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Approche mathématique pour la Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI) pour la conversion statique de l'énergie électrique : application aux onduleurs multiniveaux

Berkoune, Karima. Approche mathématique pour la Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI) pour la conversion statique de l'énergie électrique : application aux onduleurs multiniveaux. PhD, Génie électrique, Université Toulouse 3 Paul Sabatier (UT3 Paul Sabatier), 2016, 218 p.

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Official URL: http://thesesups.ups-tlse.fr/3418/

Abstract

Les convertisseurs d'électronique de puissance sont de plus en plus exploités notamment dans les applications nécessitant la variation de vitesse de machines. L'utilisation de composants plus performants et plus puissants couplés à de nouvelles structures multiniveaux autorise l'accès à de nouveaux champs applicatifs, ou des fonctionnements à plus haut rendement. Ces convertisseurs statiques sont capables de gérer, par un pilotage adapté, les transferts d'énergie entre différentes sources et différents récepteurs selon la famille de convertisseur utilisée. Au sein de l'interface de pilotage, un schéma particulier permet de générer des signaux de commande pour les interrupteurs, il s'agit de la modulation et peut être vue par deux approches différentes : L'approche intersective issue d'une comparaison modulante-horteuse (appelée en anglais carrier based PWM) et l'approche vectorielle où les signaux de pilotage des trois bras de ponts sont considérés comme un vecteur global unique (appelée Modulation Vectorielle SVM). Le but de la MLI est de générer une valeur moyenne de la tension la plus proche possible du signal modulé. La commande usuelle par comparaison modulante-porteuse dans le cas des architectures multiniveaux nécessite autant de porteuses triangulaires qu'il y a de cellules à commander au sein d'un bras. Plus généralement, la stratégie de modulation de chacune des topologies multiniveaux est choisie en se basant sur des critères à optimiser liés à la qualité les formes d'ondes produites ou obtenues, suite à la conversion. Le choix de la variable de commande à implémenter dans le schéma MLI fait appel à l'expertise de l'expérimentateur et se réfère peu au modèle mathématique initial qui peut-être établit pour caractériser le fonctionnement de l'architecture d'électronique de puissance. En ce qui concerne les stratégies vectorielles SVM, une absence de modèle compatible avec les modèles, basés sur une comparaison modulante porteuse, d'onduleurs est constatée. Les types d'onduleurs triphasés à deux ou à N niveaux de tension admettent un modèle sous forme d'équations d'un système linéaire compatible qui s'écrit sous la forme V = f(a) dans le cas d'une MLI sinusoïdale et V = f(1) dans le cas d'une SVM, avec V les tensions de phase, a les rapports cycliques et f les instants de commutation. Dans cette configuration basique il est constaté que la matrice liant ces tensions aux rapports cycliques (ou aux instants de commutation) n'admet pas d'inverse, ce qui revient à dire qu'il n'est pas possible, avec les théories usuelles des fonctions linéaires, de résoudre ce système afin d'exprimer les rapports cycliques (ou les instants de commutation) en fonction des tensions de références. C'est ce qui explique qu'aujourd'hui un bon nombre d'implémentations pratiques de modulation se fait, suite à une analyse expérimentale des conséquences d'un choix de stratégie sur les variables d'intérêt. Cette étude propose le développement d'une formulation générique pour la modélisation des onduleurs de tension et en particulier des onduleurs multiniveaux. Cette méthode, pour la formulation de modèles génériques, est pensée pour faciliter la mise en œuvre des stratégies de modulation. L'extension du modèle moyen obtenu pour les systèmes triphasés est réalisée pour les structures usuelles à N niveaux de tension telles que la structure d'onduleur de type à capacités flottantes et de type pont en H. L'idée est de généraliser le modèle et la méthode sur des architectures réelles multiniveaux, que ce soit par la modulation MLI sinusoïdale en exprimant les rapports cycliques comme variable de sortie, ou la SVM exprimant les instants de commutation. Cette approche de modélisation consiste à exprimer mathématiquement les ensembles de solutions pour la génération des stratégies de modulation pour plusieurs architectures d'onduleurs étudiés. Cela en utilisant un outil mathématique permettant la résolution des systèmes linéaires. La résolution de ces systèmes d'équations linéaires compatibles permet de trouver des degrés de liberté, à identifier dans un premier temps, puis à exprimer dans un deuxième temps en établissant le lien avec les critères à optimiser pour des architectures données. Deux exemples d'application ont été mis en œuvre, un premier concerne les onduleurs classiques à deux niveaux de tension et le deuxième un onduleur à capacités flottantes à trois niveaux de tension. Les résultats de simulation et d'expérimentation seront illustrés.

Item Type:PhD Thesis
Uncontrolled Keywords:
Institution:Université de Toulouse > Institut National Polytechnique de Toulouse - Toulouse INP (FRANCE)
Université de Toulouse > Université Toulouse III - Paul Sabatier - UT3 (FRANCE)
Laboratory name:
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Deposited On:09 Dec 2019 12:59

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