Conception et dimensionnement du module de conversion
3.2. Topologie du module de conversion
3.2.1. Présentation de la méthode d’opposition
La méthode d’opposition est une technique expérimentale issue des essais de machines électriques (moteurs, génératrices, transformateurs)[Forest]. Cette méthode est intéressante pour utiliser et caractériser des systèmes de moyenne et forte puissance lorsque des essais en charge, en conditions réelles d’utilisation sont difficiles (accouplement de machine à une charge mécanique, nécessité d’une alimentation et d’une charge de puissance…).
Dans le cas des convertisseurs statiques, la problématique reste la même. Cette méthode est utilisée pour le test et la mesure des pertes de convertisseur de forte puissance (quelque MW) ayant de haut rendement (98%) avec des moyens de test réduits (alimentation de quelque KW).
La figure III.1 nous montre le principe de la méthode d’opposition appliquée à deux machines électriques et transposable à deux convertisseurs statiques.
Inducteur Alimentation MCC 1 MCC 2 Source auxiliaire électrique Source électro- mécanique Arbre commun a) Cde Cde Alimentation AC ou DC
CVS
N°1
CVS
N°2
Elément passif Onde de modulation N°1 Onde de modulation N°2 sortie sortie entrée entrée b)Figure III.1 : La méthode d’opposition : a) pour deux machines à courant continu, b) pour deux convertisseurs.
Cette technique consiste à connecter deux dispositifs en opposition sur la même alimentation, assistés par une ou plusieurs sources d’énergie auxiliaires. La connexion consiste à réunir les entrées sur l’alimentation et les sorties entre elles. Dans l’exemple précédent, la connexion de deux machines à courant continu s‘effectue en les accouplant sur le même arbre mécanique et en reliant leurs induits par l’intermédiaire d’une source de tension. L’alimentation de ce système s’effectue grâce à une source électro- mécanique (autre machine électrique par exemple). Ce montage permet de mesurer les pertes des machines pour un flux et une vitesse de rotation imposée, un courant d’induit donné. Il est possible de remplacer les machines électriques par des convertisseurs statiques, les alimentations par des sources de tension ou de courant.
Intéressons-nous au cas de deux onduleurs de tension MLI connectés en opposition. L’application de la méthode d’opposition demande de répondre à plusieurs critères :
- Compatibilité des dispositifs (compatibilité des sources),
- Interconnexion des dispositifs, problèmes de réversibilité des dispositifs,
- Stabilisation du point de fonctionnement en statique et en dynamique (risques de divergence du courant de sortie d’un onduleur, par exemple).
Dans le cas de deux machines à courant continu montées en opposition, ces problèmes ne se posent pas grâce aux caractéristiques naturelles de ces machines : forte impédance interne, réversibilité intrinsèque. Dans le cas des convertisseurs statiques, tous ces problèmes interviennent. En effet, par nature, ces dispositifs se comportent comme des sources de courant ou de tension harmoniques, avec des impédances de sortie très faibles.
Le montage le plus simple, pour connecter deux onduleurs de tension MLI, est de les raccorder par l’intermédiaire d’un élément réactif (figure III.1, b). Cette topologie permet de faire fonctionner les deux
convertisseurs au même point de fonctionnement (tension d’entrée, courant de sortie, température des composants…).
Pour assurer la stabilité du point de fonctionnement, il faut utiliser une inductance de forte valeur et synchroniser les fréquences de découpage des deux onduleurs. Sur des convertisseurs de forte puissance, le volume de cette inductance peut être très important. Il est possible de diminuer la valeur de cette inductance au prix d’une commande plus complexe : un des deux onduleurs fonctionne en boucle ouverte (convertisseur maître) et le deuxième convertisseur est commandé en boucle fermé (convertisseur esclave). La boucle de régulation agit sur la commande du deuxième convertisseur pour réguler le courant traversant l’inductance d’opposition. Dans ce cas là, la sortie du convertisseur N°1 est une tension alternative, découpée ou filtrée. La régulation de courant délivre l’onde de modulation pour convertisseur N°2 et donc impose un courant sinusoïdal dans l’inductance d’opposition. Cette solution répond à tous les critères d‘application de la méthode d’opposition. La figure III.2 illustre la transition de la méthode d’opposition aux onduleurs de tension. MLI MLI - + Correcteur Consigne de courant Consigne de tension Convertisseur maître Convertisseur esclave Boucle de courant I Alimentation + +
Figure III.2 : Méthode d’opposition appliquée à deux onduleurs de tension : topologie basse tension
Les avantages de la méthode d’opposition sont multiples. Tout d’abord, la puissance absorbée sur l’alimentation continue vaut uniquement la somme des pertes au sein des deux onduleurs (pertes dans les interrupteurs de puissance, pertes dans les composants passifs) et donc avec des moyens d’essais réduits (de l’ordre du kW), il est possible de faire fonctionner des convertisseurs de grande puissance (plusieurs centaines de kW) au point de fonctionnement nominal (tension et courant de sortie nominal). Ceci est dû au fait que la puissance fournie par un convertisseur est absorbée par l’autre. Une conséquence directe de cette circulation de puissance est que la puissance fluctuante d’un pont est compensée par l’autre. Un autre avantage consiste en la mesure précise des pertes et du rendement des convertisseurs statiques. En effet, en connectant deux convertisseurs en opposition, dont un a été préalablement caractérisé (convertisseur étalon), il est possible, par une simple mesure de puissance au niveau de l’alimentation, de déterminer avec précision les pertes du convertisseur sous test. Un autre intérêt de la méthode d’opposition est de pouvoir placer les composants de puissance au même point de fonctionnement pour diverses applications (caractérisation, fonctionnement en régime de forte surcharge, cyclage …). En effet, grâce à la méthode d’opposition et une carte de commande adéquate, le point de fonctionnement des modules IGBT est totalement réglable :
- Fréquence de découpage, fréquence de modulation, temps mort, amplitude du courant commuté, déphasage courant/tension sont réglables par la carte de commande,
- La tension du bus continu est fixée par une alimentation régulée en tension,
- Les di/dt et dv/dt lors des commutations sont réglables sur le driver (ajustement de la résistance de grille),
- La température des puces IGBT est directement réglable par le système de refroidissement.
La méthode d’opposition présente un inconvénient : selon les applications, il faut disposer d’une alimentation haute tension : en effet grâce à cette topologie, le courant absorbé sur l’alimentation continue du montage est l’image des pertes, donc pour des convertisseurs de grande puissance, il faut pouvoir disposer d’un équipement et d’alimentation haute tension (plusieurs KV, quelques dizaines d’ampères). Il existe une solution que nous n’avons pas étudiée, et qui consiste à alimenter le montage du côté alternatif par l’intermédiaire d’une source de courant sinusoïdale (figure III.3) au prix d’une commande beaucoup plus complexe.
Figure III.3 : Méthode d’opposition appliquée à deux onduleurs de tension : topologie Haute Tension
Les deux convertisseurs sont commandés par deux boucles de courant (équivalents à deux sources de courant). La compensation des pertes du système se fait toujours en injectant un courant non pas sur le bus continu, comme précédemment, mais sur la liaison courant entre les convertisseurs (sortie des convertisseurs). Cette compensation est pilotée par une mesure de la tension du bus continu générant une consigne de courant qu’il faut synchroniser avec le réseau, source d‘alimentation du montage. Cette consigne commande le convertisseur esclave.