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THÈSE NO 3188 (2005) ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE PRÉSENTÉE À LA FA

THÈSE NO 3188 (2005) ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE PRÉSENTÉE À LA FACULTÉ SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR Institut des sciences de l'énergie SECTION DE GÉNIE ÉLECTRIQUE ET ÉLECTRONIQUE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES TECHNIQUES PAR ingénieur en électricité diplômé EPF de nationalités suisse et française originaire de Nendaz (VS) acceptée sur proposition du jury: Prof. A.-Ch. Rufer, directeur de thèse Dr F. Bordry, rapporteur Dr T. Meynard, rapporteur Prof. Y.-O. Perriard, rapporteur Lausanne, EPFL 2005 ÉTUDE FORMELLE POUR LA SYNTHÈSE DE CONVERTISSEURS MULTINIVEAUX ASYMÉTRIQUES: TOPOLOGIES, MODULATION ET COMMANDE Jean-Sébastien MARIÉTHOZ Table des matières Résumé vii Abstract ix Remerciements xi Introduction générale 1 1 Introduction aux onduleurs multiniveaux asymétriques 5 1.1 Principales topologies d’onduleurs multiniveaux . . . . . . . . . . 5 1.1.1 Onduleurs NPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.2 Onduleurs à cellules imbriquées . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.3 Onduleurs multiniveaux symétriques . . . . . . . . . . . . 13 1.1.4 Onduleurs multiniveaux asymétriques . . . . . . . . . . . 16 1.1.5 Propriétés des principales structures . . . . . . . . . . . . 18 1.2 Intérêt des onduleurs multiniveaux asymétriques . . . . . . . . . . 21 1.2.1 Caractérisation des pertes des interrupteurs usuels . . . . . 23 1.2.2 Expressions des pertes en fonction de la structure . . . . . 27 1.2.3 Comparaison des pertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.3 Synthèse des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2 Combinaisons de cellules 39 2.1 Règles d’association des onduleurs monophasés . . . . . . . . . . 40 2.1.1 Modèle de l’onduleur étudié . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.1.2 Représentation des états et niveaux . . . . . . . . . . . . 41 2.1.3 Condition d’uniformité du pas . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.1.4 Condition de modulation optimisée . . . . . . . . . . . . 49 2.2 Règles d’association des onduleurs triphasés . . . . . . . . . . . . 58 ii TABLE DES MATIÈRES 2.2.1 Redondance des phaseurs spatiaux . . . . . . . . . . . . . 59 2.2.2 Détermination des voisins d’un vecteur de tension . . . . 62 2.2.3 Condition d’uniformité vectorielle . . . . . . . . . . . . . 65 2.2.4 Condition de modulation vectorielle optimisée . . . . . . 74 2.2.5 Propriétés de quelques conﬁgurations triphasées . . . . . 78 2.2.6 Evaluation de quelques conﬁgurations . . . . . . . . . . . 82 2.3 Combinaisons de cellules à rapports de pas rationnels . . . . . . . 83 2.3.1 Objectif : dépasser le cadre imposé par la condition d’uni- formité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 2.3.2 Dimensionnement scalaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 2.3.3 Dimensionnement vectoriel . . . . . . . . . . . . . . . . 86 2.3.4 Propriétés des conﬁgurations à pas rationnel . . . . . . . . 87 2.4 Combinaisons de cellules à phases asymétriques . . . . . . . . . . 90 2.4.1 Etude du cas habituel, pas identiques . . . . . . . . . . . 90 2.4.2 Vecteurs obtenus avec deux pas différents . . . . . . . . . 91 2.4.3 Vecteurs obtenus avec trois pas différents . . . . . . . . . 93 2.4.4 Propriétés des conﬁgurations à phases asymétriques . . . . 93 2.4.5 Evaluation de conﬁgurations à phases asymétriques . . . . 94 2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3 Modulation 105 3.1 Etat de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.1.1 Rôle de la modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.1.2 Principes de la MLI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.1.3 Principes des modulateurs multiniveaux classiques . . . . 112 3.1.4 Propriétés des modulateurs multiniveaux classiques . . . . 113 3.2 Modulateur à trames orientées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.2.1 Points à améliorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.2.2 Trames et séquences de trames . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.2.3 Principe d’optimisation des séquences de trames . . . . . 124 3.3 Méthodes d’évaluation des modulateurs . . . . . . . . . . . . . . 127 3.3.1 Mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 3.3.2 Analyse par transformée de Fourier rapide . . . . . . . . . 129 3.3.3 Analyse par double série de Fourier . . . . . . . . . . . . 130 3.3.4 Analyse par décomposition du signal en éléments simples 137 3.4 Evaluation des performances des modulateurs . . . . . . . . . . . 141 3.4.1 Evaluation pour les applications monophasées . . . . . . . 141 3.4.2 Evaluation pour les applications triphasées . . . . . . . . 141 3.5 Répartition des niveaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 3.5.1 Répartitions types de la référence . . . . . . . . . . . . . 144 3.5.2 Représentation la plus proche de la référence . . . . . . . 145 TABLE DES MATIÈRES iii 3.5.3 Propriétés du signal quantiﬁé . . . . . . . . . . . . . . . . 146 3.5.4 Méthodes d’optimisation de la distribution des niveaux . . 148 3.5.5 Optimisation des distributions de niveaux . . . . . . . . . 149 3.5.6 Bilan des optimisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 3.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 4 Stratégies de commande 153 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4.1.1 Structure de la commande . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4.1.2 Génération des signaux de commande . . . . . . . . . . . 154 4.2 Stratégies de minimisation des commutations . . . . . . . . . . . 156 4.2.1 Etat de l’art : décomposition de la référence . . . . . . . . 156 4.2.2 Première amélioration : introduction d’une mesure de distance . . . . . . . . . . . 158 4.2.3 Deuxième amélioration : reformulation . . . . . . . . . . 159 4.2.4 Commutation dans l’espace des états . . . . . . . . . . . 160 4.3 Commande vectorielle des onduleurs triphasés . . . . . . . . . . . 165 4.3.1 Quantiﬁcation de la référence . . . . . . . . . . . . uploads/Management/ convertisseur-multiniveaux.pdf