Minimisation des pertes par commutation

Afin de minimiser les pertes par commutation, il est essentiel que la construction des séquences de commutation garantisse les trois aspects :

 La limitation du nombre total des commutations réalisées par les interrupteurs ;  La répartition équitable des ces commutations sur les 6 bras de l’onduleur ;

 La limitation, voire la suppression, des sur-commutations, notamment lors du changement de secteur.

Dans le but d’évaluer l’aptitude de chaque méthode à satisfaire ces spécifications, nous nous intéressons aux commutations réalisées par les trois ponts en H durant une demi-période de découpage. L’examen est effectué sur un seul secteur (secteur I sur la Figure III. 23) délimité par les quatre tensions discrètes adoptées par la stratégie considérée. Ces dernières sont normalisées par rapport à la tension du bus continu. La Figure III. 25 illustre le nombre de commutations sur une demi-période de découpage, ainsi que leur répartition parmi les trois ponts en H de l’onduleur. Sur ce diagramme, les trois ponts en H sont représentés par trois rectangles. Les points qu’ils contiennent à l'intérieur symbolisent le nombre de commutations atteint depuis le début de la demi-période de découpage : les points noirs montrent les précédentes commutations tandis que les rouges indiquent les commutations actuelles. Notons qu’un pont en H monophasé effectue deux commutations pour passer de la tension normalisée +1 (+Vdc) à –1 (–Vdc) ou vice–versa ; il requiert une ouverture (turn-off) et une fermeture (turn-on).

Chaque stratégie s’appuie sur des vecteurs pivots. Il s’agit des vecteurs ne présentant pas de composante selon  ou . Plus précisément, ce sont

 les vecteurs V14 et V27 de la famille V ;  le vecteur V1 de la famille VI.

Lorsqu’un seul vecteur pivot est utilisé (méthode III), ce vecteur est placé aux deux extrémités de la séquence.

Par ailleurs, à l’exception notable de la méthode II, toutes les méthodes, effectuent le même nombre de commutations et assure leur équitable répartition (2 par pont). Quant à elle, la méthode II requiert 7 commutations qui sont forcément distribuées de manière dissymétrique sur les trois ponts ; concrètement deux ponts commutent beaucoup (trois fois) tandis que le dernier commute peu (une fois).

Figure III. 25 : Nombre et distribution des commutations dans les trois ponts. (e) Méthode I, (b) Méthode II, (c) Méthode III, (d) Méthode IV, (e) Méthode V.

Optimisation des commutations de la méthode II

Dans la pratique, cette commutation supplémentaire est due à la nécessité de créer une petite composante homopolaire V0* aux bornes de la machine fictive homopolaire par

l’activation d’un des deux vecteurs V14 ou V27. Théoriquement, dans le cas d’une machine idéale (e0=0) et d’un onduleur idéal, la méthode II a l’aptitude d’établir un équilibre entre les

trois ponts en effectuant six commutations. Bien-entendu, cela revient à modifier la séquence de commutation en considérant V0* = 0 et que, par conséquent, la résolution de (III. 27) induit

des durées d’application nulles pour les vecteurs de la famille VI. Dans ce cas de figure, on donne au vecteur nul V1=[0 0 0] le rôle de vecteur pivot : au lieu d’être uniquement activé en début de séquence, son utilisation est répartie équitablement aux deux extrémité de la séquence. La Figure III. 26. illustre cette possibilité sur une séquence de commutation effectuée dans le secteur I. Notons néanmoins que, concrètement, ce cas de figure est fort peu probable et contrarié tant par les imperfection de construction de la machine que par la réalisation des commutations dans une cellule de commutation.

Figure III. 26 : Méthode II : modification possible de la séquence de commutation dans le cas particulier où V0^* = 0.

La représentation précédente montre également que, pour passer d’un vecteur à l’autre, chaque méthode a au moins une fois recours à une commutation simultanée de deux ponts. Or, dans la pratique, il est impossible de réaliser une telle synchronisation entre les commutations à cause

 des différents temps de propagation dans les circuits de commande et dans les interrupteurs eux-mêmes ;

 et surtout des temps morts nécessaires pour prévenir tout court-circuit du bus continu mais induisant une perte de commandabilité de la cellule de commutation (ce point sera approfondi au § III.3.4.2).

Une commutation ayant forcément lieu avant l’autre, la séquence de commutation fait apparaître des tensions non désirées dans cet intervalle de temps. Ces tensions parasites peuvent contenir de fortes composantes homopolaires, excitant ainsi de façon non contrôlée la machine fictive homopolaire.

En s’intéressant maintenant à la séquence proposée par la méthode III (Figure III. 25c), nous nous apercevons qu’elle n’est pas idéale de ce point de vue. En effet, à la fin de

chaque demi-période de découpage (passage du vecteur V23 au vecteur V1 sur la Figure III. 25c), elle souhaite effectuer une commutation simultanée des trois ponts de l’onduleur. Cette

dernière commutation peut être évitée si le vecteur V1 n’est plus utilisé comme vecteur pivot mais est uniquement appliqué au début de la séquence.

Du point de vue des sur-commutations de changement de secteur, cette nouvelle disposition reste optimale puisque le dernier vecteur appliqué lors la première demi-période étant conservé pour débuter la demi-période suivante. Par ailleurs, le réarrangement de cette séquence est également favorable du point de vue du nombre de commutations effectuées puisque la méthode III ne réalise plus que trois commutations (une par bras). La Figure III. 27 illustre l’optimisation de cette séquence et les commutations associées. Le nombre de commutations effectuées est réduit de moitié, et les commutations sont parfaitement équilibrées dans le convertisseur (Figure III. 27b). Nous adoptons cette nouvelle séquence

optimisée dans la suite de cette étude comparative.

Figure III. 27 : Séquence et distribution des commutations de la méthode III optimisée.

Le Tableau III. 8 donne l’estimation du rendement de l’onduleur en fonction des méthodes de modulation fonctionnant à une fréquence de découpage de 10 kHz. Il confirme l'intérêt de la méthode III vis-à-vis du critère des pertes (cf. la fiabilité) et de l’efficacité de l’onduleur.

   

Tableau III. 8 : Rendement de l’onduleur en fonction des stratégies de modulation. Méthodes _{I II III IV V} Nombre de commutation/ période de découpage ^{12 14 6 12 12} I @ F=50 Hz [A] 54,5 1,8 11,3 53 48,7 Pertes onduleur [kW] 4,263 3,044 1,365 3,747 4,082 Rendement de l’onduleur 92% 94% 97% 93% 92 %

Jusqu’à présent, les séquences ont été examinées dans l’unique but d’évaluer les pertes occasionnées pour le convertisseur de puissance. Dans ce qui suit, nous analysons la capacité des différentes méthodes à générer peu de pertes dans la machine.