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Niveau: Supérieur
N° d'ordre : 2028 Année 2003 THÈSE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique par Martin AIMÉ Ingénieur de l'Ecole Centrale de Lille Agrégé de Physique Appliquée ______________________ Évaluation et optimisation de la bande passante des convertisseurs statiques Application aux nouvelles structures multicellulaires Soutenue le 14 novembre 2003 devant le jury composé de : MM. J.P. HAUTIER Président et Rapporteur E. MONMASSON Rapporteur L. DINNEWETH G. GATEAU T. MEYNARD Thèse préparée au Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle de l'ENSEEIHT Unité Mixte de Recherche N° 5828 au CNRS
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N° d'ordre : 2028 Année 2003 THÈSE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique par Martin AIMÉ Ingénieur de l'Ecole Centrale de Lille Agrégé de Physique Appliquée ______________________ Évaluation et optimisation de la bande passante des convertisseurs statiques Application aux nouvelles structures multicellulaires Soutenue le 14 novembre 2003 devant le jury composé de : MM. J.P. HAUTIER Président et Rapporteur E. MONMASSON Rapporteur L. DINNEWETH G. GATEAU T. MEYNARD Thèse préparée au Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle de l'ENSEEIHT Unité Mixte de Recherche N° 5828 au CNRS
- application aux nouvelles structures
- dynamic performances ·
- n° d'ordre
- modulation ·
- multi-cell converters
- axe de recherche
- optimisation de la bande passante des convertisseurs statiques
- champ d'application
- performance
N° d'ordre : 2028
THÈSE
présentée pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
Spécialité : Génie Electrique
par
Martin AIMÉ
Ingénieur de l’Ecole Centrale de Lille Agrégé de Physique Appliquée
______________________
Évaluation et optimisation de la bande passante des convertisseurs statiques Application aux nouvelles structures multicellulaires
Soutenue le 14 novembre 2003 devant le jury composé de :
MM.
J.P. HAUTIER E. MONMASSON
L. G. T.
DINNEWETH GATEAU MEYNARD
Président et Rapporteur Rapporteur
Thèse préparée au Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle de l'ENSEEIHT Unité Mixte de Recherche N° 5828 au CNRS
Année 2003
Évaluation et optimisation de la bande passante des convertisseurs statiques. Application aux nouvelles structures multicellulaires.
Mots clefs
·Convertisseurs statiques multiniveaux/multicellulaires ·Modulation de Largeur d’Impulsion ·Bande passante
Résumé
·Performances dynamiques
··
Commande en mode courant FPGA
Grâce aux progrès technologiques réalisés ces dernières années dans le domaine de l’électronique de puissance, les convertisseurs statiques voient progressivement leur champ d’applications s’élargir. Certaines de ces nouvelles applications, telles que le filtrage actif et la dépollution de réseaux électriques, ou l’alimentation de machines à courant alternatif pour des applications particulières, sont très exigeantes en terme de performances dynamiques. C’est pourquoi ce travail de thèse consiste à évaluer, de manière systématique, les performances dynamiques des convertisseurs statiques, pour ensuite les optimiser. Nous avons organisé ce mémoire de thèse en quatre chapitres. Le premier chapitre rappelle brièvement les principales structures de convertisseurs multiniveaux existantes, et les différentes stratégies de contrôle des convertisseurs multicellulaires. Le second chapitre met en évidence différents outils théoriques permettant d’évaluer et de quantifier les performances dynamiques des convertisseurs statiques. Ces outils sont ensuite utilisés pour comparer les performances obtenues en boucle ouverte, avec deux stratégies différentes de Modulation de Largeur d’Impulsion. Une stratégie optimisée de MLI, résultat d’un compromis entre les deux, est enfin présentée. Le troisième chapitre présente une nouvelle stratégie de commande (en boucle fermée) du convertisseur multicellulaire, basée sur le contrôle de la valeur crête du courant de sortie, et avec une fréquence de découpage imposée. Les performances statiques et dynamiques de cette commande sont étudiées. Le quatrième chapitre traite de la réalisation expérimentale de la commande en mode courant introduite au chapitre trois. Ce chapitre détaille en particulier l’implantation de l’algorithme de commande dans un FPGA. Enfin, en conclusion de cette thèse, nous envisagerons des axes de recherche pour améliorer la commande en mode courant, et en élargir le champ d’applications.
- I -
Evaluation et optimisation de la bande passante des convertisseurs statiques Application aux nouvelles structures multicellulaires
- II -
···
Evaluation et optimisation de la bande passante des convertisseurs statiques Application aux nouvelles structures multicellulaires
Evaluation and optimization of the bandwidth of static converters. Application to multi-cell converters.
Keywords
Multi-cell converters Pulse Width Modulation Bandwidth
Abstract
···
Dynamic performances Peak current control FPGA
Thanks to the technological progress achieved in the field of power electronics, the use of static converters has spread to new applications. In particular, some applications such as active filtering or the supply of special AC machines require power converters having good dynamic performances. The subject of this thesis is to evaluate systematically the dynamic performances of multi-cell converters, and then to optimize these performances. This document is organized in four chapters. The first one summarizes the main multilevel converter structures, and some control strategies dedicated to these structures. The second chapter presents the evaluation criteria chosen to quantify the dynamic performances of static converters. These criteria are then used to compare the performances obtained with two different PWM strategies. An optimized strategy which results from a trade-off between the two former strategies is then introduced. The third chapter shows a new control strategy of multi-cell voltage source converters. This new strategy enables to control the peak current at a fixed switching frequency. The operation of this controller is explained, and the results obtained by digital simulations are presented and discussed. The fourth chapter deals with the experimental achievement of the peak current control. In particular, the implementation of the control algorithm within a FPGA is demonstrated. Finally, the conclusion of this thesis presents some orientations for further developments, in order to improve the current control strategy and to widen its field of applications.
- III -
Evaluation et optimisation de la bande passante des convertisseurs statiques Application aux nouvelles structures multicellulaires
- IV -
Avant-propos
Le travail présenté dans ce mémoire a été préparé dans le Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle (L.E.E.I.), unité mixte de recherche n° 5828 du CNRS, rattaché à l’Ecole Nationale Supérieure d’ingénieurs en Electronique, Electrotechnique, Informatique, Hydraulique et Télécommunications de Toulouse. Au terme de ces années de recherches, je tiens à remercier toutes les personnes qui se sont impliquées dans ce travail :
········
Monsieur J.P. Hautier, professeur à l’ENSAM de Lille pour m’avoir fait l’honneur de présider mon jury de thèse. C’est un honneur d’autant plus grand que j’ai suivi les enseignements de M. Hautier quelques années auparavant, lors de mes cours de DEA à l’Ecole Centrale de Lille. Monsieur E. Monmasson, professeur à l’Université de Cergy-Pontoise, pour l’intérêt qu’il a porté à mon travail en acceptant d’en être rapporteur. Monsieur L. Dynneweth, ingénieur dans la société Techniques Fabrications Electroniques, pour sa participation à mon jury de thèse, et pour le regard industriel qu’il a porté sur ce travail. Monsieur Y. Chéron, directeur de recherche au CNRS et directeur du L.E.E.I, pour m’avoir accueilli dans son laboratoire et m’avoir permis de préparer cette thèse dans les meilleures conditions. Monsieur T.A. Meynard, directeur de recherche au CNRS et ancien responsable du groupe convertisseurs statiques pour m’avoir accueilli dans son équipe, et avoir accepté de diriger ma thèse. Ses conseils avisés et sa clairvoyance m’ont été d’une grande aide, lors des moments de doute et de remise en question. Monsieur G. Gateau pour avoir accepté la lourde tâche de co-diriger ma thèse. Je tiens ici à lui exprimer toute ma reconnaissance pour sa disponibilité et son engagement sans faille, malgré toutes les difficultés liées à l’encadrement d’une telle thèse, et à son emploi du temps souvent surchargé. Ses conseils, son aide m’ont toujours été précieux, et j’ai éprouvé un réel plaisir à travailler avec lui. Monsieur H. Foch pour toutes les discussions scientifiques que nous avons pu avoir. Je voudrais lui témoigner ici mon plus grand respect et ma sympathie sincère. Tous mes camarades doctorants pour leur bonne humeur et leur entraide. Je remercie en particulier R. Ruelland pour l’aide décisive qu’il m’a apportée sur des problèmes de simulation, et sur toute la partie co-simulation.
- V -
·
·
Evaluation et optimisation de la bande passante des convertisseurs statiques Application aux nouvelles structures multicellulaires
Tout le personnel du LEEI, et tous ceux qui m’ont aidé au cours de ma thèse. Je remercie en particulier Mme Bodden pour son dévouement et sa disponibilité, ainsi que O. Durrieu et J.M. Blaquière pour leur aide en matière de conception de circuits électroniques, et J. Luga. L’ensemble des enseignants avec lesquels j’ai travaillé durant mes trois années de monitorat. Je voudrais remercier tout d’abord M. Metz pour avoir accepté d’être mon tuteur pédagogique, et aussi G. Gateau, H. Schneider et J.C. Hapiot qui m’ont apporté toute leur expérience sur le micro-projet « cellule d’onduleur ». Je remercie également Mme D. Andreu, directrice du département Electronique de l’ENSEEIHT, pour m’avoir accueilli en tant que moniteur dans son département, ainsi que R. Arches, J.Y. Tourneret et S. Astier.
Enfin, je tiens à remercier ma famille et mes amis. Mes parents, pour leur soutien inconditionnel, aussi bien financier qu’affectif, sans lequel je n’aurai jamais pu réussir de telles études. Je voudrais leur témoigner ma profonde reconnaissance. Je remercie aussi tous les membres de la famille de Julie pour leur accueil chaleureux et leur bonne humeur « rubystique !». Je ne saurai terminer cet avant-propos sans remercier Julie, mon amour, pour ses encouragements tout au long de ma thèse, et pour tout le bonheur qu’elle m’apporte au quotidien.
- VI -
Martin Aimé, le 10 Mars 2004
Table des matières
Introduction générale ……..……………………………………………….
Chapitre 1 :
Rappel sur les convertisseurs multicellulaires et leur commande
1.1 - Introduction à la structure multicellulaire .………………………..
1.1.1 - Intérêt des convertisseurs statiques multiniveaux .…...……………………… 1.1.2 - Différentes structures de convertisseurs multiniveaux ...……………………. 1.1.3 - La structure multicellulaire ..………………………………………………….
1.2 - Commande en boucle ouverte des convertisseurs multicellulaires..
1.2.1 - Un exemple de commande par modulation de largeur d’impulsion ..………. 1.2.2 - Equilibrage naturel des tensions flottantes .………………………………….
3
5
5 5 7
9
9 12
1.3 - Commande en boucle fermée des convertisseurs multicellulaires… 14
1.3.1 - Commande linéaire par modulation des rapports cycliques ..……………….. 1.3.2 - Stratégies de commande découplante des convertisseurs multicellulaires ..... 1.3.2.1 - Modélisation aux valeurs moyennes du convertisseur multicellulaire …..….. 1.3.2.2 - Commande non intéractive linéaire .………………..……………………….. 1.3.2.3 - Commande découplante avec retour d’état non linéaire…………….……….. 1.3.3 - Commande par mode de glissement……………………………………………. 1.3.3.1 - Généralités……………………………………………………………………… 1.3.3.2 - Fonctionnement en mode de glissement et élaboration des lois de commutation…….………………………………………………………………………..
1.4 - Conclusion…………………………………………………………….
- VII -
14 17 18 20 22 26 26 28
31
Chapitre 2 :
Evaluation et optimisation de la bande passante des convertisseurs statiques Application aux nouvelles structures multicellulaires
Caractérisation des performances dynamiques d’un onduleur commandé
selon différentes stratégies de Modulation de Largeur d’Impulsion
2.1 - Introduction…………………………………………………….……..
2.2 - Principe de l’étude fréquentielle……………………………………..
2.2.1 - Montage étudié et hypothèses effectuées……………….………………………. 2.2.2 - Synchronisme de la MLI………………………………………………………... 2.2.2.1 - MLI synchrone………………………………………………………………… 2.2.2.2 - MLI asynchrone avec un rapport de fréquences rationnel…………………… 2.2.2.3 - MLI asynchrone avec un rapport de fréquences non rationnel……………… 2.2.3 - Détermination d’un gain et d’un déphasage…………………………………… 2.2.4 - Tracé des courbes de réponse fréquentielle……………………………………. 2.2.5 - Réflexion sur la linéarité du système commande MLI/onduleur……………. 2.2.6 - Etude du contenu spectral de la tension de sortie……………………………… 2.2.6.1 - Calcul théorique du spectre de Vs(t)…………………………………………... 2.2.6.2 - La transformée rapide de Fourier…………………………………………….. 2.2.6.3 - Tracé du taux de distorsion harmonique………………………………………
2.3 - MLI naturelle…………………………………………………………
2.3.1 - Présentation du modulateur………………………………….……….….……. 2.3.2 - Réponse à un échelon de signal modulant………….…………………………. 2.3.3 - Courbes de réponse fréquentielle…………………………………………….… 2.3.4 - Contenu spectral de la tension de sortie……………………………………… 2.3.4.1 - Calcul théorique du spectre de la tension de sortie multiniveaux…………..… 2.3.4.2 - Influence de la fréquence du signal modulant……………………………… 2.3.4.3 - Influence de la profondeur de modulation…………………………………… 2.3.4.4 - Conséquences sur le taux de distorstion harmonique………………………… 2.3.5 - Fréquence de commutation des interrupteurs…………………………………
- VIII -
33
33
33 37 37 37 38 39 40 40 41 41 42 45
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47 48 50 51 51 52 53 54 55
Evaluation et optimisation de la bande passante des convertisseurs statiques Application aux nouvelles structures multicellulaires
2.3.6 - Bilan sur la MLI naturelle……………………………………………………… 2.4 - MLI avec échantillonnage régulier de la modulante………………
2.4.1 - Présentation du modulateur……………………………………………………. 2.4.2 - Temps de réponse à un échelon du signal modulant………………………… 2.4.3 - Courbes de réponse fréquentielle………………………………………………. 2.4.3.1 - Echantillonnage à la fréquence de la porteuse……………………………… 2.4.3.2 - Echantillonnage à deux fois la fréquence de la porteuse…………………… 2.4.4 - Influence de l'échantillonnage………………………………………………… 2.4.4.1 - Spectre d'une sinusoïde échatillonnée-bloquée……………………………… 2.4.4.2 - Comparaison avec les courbes de réponse fréquentielle……………………… 2.4.4.3 - Vers un modèle de la MLI avec échantillonnage régulier…………………… 2.4.5 - Contenu spectral de la tension de sortie……………………………………… 2.4.5.1 - Echantillonnage à la fréquence de la porteuse……………………………… 2.4.5.2 - Echantillonnage à deux fois la fréquence de la porteuse…….……………… 2.4.5.3 - Conséquences sur le taux de distorsion harmonique………………………… 2.4.6 - Fréquence de commutation des interrupteurs………………………………… 2.4.7 - Bilan sur la MLI avec échantillonnage…………………………………………
57 58
58 59 62 63 64 65 65 69 69 71 71 72 73 75 75
2.5 - MLI avec dispositif contre les surcommutations……….….………. 76
2.5.1 - Présentation du modulateur…………….………….…………………………… 76 2.5.2 - Pistes pour une réalisation expérimentale……………………………………… 77 2.5.3 - Réponse à un échelon de signal modulant………………………………………. 79 2.5.4 - Courbes de réponse fréquentielle………………………………………………. 80 2.5.5 - Contenu spectral de la tension de sortie………………………………………... 82 2.5.6 - Conséquences sur le taux de distorsion harmonique…………………………. 82 2.5.7 - Bilan sur la MLI avec dispositif contre les surcommutations……………….. 83
2.6 - Bilan comparatif des différentes stratégies de MLI………………..
84
2.7 - Notion de bande passante dans le cas des convertisseurs statiques.. 86
- IX -
