courant et de la tension de la charge, entre les différents résultats selon le type du

convertisseur considéré.

III.2 Paramètres de simulation

III.2.1 Paramètres de la MAS

Inductance de fuite d’une phase statorique :

Inductance magnétisante (stator ou rotor) :

Inductance de fuite d’une phase rotorique :

Nombre de paires de pôles :

Résistance d’une phase statorique :

Résistance d’une phase rotorique :

Puissance nominale :

Vitesse de rotation nominale :

Couple nominal :

Tension nominale :

Courant nominal :

Fréquence nominale :

Moment d’inertie :

III.2.2 Paramètres de la MLI

Le signal de référence est un signal sinusoïdal d’amplitude et de

fréquence


42

La porteuse est un signal triangulaire d’amplitude et de fréquence

.

L’indice de modulation est :

III.3 Résultats de simulation pour un entraînement d’une MAS

III.3.1 Entraînement avec un onduleur deux niveaux

Sur les figures ci-dessous, sont présentées les résultats de simulation pour une

MAS alimentée par un onduleur de tension deux niveaux à commande MLI sinus-triangle

et dont le schéma de simulation est donné par la figure 1 de l’annexe.

Les signaux de commande du bras de la phase a, générés par la MLI sinus-triangle, sont

donnés par (Fig. III-1) :

Fig. III-1 Signaux de commande des interrupteurs Ka1 et Ka2

Nous remarquons bien que ces deux signaux de commande sont complémentaires.

La figure (III-2) présente la vitesse de rotation de la MAS, qui atteint la valeur 1425

tr/min en régime permanent après un régime transitoire dû au démarrage de la MAS en

charge :

0

-0.5

-1

-1.5

0.5

1

Vma Vp

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Vca1

0 0.001 0.002 0.003 0.004

Time (s)

0

0.4

0.8

Vca2


43

Fig. III-2 Vitesse de la MAS entraînée par onduleur 2 niveaux

Le couple électromagnétique Tém de la MAS est donné par la figure III-3 :

Fig. III-3 Couple électromagnétique de la MAS entraînée par onduleur 2 niveaux

Nous remarquons bien que ce couple atteint sa valeur nominale (50 Nm environ) après un

certain régime transitoire dû au démarrage de la MAS.

Le courant de phase statorique Isa de la MAS est donné par la figure III-4-a :

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Time (s)

0

-500

500

1000

1500

2000

Nr

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Time (s)

0

-50

50

100

150

200

250

300

Tem_IM1


44

Fig. III-4-a Courant de phase statorique de la MAS entraînée


Le régime permanent sinusoïdal du courant statorique Isa est atteint après un appel de

courant très élevé dû au démarrage de la MAS en charge. Ce régime presque sinusoïdal

est clairement observé par agrandissement de l’échelle selon l’axe des abscisses et l’axe

des ordonnées (Fig. III-4-b) :

Fig. III-4-b Régime sinusoïdal permanent du courant statorique Isa (ond. 2 niv.)

La valeur efficace du courant statorique est :

Le taux de distorsion harmonique du courant dans ce cas est :

La tension d’une phase statorique Vas de la MAS est représentée par la figure III-5 :

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Time (s)

0

-100

-200

100

200

Isa

0.57 0.58 0.59 0.6

Time (s)

0

-20

-40

20

40

Isa


45

Fig. III-5 Tension simple Vsa da la MAS entraînée par onduleur 2 niveaux

La valeur efficace de la tension simple est :

Le taux de distorsion harmonique de la tension simple, dans ce cas, est :

III.3.2 Entraînement avec un onduleur trois niveaux

Les figures suivantes montrent les relevés de simulation d’un entraînement de la

MAS alimentée par un onduleur de tension trois niveaux, commandé par la MLI sinus-

triangle qui nécessite deux porteuses (double triangle) et dont le schéma de simulation est

donné par la figure 2 de l’annexe.

Les signaux de commande des interrupteurs du bras de la phase a, générés par la MLI à

double triangle, sont donnés par (Fig. III-6) :

(a) Commande des interrupteurs Ka1 et Ka3

0.57 0.58 0.59 0.6

Time (s)

0

-200

-400

200

400

Vsa

0

-0.5

-1

0.5

1

Vam Vp1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Vca1

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

Time (s)

0

0.4

0.8

Vca3


46

(b) Commande des interrupteurs Ka2 et Ka4

Fig. III-6 Signaux de commande des interrupteurs du bras de la phase a

Nous remarquons que les deux signaux de commande des interrupteurs Ka1 et Ka3 sont

complémentaires et ceux de Ka2 et Ka4 sont aussi complémentaires. Lorsque Ka1 est

ouvert en permanence Ka3 est fermé en permanence, de même pour Ka2 et Ka4.

La figure III-7 présente la vitesse de rotation de la MAS, qui atteint la valeur 1454 tr/min

en régime permanent après un régime transitoire réduit (par rapport au cas précédent) dû

au démarrage de la MAS en charge :

Fig. III-7 Vitesse de la MAS entraînée par onduleur 3 niveaux


0

-0.5

-1

-1.5

0.5

1

Vam Vp2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Vca2

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

Time (s)

0

0.4

0.8

Vca4

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Time (s)

0

-500

500

1000

1500

2000

Nr


47

Fig.III-8 Couple électromagnétique de la MAS entraînée par onduleur 3 niveaux


Fig. III-9-a Courant de phase statorique de la MAS entraînée


Le régime permanent sinusoïdal est obtenu par agrandissement de l’échelle selon l’axe

des abscisses et l’axe des ordonnées (Fig. III-9-b) :

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Time (s)

0

-100

100

200

300

400

500

Tem_IM1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Time (s)

0

-100

-200

-300

100

200

300

Isa


48

Fig. III-9-b Régime sinusoïdal permanent du courant statorique Isa (ond. 3 niv.)


Le taux de distorsion harmonique du courant dans ce cas, est :

Ce taux est amélioré par rapport au cas précédent.

La tension d’une phase statorique Vsa de la MAS est représentée par la figure III-10 :

Fig. III-10 Tension simple Vsa de la MAS entraînée par onduleur 3 niveaux


Le taux de distorsion harmonique de la tension dans ce cas, est :

Ce taux est très réduit (50 % environ) par rapport au cas précédent.

0.57 0.58 0.59 0.6

Time (s)

0

-10

-20

-30

10

20

30

Isa

0.57 0.58 0.59 0.6

Time (s)

0

-200

-400

-600

200

400

600

Vsa


49

III.3.3 Entraînement avec onduleur 3/2 en cascade

a) Commande en Boucle Ouverte (sans régulation de vitesse)

Sur les figures ci-dessous, sont présentées les résultats de simulation da la MAS

alimentée par une hybridation entre un onduleur trois niveaux et un onduleur deux

niveaux (cascade 3/2). L’onduleur trois niveaux est commandé par la MLI à deux

porteuses (double triangle) et celui à deux niveaux est commandé par la MLI sinus-

triangle (à une porteuse). Le schéma de simulation pour ce type d’entraînement sans

régulation de vitesse (en BO), est donné par la figure 3 de l’annexe.

La figure III-11 présente la vitesse de rotation de la MAS, qui atteint la valeur 1454

tr/min en régime permanent :

Fig.III-11 Vitesse de la MAS entraînée en BO par onduleurs 3/2 en cascade


Fig.III-12 Couple électromagnétique de la MAS entraînée par onduleurs 3/2 en cascade

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Time (s)

0

-500

500

1000

1500

2000

Nr

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Time (s)

0

-100

100

200

300

400

500

Tem_IM2


50


Fig. III-13-a Courant de phase statorique de la MAS entraînée en BO par


Le régime permanent sinusoïdal est obtenu par agrandissement de l’échelle selon l’axe

des abscisses et l’axe des ordonnées (Fig. III-13-b) :

Fig. III-13-b Régime sinusoïdal permanent du courant statorique Isa (cascade

3/2)



Ce taux est légèrement amélioré par rapport au cas de l’entraînement avec l’onduleur à

trois niveaux.

La tension d’une phase statorique Vas de la MAS est représentée par la figure III-14 :

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Time (s)

0

-100

-200

-300

100

200

300

isa1

0.57 0.58 0.59 0.6

Time (s)

0

-10

-20

-30

10

20

30

isa1


51

Fig. III-14 Tension simple Vsa da la MAS entraînée en BO par




Ce taux est très peu supérieur par rapport à celui de l’entraînement avec onduleur à trois

niveaux puisque la commande se fait en B.O. (avec des tensions de référence imposées).

b) Commande en Boucle Fermée (avec régulation de vitesse)

Dans ce cas, nous avons appliqué pour l’entraînement de la MAS une commande

vectorielle à flux orienté (FOC) dans le repère (d,q). Pour cette stratégie de commande,

la composante ids du courant contrôle le flux rotorique orienté selon l’axe d (qr = 0) et

la composante iqs contrôle le couple électromagnétique à flux (dr = r) constant.

La commande vectorielle indirecte consiste à laisser la composante ids constante, c-à-d

de fixer sa référence de manière à imposer un flux nominal dans la machine. D’où la

nécessité d’un régulateur (PI) de ce courant pour le maintenir constant et égal à sa

référence (Id_ref).

La référence du courant iqs est pilotée à la sortie d’un régulateur (PI) de vitesse. C’est ce

dernier qui contrôle le couple de référence et donc le courant de référence (Iq_ref).

La figure III-15 résume le schéma du contrôle vectoriel de la MAS avec une régulation de

vitesse et la régulation des deux courants ids et iqs. Les sorties des deux boucles de

courant, sont les tensions de référence vds_ref et vqs_ref dans le repère (d,q) [18].

0.57 0.58 0.59 0.6

Time (s)

0

-200

-400

-600

200

400

600

Vsa


52

Fig. III-15 Contrôle vectoriel indirect à flux orienté de la MAS

Pour cette commande, la pulsation de glissement est calculée par la relation :

⁄

La somme de la pulsation de glissement avec la vitesse électrique , donne la pulsation

statorique ( ) et en intégrant cette dernière, on obtient l’angle s des transformations de

Park directes et inverses :

∫

Paramètres de simulation de la commande vectorielle à flux orienté [18,19]

Vitesse de référence : Nréf = 1460 tr/min (vitesse nominale),

Courant id de référence : Id_ref = 25 A

Couple de charge : C = 50 Nm (couple nominal)

Paramètres des régulateurs de :

- vitesse : k = 5 ; τ = 0.05 s,

- courant id : k = 0.05 ; τ = 0.001 s. (Ce courant est limité entre – 60 A et + 60 A),

- courant iq : k = - 0.005 ; τ = 0.001 s.

Les tensions de référence vds_ref et vqs_ref sont limitées entre les valeurs – 1.5 V et 1.5 V


53

Les figures ci-dessous montrent les relevés de simulation d’un entraînement en boucle

fermée (commande vectorielle à flux orienté) de la MAS alimentée par onduleurs 3/2 en

cascade, et dont le schéma de simulation est donné par la figure 4 de l’annexe.


Fig. III-16-a Courant de phase statorique de la MAS entrainée en BF

Le régime permanent presque sinusoïdal du courant statorique Isa, est atteint après un

appel de courant moins élevé, dans ce cas. Ce régime sinusoïdal est obtenu par

agrandissement de l’échelle selon l’axe des abscisses et l’axe des ordonnées (Fig. III-16-

b) :

Fig. III-16-b Régime sinusoïdal permanent du courant statorique Isa



Ce taux reste encore acceptable.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Time (s)

0

-50

-100

50

100

isa1

0.96 0.97 0.98 0.99 1

Time (s)

0

-20

-40

20

40

isa1


54

La tension d’une phase statorique Vsa de la MAS est représentée par la figure III-17 :

Fig. III-17 Tension simple Vsa de la MAS entrainée en BF



Ce taux est très amélioré par rapport au cas de l’entraînement en BO avec onduleurs 3/2

en cascade.

III.4 Comparaison et interprétations des résultats de simulation

Le tableau suivant montre une comparaison entre les valeurs efficaces des

grandeurs mesurées (pour courant et tension de phase) et aussi entre les THD de chaque

grandeur selon le type d’entraînement considéré de la MAS.

Types

Grandeurs

Onduleur deux

niveaux

Onduleur trois

niveaux

Onduleurs 3/2 en cascade

En B.O. En B.F.

Courant Isa (A)

THD (en %) du

courant

Tension Vas (V)

THD (en %) de

la tension

Tab. III-1 Comparaison selon le type de l’onduleur d’entraînement de la MAS

0.96 0.97 0.98 0.99 1

Time (s)

0

-200

-400

200

400

Vas


55

Nous remarquons que :

- Les valeurs efficaces du courant de phase statorique, selon le type d’entraînement

considéré, sont très proches de la valeur nominale.

- Le THD du courant est amélioré pour le cas d’entraînement de la MAS avec un

onduleur trois niveaux par rapport à celui à deux niveaux. Une légère amélioration du

THD du courant pour le cas d’entraînement avec la cascade 3/2 en BO, mais on

remarque une petite augmentation (acceptable) de ce taux pour l’entraînement en BF

avec ce même convertisseur.

- Les valeurs efficaces de la tension de phase statorique sont proches de la valeur

nominale pour tous les types d’onduleurs considérés.

- Pour le THD de la tension, une grande amélioration surtout pour l’entraînement en BF

avec onduleurs 3/2 en cascade par rapport aux autres types d’entraînement.

III.4 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons présenté des simulations pour des entrainements

d’une MAS avec trois types des onduleurs multi-niveaux (deux, trois niveaux et une

cascade 3/2) commandés en BO, par modulation sinus-triangle, et en BF (commande

vectorielle à flux orienté) pour le cas des onduleurs 3/2 en cascade. Nous avons pu

remarqué :

- Une bonne amélioration du THD du courant et de la tension de phase statoriques,

pour le type d’entraînement en BO avec onduleur trois niveaux par rapport aux autres

types.

- Une grande amélioration du THD de la tension de phase pour le cas d’entraînement en

BF (à commande vectorielle) de la MAS avec onduleur hybride 3/2 en cascade.

Conclusion générale

56

Conclusion générale

Le travail présenté ce mémoire a porté essentiellement sur l’étude d’un onduleur

multi-niveau en cascade de type 3/2 qui est une hybridation entre un onduleur trois

niveaux de type NPC et un onduleur deux niveaux, permettant l’entrainement d’une

machine asynchrone à cage (MAS) comme charge. Cette étude nous a permis de :

- Comprendre le principe de fonctionnement et la modélisation, surtout de l’onduleur

trois niveaux de type NPC employé dans la cascade hybride 3/2.

- D’appliquer deux techniques de commande à MLI (sinus-triangle et vectorielle en

boucle fermée). La commande à MLI de l’onduleur trois niveaux, nécessite deux

porteuses triangulaires (l’une positive et l’autre négative) pour pouvoir commander

les quatre interrupteurs de chaque bras de ce type de convertisseur. Par contre la

commande MLI de l’onduleur deux niveaux, nécessite une porteuse triangulaire

(alternative) pour commander les deux interrupteurs de chaque bras de cet onduleur.

- De Simuler différents entrainements d’une MAS alimentée par trois types d’onduleurs

(à 2 niveaux, à 3 niveaux et une cascade hybride 3/2) et de déterminer les différences,

surtout du point de vue THD du courant et de la tension à la sortie des différents

onduleurs considérés. La commande en boucle fermée (commande vectorielle à flux

orienté) de la MAS, entraînée avec un onduleur hybride 3/2 en cascade, a permis

d’améliorer le THD de la tension de sortie par rapport aux autres types d’onduleurs

considérés et de garder un niveau acceptable pour le THD du courant.

Pour la suite de ce travail, nous proposons :

- L’application d’autres techniques de commande plus performantes pour ce type

d’onduleur, dans le but d’améliorer davantage les THD du courant et de la tension

alimentant la charge considérée.

- L’emploi de la topologie hybride 3/2 en cascade ou d’autres topologies d’onduleurs

multi-niveaux pour l’amélioration du facteur de puissance dans les installations

électriques de moyenne et de grande puissance.

Bibliographie

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Annexe

60

Annexe

Fig.1 Schéma de simulation pour l’entrainement de la MAS avec un onduleur deux

niveaux

Annexe

61

Fig.2 Schéma de simulation pour l’entrainement de la MAS avec un onduleur trois

niveaux

Annexe

62

Fig.3 Schéma de simulation pour l’entrainement de la MAS avec la cascade 3/2 (boucle

ouverte)

Annexe

63

Fig.4 Schéma de simulation pour l’entrainement de la MAS avec la cascade 3/2 (boucle

fermée).

Documents

Spécialité : Réseaux Electriques (RE) Thème Etude d’un