PARTIE II: O BSERVATION DES TENSIONS AUX B ORNES DES
III. D C ONCLUSION ET E NJEUX DE LA R ECHERCHE E FFECTUEE
L’équilibrage des tensions aux bornes des cellules de commutation des convertisseurs multicellulaires série et superposé revêt un caractère très important, car il conditionne la survie de ces topologies et contribue à la qualité spectrale de leurs grandeurs de sortie.
La première partie de ce chapitre introduit les méthodes d’équilibrage en boucle ouverte. Nous avons tout d’abord mis en évidence le phénomène d’équilibrage naturel des tensions internes. Cette propriété intervient à condition que le motif de commande respecte certaines symétries (déphasage inter-cellule de 2π p et rapports cycliques égaux) et que la source de courant possède une impédance finie, ce
qui est presque toujours le cas. Néanmoins, cette stabilité inhérente implique une certaine constante de temps qui peut être un handicap dans certains cas, notamment en cas de variations brutales du bus continu. De plus, ce phénomène n’intervient pas en fonctionnement à vide ou lorsque le courant de charge est trop faible. Ces deux inconvénients peuvent être résolus à l’aide d’un circuit de rééquilibrage qui permet de doper l’action des harmoniques de courant responsables de l’équilibrage naturel. Cette solution consiste à connecter un filtre R-L-C résonant en parallèle avec la charge ; il assure une charge minimale permettant ainsi le fonctionnement à vide et diminue la constante de temps du rééquilibrage
en réduisant l’impédance de la source de courant à la fréquence p× fdéc. Cette technique présente
toutefois un coût significatif de par le dimensionnement relatif aux transitoires et aux harmoniques de courant.
La deuxième partie a introduit les méthodes de régulation en boucle fermée des tensions internes, soit à travers une méthode de régulation indépendante : l’équilibrage par égalisation des tensions cellules, soit grâce à des commandes spécifiques développées au sein du laboratoire.
La méthode d’équilibrage par égalisation des tensions cellules permet un découplage entre la sélection du niveau de tension désiré, déterminé par le modulateur, et la distribution des événements de commutation. Cette solution exploite l’un des degrés de liberté des structures multicellulaires : les redondances des états de la commande pour l’obtention d’un niveau de tension en sortie. Elle constitue une méthode simple et performante de contrôle actif des tensions intermédiaires et repose sur des règles de sélection en fonction des variations des niveaux de tension et du signe du courant de charge. Constituant toujours un handicap en fonctionnement à vide, cette technique présente une solution attrayante qui doit être développée, car elle est indépendante de la stratégie de commande du convertisseur lui-même.
Finalement, la dernière section de ce chapitre introductif a présenté diverses commandes des convertisseurs multicellulaires intégrant une régulation en boucle fermée des tensions internes et un contrôle du courant de sortie. Ces lois de commande sont différenciables en trois grandes catégories : les commandes en durée, en amplitude ou en déphasage. Chacune d’entre elles exploite un modèle particulier (moyen, instantané ou harmonique) de la structure en utilisant un degré de liberté du convertisseur multicellulaire : les p rapports cycliques des cellules de commutation (commande en durée), les
(
p−1)
déphasages inter-cellules ou sur les deux simultanément (commande en déphasage).La commande en amplitude impose, quant à elle, directement les ordres de commande.
En définitive, les méthodes de régulation des tensions internes des structures multicellulaires série et superposée nécessitent la connaissance de ces grandeurs électriques. Ces informations peuvent être obtenues à partir de mesures directes des tensions aux bornes des condensateurs flottants. Néanmoins, ces tensions possèdent une forte amplitude et une composante de mode commun importante. De plus, un convertisseur SMC triphasé 7 niveaux requiert douze capteurs de tension différentiels et deux pour le bus continu. Le coût de ces capteurs est significatif et d’autres solutions peuvent s’avérer intéressantes.
Ces données étant indispensables à la stratégie de commande, les signaux de commande ainsi que certaines informations disponibles peuvent être utilisées :
9 Equation en tension : la combinaison des ordres de commande définit comment les tensions
aux bornes des condensateurs sont associées afin d’obtenir la tension découpée actuelle.
9 Equation en courant : la combinaison des tensions aux bornes des cellules de commutation
indique à travers quels condensateurs flottants circule le courant, ce qui définit implicitement les dérivées de ces dernières.
Il est à noter que l’utilisation des combinaisons des signaux de commande associées à un capteur permet d’obtenir deux types d’informations concernant les condensateurs flottants :
9 Associées à un capteur de tension de sortie, une information directe concernant l’état des tensions aux bornes des condensateurs flottants est obtenue.
9 Associées à un capteur de courant de charge, une information concernant les dérivées de ces tensions est acquise.
Le premier phénomène peut être utilisé pour créer un reconstructeur de tensions, le second pour construire un émulateur, i.e. une simulation en temps réel du système. Combinées, ces deux approches
III.D Conclusion et Enjeux de la Recherche Effectuée
Il est important d’indiquer que, dans notre cas, la méthode d’estimation des tensions internes doit répondre à plusieurs critères en accord avec la stratégie de contrôle actif de ces grandeurs développée par Carlos Martins (cf. III.C.1). Elle doit en effet reproduire de manière quasi-analogique la dynamique d’évolution de ces tensions intermédiaires, à savoir leurs ondulations, et ceci en tenant compte des phénomènes de commutation.
La seconde partie de ce mémoire traite de l’observation des tensions aux bornes des condensateurs flottants de la structure SMC à travers les deux méthodes explicitées ci-dessus, ainsi qu’un observateur à modes glissants. Ceux-ci font l’objet des trois chapitres suivants.
CHAPITRE IV
R
ECONSTRUCTION DEST
ENSIONSI
NTERMEDIAIRESIV.A.
P
HILOSOPHIE DE LAM
ETHODELe contrôle actif des tensions aux bornes des condensateurs flottants du convertisseur SMC revêt un caractère très important parce qu’il conditionne la survie du convertisseur en garantissant une répartition correcte des contraintes en tension sur les interrupteurs de puissance. Pour assurer ce contrôle, il est alors nécessaire de mesurer ces tensions. Néanmoins, les niveaux de tension et de puissance font que la mesure est délicate et très coûteuse. C’est pour cette raison que nous nous sommes dirigés vers l’étude d’un estimateur de tensions intermédiaires dédié à cette topologie. La Figure IV-1 rappelle la problématique liée au contrôle actif des tensions aux bornes des cellules de commutation.
aucune mesure de tension
Mesure de tension
commande en boucle fermée contrôle de l’état des cellules de commutation
1èrecellule 2ndecellule 3èmecellule SC2n SC1n SC3n SC2p C3p C1p C1n C2p C2n SC3p Ep En C3n SC1p VS IS 1èrecellule 2ndecellule 3èmecellule SC2n SC1n SC3n SC2p C3p C1p C1n C2p C2n SC3p Ep En C3n SC1p VS IS
pilotage du courant de charge et des tensions condensateurs
aucune mesure de tension
Mesure de tension
commande en boucle fermée contrôle de l’état des cellules de commutation
1èrecellule 2ndecellule 3èmecellule SC2n SC1n SC3n SC2p C3p C1p C1n C2p C2n SC3p Ep En C3n SC1p VS IS 1èrecellule 2ndecellule 3èmecellule SC2n SC1n SC3n SC2p C3p C1p C1n C2p C2n SC3p Ep En C3n SC1p VS IS
pilotage du courant de charge et des tensions condensateurs
Figure IV-1 Problématique liée au contrôle actif des tensions aux bornes des cellules de commutation
Si nous effectuons un état des différentes quantités connues avant la mise en place de la méthode d’estimation (Figure IV-2), il apparaît que :
9 Le bus continu est toujours mesuré au niveau industriel pour des raisons de sécurité ;
9 Le modulateur du convertisseur fournit l’état des interrupteurs de la structure grâce aux ordres de commande de ceux-ci ;
9 La commande en boucle fermée de l’onduleur implique en général la mesure des courants de phase qui sont précisément ceux circulant à travers les condensateurs flottants.
1èrecellule 2ndecellule 3èmecellule SC2n SC1n SC3n SC2p C3p C1p C1n C2p C2n SC3p Ep En C3n SC1p IS
sécurité: bus continu commande de l’onduleur: signaux de commande commande en boucle fermée: courant de charge 1èrecellule 2ndecellule 3èmecellule SC2n SC1n SC3n SC2p C3p C1p C1n C2p C2n SC3p Ep En C3n SC1p IS
sécurité: bus continu commande de l’onduleur: signaux de commande commande en boucle fermée: courant de charge
IV.B Principe de la Méthode de Reconstruction
Ces grandeurs regroupent un certain nombre d’informations qui peuvent être utilisées et adaptées en fonction de nos objectifs. Dans un premier temps, nous avons choisi de ne pas tenir compte des courants de phase. La prise en compte du courant de phase sera présentée dans le chapitre V. Nous avons préféré approfondir dans un premier temps une méthode plus simple fondée sur une mesure de tension par phase : la reconstruction.