Convertisseur multicellulaire série à p cellules

Convertisseur multicellulaire série à p cellules

S’il est possible de mettre en série deux cellules de commutation, il est alors possible de mettre en série p cellules de commutation (Figure I-12). Les deux interrupteurs de la cellule de commutation ont des commandes complémentaires pour éviter les courts-circuits des I.D Le Convertisseur Multicellulaire Série (FC) 14 sources de tension. La mise en série de p cellules de commutation impose de placer dans la structure (p – 1) condensateurs flottants. L’utilisation d’une cellule de commutation permet d’avoir une variation de la tension entre deux niveaux de E. Avec la structure précédente, le FC 3 niveaux, la variation entre 2 niveaux est égale à E/2. L’extension pour une structure multicellulaire série à p cellules permet d’avoir une variation de tension de sortie entre deux niveaux de E/p. Il en est de même pour la tenue en tension des IGBT, chaque composant semi-conducteurs doit bloquer une tension égale à E/p. Ceci va imposer les valeurs des différentes sources de tension flottante. En effet pour assurer la tenue en tension pour chaque composant, les sources de tension flottantes doivent avoir pour valeur : p E V k Ck k 1,…, p Eq. I-1 Comme pour le cas de l’onduleur FC 3 niveaux, les sources de tension sont réalisées par des condensateurs flottants qui ont pour valeur [CAR] : dec s s p F V I C Eq. I-2 étant l’ondulation de tension de condensateur acceptable, p le nombre de cellules imbriquées et Is le courant maximal en sortie. Cependant cette tension doit être stable pour assurer une tension de sortie multiniveaux de bonne qualité. Pour cela, les courants circulants dans chaque condensateur flottant doivent avoir une valeur moyenne nulle sur une période de modulation [GAT97]. Avec un rapport cyclique constant, les ordres de commande doivent être déphasés d’un angle Φk. Cet angle est donné par la formule : p k k 2 ( 1) k 1,…, p Eq. I-3 Le nombre de niveau en sortie dépend du nombre de cellules de commutation mises en série. Pour un onduleur avec p cellules, le nombre de niveaux que le convertisseur est capable de générer en sortie est : Nniv p+ 1.Comme pour l’onduleur FC 3 niveaux, le convertisseur multicellulaire série possède des propriétés intéressantes en sortie : grâce aux redondances de certains niveaux, il est possible d’augmenter la fréquence apparente de découpage par rapport à la fréquence de découpage des cellules de commutation. Pour une structure à p cellules, la fréquence apparente est égale à : app dec f p f Eq. I-5 Les premiers harmoniques du spectre n’apparaissent alors seulement qu’à cette fréquence et leur amplitude est p fois plus faible que pour un onduleur 2 niveaux classique. De plus les harmoniques suivants ne sont qu’autour des fréquences multiples de cette fréquence apparente. Pour illustrer ces différents résultats, une simulation d’un onduleur avec 4 cellules de commutation (Figure I-13) a été faite avec les mêmes paramètres que les deux structures précédentes pour la charge, la tension du bus d’entrée, la fréquence de découpage et la modulante.

Le Convertisseur Multicellulaire Superposé (SMC)

Cette structure est une évolution du convertisseur multicellulaire série. Elle a été brevetée en 2000 en France [BRE2] et 2001 dans le monde [BRE3]. Pour comprendre cette structure, la première partie est une description de la cellule élémentaire 3 niveaux, puis dans un deuxième temps, comme pour la structure multicellulaire série, les caractéristiques générales de ce convertisseur sont données.

La Cellule 3 Niveaux (SMC1x2)

La cellule élémentaire du convertisseur multicellulaire est composée de 4 ou 6 interrupteurs (Figure I-17). Les branches extérieures sont composées de deux interrupteurs 3 segments : la mise en série d’interrupteurs est nécessaire pour la tenue en tension. La tenue en tension de l’ensemble des différents interrupteurs est E/2. Doubler les interrupteurs, n’augmente pas les pertes par commutation, car un seul des deux interrupteurs commute à la fréquence de découpage, l’autre ne commutant uniquement que deux fois par période de modulation. La branche du milieu est composée de deux interrupteurs placés en opposition. Pour ces interrupteurs la tenue en tension maximale est égale à E/2, ils n’ont pas besoin d’être doublés. I.E Le Convertisseur Multicellulaire Superposé (SMC) 18 Figure I-17 Onduleur SMC1x2 3 Niveaux Comme pour le NPC 3 niveaux, la commande se sépare en deux parties : Pendant l’alternance positive de la modulante, les interrupteurs T2 et T4 restent fermés alors que T5 et T6 restent en position OFF. Pour avoir la tension de sortie égale à E/2, T1 doit être en position ON alors que T3 doit être bloqué. Au contraire T3 doit être amorcé et T1 en position OFF pour avoir le niveau 0. Pendant l’alternance négative, T3 et T5 doivent être passants alors que T1 et T2 sont en position OFF. Pour avoir en sortie le niveau 0, l’interrupteur T4 doit être passant alors que T6 doit être en position OFF. Pour le niveau –E/2, l’interrupteur T5 doit être passant alors que T6 est OFF. Il y a donc 2 couples d’interrupteurs commandés de manière complémentaire : T1 et T3, et T4 et T6. Chaque interrupteur découpe au maximum pendant une moitié de période de modulation comme pour le NPC 3 niveaux. Le passage du courant dans chaque interrupteur se fait soit par l’IGBT soit par la diode, cela dépend du signe du courant. Le Tableau I-1 résume les différentes conductions des différents composants semi-conducteurs en fonction du signe du courant de sortie et du niveau désiré.

Table des matières

Introduction Générale
Partie I : Conversion d’Energie à Forte Puissance
CHAPITRE I Structures de Base de la Conversion Multiniveaux
I.A. Introduction
I.B. Le Convertisseur Clampé par le Neutre (NPC)
I.C. Le Convertisseur Clampé Activement par le Neutre (ANPC)
I.D. Le Convertisseur Multicellulaire Série (FC)
I.D.1. Convertisseur à 2 Cellules (FC 3N)
I.D.2. Convertisseur multicellulaire série à p cellules
I.E. Le Convertisseur Multicellulaire Superposé (SMC)
I.E.1. La Cellule 3 Niveaux (SMC1x2)
I.E.2. Le Convertisseur SMC px2
I.F. Conclusion
CHAPITRE II Classification des Structures de Conversion Multiniveaux
II.A. Introduction
II.B. Tableau de classification des structures de conversion multiniveaux
II.C. Les différentes familles de convertisseur multiniveaux
II.C.1. Les ponts en H
a. Structure simple
b. Mise en série
c. Convertisseur multiniveaux modulaires
II.C.2. Structures utilisant le fractionnement du bus continu
a. Les structures
b. Utilisation et Limitations de ces structures
II.C.3. Convertisseur multicellulaire série et parallèle
II.C.4. Association entre ces différentes familles
II.D. Vers de nouvelles structures
CHAPITRE III Construction et évaluation de nouvelles structures
III.A. Introduction
III.B. Schématisation pour la recherche de nouvelles structures
III.B.1. Principe de la représentation
III.B.2. Limitations et évolutions possibles
III.C. Evaluation des structures de conversion
III.C.1. Pertes
a. Analyse théorique
b. Analyse numérique
c. Vers une analyse rapide
III.C.2. Courant admissible
III.C.3. Nombre de composants
III.C.4. Formes d’onde en sortie
III.C.5. Autres critères possibles.
III.C.6. Evaluation sur différentes structures de conversion classique
III.D. Conclusions
Partie II : Etude de la problématique des structures
à bus partagé
CHAPITRE IV Fractionnement du Bus Continu et Problème d’Equilibrage
IV.A. Introduction
IV.B. Equilibrage du bus d’entrée pour des applications triphasées
IV.B.1. Présentation de la structure
IV.B.2. Calcul du courant et de la déviation des tensions des condensateurs
IV.B.3. Commande de la structure
a. La Space Vector Modulation pour une structure 4 niveaux
b. Choix de la redondance liée à l’utilisation de la Space Modulation Vector
c. Mise en Forme du signal de référence
d. Choix de la redondance liée à la structure
IV.B.4. Résultats de Simulation sur la structure 4 niveaux
IV.B.5. Amélioration du domaine d’équilibrage par ajout d’une source de tension flottante
a. Modification de la stratégie de commande
b. Résultats de simulation
IV.C. Equilibrage des condensateurs par transfert d’énergie via un élément passif inductif
IV.C.1. Présentation de la structure étudiée
IV.C.2. Calcul du courant et de la déviation des tensions des condensateurs du bus continu
IV.C.3. Circuit auxiliaire dédié à l’équilibrage du bus
a. Dimensionnement de l’inductance du circuit auxiliaire
b. Commande du circuit auxiliaire
c. Résultats de simulation
IV.C.4. Intégration de l’inductance des circuits auxiliaires à la structure de conversion
a. Equilibrage indépendant de la conversion
b. Commande Couplée entre l’équilibrage et la conversion
c. Bilan et comparaison entre les différentes commandes
IV.D. Conclusions sur le fractionnement du bus d’entrée et l’équilibrage des tensions de condensateurs
CHAPITRE V Structure à Partage de Composants
V.A. Introduction
V.B. L’Active Stacked Neutral Point Clamped (ASNPC)
V.B.1. Présentation de la structure
V.B.2. Résultats de simulation
V.B.3. Résultats Expérimentaux
V.B.4. Pertes dans l’onduleur ASNPC
V.C. Analyse préliminaire sur la faisabilité du partage de composants
V.D. L’Active-Stacked-NPC à partage de composants
V.D.1. Possibilité de partager certains composants de cette structure
V.D.2. La structure à partage de composants
V.D.3. Commande de la structure à partage de composants
a. Organisation de la commande et analyse des redondances
b. Stratégies de Commande du convertisseur à partage de composants
V.D.4. Résultats de Simulation sur la Structure à Partage de Composants
a. Formes d’ondes et propriétés en sortie du convertisseur
b. Analyse des pertes pour les différentes commandes
V.E. Comparaison de cette structure avec d’autres onduleurs multiniveaux
V.F. Conclusion
Partie III : Mise en Œuvre de Structures de Conversion Multiniveaux
CHAPITRE VI Structures Multiniveaux Hybride Série-Parallèle
VI.A. Introduction
VI.B. L’onduleur multiniveaux parallèle 3 niveaux triphasé
VI.B.1. Topologie de l’onduleur
VI.B.2. Commande de l’onduleur multicellulaire parallèle
a. Architecture de la commande
b. Génération des modulantes et modulation optimisée
VI.B.3. Contrôle des courants Différentiels
a. Echantillonnage des modulantes
b. Effet du changement de bande avec la modulation PD
c. Compensation du courant différentiel
d. Effets de l’échantillonnage à la fréquence de la porteuse
e. Contrôle par estimation du courant
VI.B.4. Simulation de la structure multicellulaire parallèle 3 niveaux
a. Résultats du Contrôle avec un échantillonnage de la modulante à 2 fois la fréquence de découpage
b. Résultat du contrôle par estimation du courant avec un échantillonnage à quatre fois la fréquence de découpage
VI.C. L’Active Neutral Pointed Clamped Série-Parallèle 5 niveaux
VI.C.1. Construction de la structure
VI.C.2. Commande de l’ANPC Série Parallèle 5 niveaux
a. Machine d’état de la structure
b. Contrôle du courant avec l’échantillonnage à deux fois la fréquence de découpage
c. Contrôle du courant par estimation avec l’échantillonnage à quatre fois la fréquence de découpage
VI.C.3. Résultats de simulation
VI.D. Réalisation d’un prototype de convertisseurs multiniveaux hybrides séries parallèles
VI.D.1. Objectif et réalisation de ce prototype
a. Cahier des charges
b. Maquette expérimentale
VI.D.2. Commande numérique de l’ANPC 5 Niveaux série-parallèle
a. Architecture modulateur et machine d’état
b. Gestion des temps morts
c. Installation d’un processeur
VI.D.3. Résultats expérimentaux de l’ANPC 5 Niveaux série-parallèle
a. Echantillonnage à deux fois la fréquence de découpage – Double commutation gérée par la modulante
b. Estimateur du courant différentiel
VI.E. Convertisseur Multicellulaire Hybride Série-Parallèle
VI.E.1. Présentation de la structure
VI.E.2. Influence d’une modulation PD sur la tension de la source flottante pour un convertisseur multicellulaire série
VI.E.3. Commande et proposition pour équilibrer les courants différentiels et tensions des sources flottantes
VI.E.4. Résultats de simulation avec cette structure
VI.F. Conclusions
Conclusion générale
Bibliographie
Annexe