Les implications politiques des onduleurs sont souvent sous-estimées, pourtant elles influencent directement la transition énergétique. Cette étude révèle comment un onduleur triphasé multiniveau à cinq niveaux peut transformer les normes de qualité de l’énergie, avec des conséquences majeures pour les politiques énergétiques actuelles.
Chapitre III
Changeur de Frequence Utilisant L’onduleur de Tension a Cinq Niveaux a Cellules Imbriquees
Introduction
Compte tenu des besoins croissants d’énergie électrique, nous assistons aujourd’hui sans cesse au développement de l’interconnexion et de l’échange de l’énergie entre les différents réseaux. Cette tendance amène les distributeurs d’énergie électrique à l’uniformisation des niveaux de tension et à une plus grande exigence de qualité de la forme d’onde électrique.
Dans ce contexte, nous assistons actuellement à une prise de conscience des problèmes liés au déséquilibre de tension, plus particulièrement dans les réseaux de distribution [AOU 97].
Dans ce cas, les effets se manifestent par une dégradation des performances de la machine électrique directement raccordée au réseau. Les onduleurs multiniveaux sont également touchés par cette perturbation [AOU 97].
En pratique l’absence des batteries de grandes puissances à 800 V pour notre onduleur de tension à cinq niveaux à cellules imbriquées, nous obligeons à alimenter notre machine par une cascade, constituée de deux redresseurs triphasé à deux niveaux et deux onduleurs triphasé à cinq niveaux.
Cascade de Deux Redresseurs de Courant a deux Niveaux- Deux Onduleurs de Tension a Cinq Niveaux a Cellules Imbriquees- MASDE
En associant le redresseur triphasé à deux niveaux commandé par la commande en courant par hystérésis à l’onduleur triphasé à cinq niveaux commandé par la stratégie de modulation vectorielle à quatre porteuses bipolaires en dent scie, nous obtenons le changeur de fréquence indirect. Il permet à partir d’un réseau à fréquence fixe et à amplitude fixe d’avoir un système de tensions de sortie à amplitude et fréquence variables.
Cette cascade est présentée par la figure III.1.
Fig. III.1. Structure de la cascade de deux redresseurs de courant à deux niveaux- deux onduleurs de tension à cinq niveaux à cellules imbriquées- MASDE
Modelisation du redresseur de courant a deux niveaux
La figure III.2 représente un dispositif qui permet de générer des tensions à partir d’un réseau alternatif. C’est un convertisseur alternatif-continu dit redresseur à deux niveaux [BOU 02-04] [GHE 99] [FER 02].
Fig. III.2. Structure du redresseur de courant à deux niveaux
Nous appliquons les lois de Kirchhoff pour le circuit présenté dans la figure III.2. et nous obtenons les équations suivantes :
dirésj dt
R
L irésj
1 (V L
résj
u0 j )
, j 1,2,3
[III.1]
dUred
dt
V 2 u
1
C Ired
1 u 1 u
[III.2]
rés1N
Vrés 2 N
3 01 3
1 u
3 01
02 3
2
3 u02
03
1
3 u03
[III.3]
Vrés3N
2
3 u01
1
3 u02
2
3 u03
Nous associons à chaque interrupteur TDi une fonction de connexion Fi qui décrit son état fermé ou ouvert [BER 95].
F 1, Ti fermé ou
Di fermé
, i 1,2,3
[III.4]
i 0,
Ti 1
fermé ou
Di 1
fermé
La tension u0j, le courant Ired et les tensions d’entrée du redresseur utilisant les fonctions de connexion des interrupteurs peuvent être exprimées par les équations suivantes :
u0 j
Fj U red
, j 1,2,3
[III.5]
Vrés1N Vrés 2 N Vrés3N
I red
3
Fjirésj
j 1
1 1
1
3
2
1 2 1
1 1 2
F1
F2 U F3
red
[III.6]
[III.7]
Les onduleurs multiniveaux sont naturellement réversibles. Comme ils peuvent fonctionner en onduleur et transférer l’énergie de la source de tension continue à la source de courant alternatif, ils peuvent aussi fonctionner en redresseurs et assurer le transfert énergétique dans le sens inverse; donc toutes les stratégies de commande possibles pour les onduleurs à deux niveaux sont utilisables pour les redresseurs à deux niveaux [MAL 04].
Dans cette partie, nous présentons un seule stratégie de commande du redresseur à deux niveaux : la stratégie par hystérésis en courant.
Commande en courant par hystérésis
Le principe de cette stratégie est basé sur la commande des interrupteurs de telle sorte que les variations du courant dans chaque phase soient limitées dans une bande encadrant les références des courants. Ce contrôle se fait par une comparaison permanente entre les courants réels et les courants de références [MAL 04].
Comme le redresseur à deux niveaux possède deux états de commande possibles pour un bras
j, alors nous utilisons un régulateur à hystérésis à une position.
Nous désignons par k l’écart entre le courant de référence irefj et le courant réel iresj tel que :
j iresj
irefj
, j 1,2, 3
[III.8]
L’algorithme de cette stratégie est donné comme suit [CHA 05]:
si si
i : largeur de la bande d’hystérésis.
j i B ji 0
j i B ji 1
[III.9]
Les courants de référence irefj ont la forme suivante:
iref 1
2I eff sin t
iref 2
iref 3
2I eff
2I eff
sin(t 2) 3
sin(t 2 ) 3
[III.10]
Le principe de conservation de puissance est basé sur la règle suivante :
=
Pcharge
Préseau
6Veff
Ieff
cos
2
eff
6RI
Pméc
Pem Pj
[III.11]
avec : Ieff et Veff respectivement le courant et la tension efficace du réseau.
Pour un facteur de puissance unitaire, et en négligeant la résistance du réseau, les pertes joules et les pertes mécaniques, nous obtenons la relation [ARE 05] :
6Veff Ieff
Cem r
[III.12]
En tenant compte des valeurs importantes du couple électromagnétique au démarrage, la valeur de Ieff est la suivante:
I Cem max [III.13]
avec : Cem max
1.2 Cem nom
eff
6Veff
r nom
[III.14]
Résultats de simulation
16.2
16
i réf i rés
16.2
16
i réf i rés
16.2
16
i réf i rés
15.8
i ré f & i ré s [A ]
15.8
15.8
15.6
15.6
15.6
15.4
15.4
15.4
15.2
i ré f & i ré s [A ]
i ré f & i ré s [A ]
15.2
15.2
15
4 4.5 5 5.5 6
15
4 4.5 5 5.5 6
15
4 4.5 5 5.5 6
t [s]
i 0.1
-3
x 10
t [s]
i 0.01
-3
x 10
t [s]
i 0.05
-3
x 10
Fig. III.3. Le courant du réseau et sa référence
20 80
i réf i rés
15 60
i rés v rés
10 40
5 20
i réf i rés [A]
V rés [v] & i rés [A]
0 0
-5 -20
-10 -40
-15 -60
-20
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
t [s]
-80
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
t [s]
Fig. III.4. Courant d’une phase et sa référence, et la tension du réseau
300 20
250 15
10
200
5
Ured [v]
i red [A]
150
0
100
-5
50 -10
0
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
t [s]
-15
0 0.005 0.01 0.015
t [s]
Fig. III.5. Tension et courant redressés
Interprétation des résultats
La figure III.3 montre l’écart entre le courant de référence et le courant du réseau avec différentes valeurs de la bande d’hystérésis i .Lorsque cette dernière est faible, l’écart devient petit donc les courants du réseau suivent aussi bien leur référence.
La figure III.4 montre que, pour i 0.01, le courant réel du réseau alimentant le
redresseur à deux niveaux suit bien sa référence. En supposant un facteur de puissance unitaire, le courant et la tension d’une phase du réseau sont en phase.
La figure III.5 montre l’allure du courant redressé et la tension de sortie du redresseur croissante.
Modélisation du filtre intermédiaire
La structure du filtre intermédiaire est la suivante :
Fig. III.6. Structure du filtre intermédiaire.
Le modèle de ce filtre est défini par le système suivant :
avec : k
C dUck
k dt
I redk
I dk
[III.15]
Remarque
Les deux réseaux alimentant les deux redresseurs à deux niveaux ont une tension efficace de 48V et une fréquence 50Hz.
Les tensions d’entrée des deux onduleurs à cinq niveaux sont initialisées à 200 V.
Résultats de simulation
25 80
I réf1
20 I rés1
I réf2 60
15 I rés2
40
I réf (1,2) [A] & I rés (1,2) [A]
V rés (1,2) [v] & I rés (1,2) [A]
10
5 20
V rés1 I rés1 V rés2 I rés2
0
-5
-10
-15
-20
0
-20
-40
-60
-25
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
t [s]
-80
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
t [s]
Fig. III.7. Courant d’une phase et sa référence, et la tension du réseau
1000 1000
900 900
800 800
700 700
600 600
Uc1 [v]
Uc2 [v]
500 500
400 400
300 300
200 200
100
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
t [s]
100
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Fig. III.8. Tension d’entrée des deux onduleurs
15
14.5
Cem réf Cem
800
600
va1 va2
60 14
13.5
50
2 2.002 2.004 2.006 2.008 2.01
Cem réf Cem
400
200
Va1 & Va2 [v]
0
40
Cem réf & Cem [N.m]
-200
30 -400
-600
20
-800
1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 2
10 t [s]
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
t [s]
Fig. III.9. Performances de la cascade de deux redresseurs à deux niveaux – deux onduleurs à cinq niveaux à cellules imbriquées – MASDE
Interprétation des résultats
La figure III.7 présente les courants des deux réseaux avec leur référence. Nous remarquons que ces courants du réseau suivent bien leur référence, et sont en phase
avec la tension et décalés entre eux d’un angle de .
6
La figure III.8 montre que les tensions d’entrée de l’onduleur ; Elles sont croissantes en fonction du temps.
La figure III.9 présente les performances de la cascade des deux redresseurs à deux niveaux – deux onduleurs à cinq niveaux- MASDE, dont nous voyons l’allure du couple électromagnétique avec plus au moins une perturbation, et les tensions de sortie
des onduleurs Va1, Va2 qui sont sinusoïdales et décalées entre elles d’un angle de
6
et leur amplitude varie en fonction du temps.
Questions Fréquemment Posées
Qu’est-ce qu’un onduleur à cinq niveaux à cellules imbriquées?
Un onduleur à cinq niveaux à cellules imbriquées est un type d’onduleur triphasé multiniveau utilisé pour l’entraînement de machines électriques de forte puissance.
Comment fonctionne la commande en courant par hystérésis pour un redresseur à deux niveaux?
La commande en courant par hystérésis limite les variations du courant dans chaque phase dans une bande encadrant les références des courants, en comparant en permanence les courants réels et les références.
Quelle est l’application des onduleurs multiniveaux dans les réseaux électriques?
Les onduleurs multiniveaux sont utilisés pour améliorer la qualité de la forme d’onde électrique et pour gérer le déséquilibre de tension dans les réseaux de distribution.