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Chapitre 1 : Commande des convertisseurs de l’électronique de puissance par mod

Chapitre 1 : Commande des convertisseurs de l’électronique de puissance par modulation directe des conversions électriques 19 Chapitre 1 Commande des convertisseurs de l’électronique de puissance par modulation directe des conversions électriques « Nous étions autrefois en contact avec une usine compliquée. Mais aujourd'hui nous oublions qu'un moteur tourne. Il répond enfin à sa fonction qui est de tourner, comme un cœur qui bat et nous ne prêtons point, non plus, attention à notre cœur. Cette attention n'est plus absorbée par l'outil. Au-delà de l'outil, et à travers lui, c'est la vieille nature que nous retrouvons, celle du jardinier, du navigateur ou du poète. » Antoine de Saint Exupéry, Terre des Hommes (1938) Chapitre 1 : Commande des convertisseurs de l’électronique de puissance par modulation directe des conversions électriques 20 ___ Chapitre 1 ommande des convertisseurs de l’électronique de puissance par modulation directe des conversions électriques 1 Introduction Les travaux réalisés au cours de mon doctorat ont montré que pour la majorité des convertisseurs la conversion statique de l'énergie peut être modélisée en utilisant une représentation matricielle d'interrupteurs. C'est à partir de ces travaux que j’ai développé ma thématique de recherche et c'est pourquoi, dans un premier temps, je ferai un bref rappel des résultats établis. Ensuite, le concept de cette synthèse, « la modulation directe des conversions électriques », est exposé. Puis nous illustrerons ces considérations générales en étudiant le cas d'un onduleur triphasé à source de tension. Ce convertisseur a suscité et suscite encore un nombre impressionnant de travaux de recherches. On trouve ainsi une bibliographie conséquente concernant les méthodes de commande de cet onduleur. A ce niveau, force est d'ailleurs de constater qu'un décalage certain existe entre l'aspect parfois très théorique de ces travaux et les réalisations industrielles actuellement en service. Néanmoins le but poursuivi ici est plutôt d'illustrer concrètement l'application de la méthode de modulation directe des conversions et les intérêts apportés. Il n'en ait pas de même dès que l'on considère les "moutons à cinq pattes" de l'électronique de puissance. Dans cette catégorie, convertisseurs polyphasés et convertisseurs multiniveaux sont de plus en plus utilisés dans l'industrie grâce à des dispositifs de commande qui méritent d'être perfectionnés. C'est pourquoi, dans une quatrième partie, nous montrerons comment concevoir de manière très simple un dispositif de commande d'un convertisseur polyphasé par modulation directe des conversions, la commande des convertisseurs multiniveaux, plus complexe, faisant l'objet du second chapitre de ce mémoire. L'historique de ces travaux, les différentes personnes impliquées, la bibliographie personnelle et le contexte sont retracés ci-dessous. C Chapitre 1 : Commande des convertisseurs de l’électronique de puissance par modulation directe des conversions électriques 21 Commande de deux machines asynchrones Nomination Application à l'onduleur triphasé Application au convertisseur pentaphasé 01/09/1996 1999 1998 [C.12] [C.13] 1997 [C.7] [C.10] [R4] 2001 [C.21] 2000 [C.17] [C.16] [R6] G.D.R. S.M.M. [C.20] 2002 [C.30] 2003 [R.9] Alimentation d'une machine asynchrone Extension aux convertisseurs polyphasés A BOUSCAYROL (L2EP) A.T.E.R. 01/09/1995 Modulation directe des conversions P. DELARUE (L2EP) E. SEMAIL (L2EP) J. NIIRANEN (ABB) [R.3] 2 L'héritage 2.1 Décomposition fonctionnelle Les convertisseurs de l'électronique de puissance permettent de convertir de l'énergie électrique sous différentes formes par connexion et déconnexion de circuits électriques comportant des générateurs et des récepteurs. La fonction "interrupteur" est réalisée au moyen de semi-conducteurs qui obéissent à leur propre loi. La nature continue des grandeurs électriques est retrouvée soit par l'emploi d'éléments de filtrage, soit par la nature filtrante des générateurs et des récepteurs qui y sont reliés. Ainsi, les convertisseurs mettent en jeu des grandeurs électriques dont les évolutions peuvent être continues ou discontinues. Cette nature hybride se retrouve naturellement dans leur modèle, que l'on peut ainsi ordonner sous la forme de deux ensembles d'équations mathématiques désignés par le vocable "Partie Commande" et "Partie Opérative" (fig. 1.1). Partie Commande (PC) Partie Opérative (PO) Fonctions de connexion Commandes internes (i, u) PO Discontinue PO Continue SED Commandes Externes Grandeurs électriques externes Grandeurs électriques converties Figure 1.1 : Décomposition du modèle d'un convertisseur La Partie Commande met en évidence les conditions d'ouverture et de fermeture des semi-conducteurs. Ces conditions dépendent à la fois des commandes externes appliquées aux semi-conducteurs (commande à l'amorçage, commande au blocage) ainsi que des commandes internes liées à l'évolution temporelle des grandeurs tension et courant de chaque semi- conducteur. Cette Partie Commande est un Système à Evènements Discrets (SED) qui peut donc être décrit au moyen d'un réseau de Petri. Grâce à cet outil, les travaux menés avant mon arrivée au L2EP ont permis d'établir des modèles précis des phénomènes de commutation des Chapitre 1 : Commande des convertisseurs de l’électronique de puissance par modulation directe des conversions électriques 22 semi-conducteurs (existant à l'époque) ainsi que de concevoir leur séquenceur [HAU 84], [HAU 90], [HAU 99]. La Partie Commande du modèle permet d'établir si des connexions entre phases sont établies ou non. A ce niveau de modélisation, on peut alors raisonner en considérant un convertisseur équivalent constitué uniquement d'interrupteurs idéaux. La connexion établie par ces derniers est décrite par une fonction dite de connexion (notée f) affectant respectivement aux états ouvert et fermé les valeurs numériques 0 et 1. La Partie Opérative se décompose elle-même en une Partie Opérative Discontinue qui décrit l'effet des connexions sur la conversion des grandeurs électriques (que l'on nommera par la suite grandeurs modulées). Cette conversion électrique est quantifiée par une matrice de conversion notée M. Ensuite, une Partie Opérative Continue établit à partir des équations différentielles l'évolution temporelle des grandeurs électriques continues qui ont été converties. Diverses représentations mathématiques (formalisme d'état, grandeurs de Laplace, …) et graphiques (Graphe Informationnel Causal, Schéma-blocs, Représentation Energétique Macroscopique, …) peuvent être employées pour décrire cette partie. A titre d'exemple, on considère un onduleur triphasé à source de tension (fig. 1.2). L C T11 T21 T12 T22 T13 T23 L L v2 v1 is2 is1 ir us Figure 1.2 : Schéma électrique de l'onduleur triphasé à source de tension Pour ce convertisseur, un interrupteur idéalisé est synthétisé par la mise en anti-parallèle d'un IGBT et d'une diode. Les différents phénomènes de commutation qui interviennent entre semi-conducteurs ont été modélisés à l'aide d'un réseau de Petri ([LOR 00]). Ce convertisseur se comporte alors comme un convertisseur matriciel comportant trois cellules de commutation à deux interrupteurs idéaux et reliés à des sources de courant (équivalentes à la mise en série d'une inductance avec une source de tension) et à une source de tension (équivalente à la mise en parallèle d'un condensateur avec une source de courant) (fig. 1.3.a). La modélisation de ce convertisseur équivalent constitue la Partie Opérative Discontinue. La fonction de cette matrice d'interrupteurs idéaux est de générer à partir de variables d'état (is1, is2, us) des grandeurs modulées (um13, um23, im) associées à des générateurs équivalents (fig.1.3.b). PO Discontinue f12 us um23 f22 f13 f23 um13 f11 f21 im is2 is1 L C L L um23 um13 is2 is1 im ir v2 v1 us PO Discontinue a) b) Figure 1.3 : Partie Opérative d'un onduleur triphasé à source de tension Chapitre 1 : Commande des convertisseurs de l’électronique de puissance par modulation directe des conversions électriques 23 2.2 Modélisation des convertisseurs à topologie matricielle 2.2.1 Présentation et notations La majorité des convertisseurs de l'électronique de puissance ont une Partie Opérative Discontinue correspondant à une disposition matricielle des interrupteurs idéaux. Les lois de l’Electricité imposent deux conditions : - Les sources connectées de chaque côté de cette matrice doivent être de nature différente. - A tout instant les interrupteurs doivent être dans des états qui ne conduisent pas au court- circuit des sources de tension ni à l’ouverture des sources de courant. Le sujet de ma thèse de doctorat était d'établir un formalisme permettant, de manière systématique, la modélisation et la synthèse des commandes concernant ces convertisseurs à topologie matricielle. C'est à partir de ces travaux que j’ai développé mes thématiques de recherche. C'est pourquoi je rappellerai donc ci-après les résultats essentiels. Un convertisseur statique direct matriciel L phasé en tension / C phasé en courant sera représenté comme une matrice d'interrupteurs reliant les L sources de tension alignées verticalement et les C sources de courant alignées horizontalement. La fonction de connexion associée à l’interrupteur se trouvant à l’intersection de la ligne l et de la colonne c sera notée flc (fig. 1.4). Concernant les notations, nous avons pris pour convention de faire figurer dans les noms des grandeurs se référant à une source la lettre s. Les grandeurs modulées par les cellules de commutation comportent la lettre m. • is2 f f f 11 • 21 f 12 22 f L1 fL2 is1 is C f f 1C 2C f LC • • • • • • • • • • • • • • • • • • us 1 us 2 • • • • • • • • • • • • us L-1 • im 1 im 2 im L C-1 • • • • • • um1 2 • •• •• •• • • • • • • • • •• •• •• uploads/Industriel/ c-br-fr-hdr-01.pdf