Les stratégies de mise en œuvre onduleurs révèlent des avancées surprenantes dans le contrôle des machines asynchrones. Cette étude met en lumière des techniques innovantes qui transforment les performances des systèmes d’entraînement industriels, avec des implications majeures pour l’avenir de l’électromécanique.
Strategies de Commande de L’onduleur Triphase a Cinq Niveaux a Cellules Imbriquees
De nos jours, les onduleurs de tension associés aux machines à courant alternatif sont très largement utilisés dans les systèmes d’entraînement industriels. En premier lieu, les progrès en matière de semi-conducteurs ont permis la réalisation de convertisseurs statiques de plus en plus performants. En second lieu, l’utilisation de la technique MLI «modulation de largeur d’impulsion » ou PWM « Pulse Width Modulation », rend possible le contrôle en amplitude et en fréquence des tensions de sortie de ces onduleurs.
Généralités sur les M.L.I. triphasées
Le choix d’une technique dépend du type de machine à commander, de la gamme de puissance, des semi-conducteurs utilisés pour l’onduleur, de deux paramètres caractérisant cette technique [DOU 04]:
L’indice de modulation : m
f p [II.11]
f
Où :
Le taux de modulation ou coefficient de réglage de tension : r
f p est la fréquence de la porteuse.
Vm U pm
[II.12]
f est la fréquence de la tension de référence. Vm est l’amplitude de la tension de référence. Upm est l’amplitude de la porteuse.
Afin de générer une source de tension la plus sinusoïdale possible, différentes stratégies de commande MLI ont été développées par différents auteurs pour les onduleurs multi-niveaux.
Dans cette partie, nous présentons deux stratégies de commande :
La triangulo–sinusoïdale à quatre porteuses bipolaires en dent de scie.
Modulation vectorielle à quatre porteuses bipolaires en dent de scie.
L’analyse de ces stratégies sera basée sur la bande linéaire de réglage et le taux d’harmoniques des tensions de sorties.
Commande triangulo-sinusoïdale à quatre porteuses en dent de scie bipolaires
Afin d’améliorer le taux d’harmoniques, quatre porteuses en dents de scie bipolaires (Up1, Up2, Up3, Up4), déphasées d’un quart de période (Tp/4) l’une par rapport à l’autre (Tp : période de la porteuse). Sont représentés par la figure II.7.
400
Vréf Up1 Up2 Up3 Up4
300
200
100
Vréf & Up1,2,3,4 [V]
0
-100
-200
-300
-400
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
t [s]
Fig. II.7. La stratégie triangulo-sinusoïdale à quatre porteuses en dents de scie bipolaires (m=4 , r=0.8)
Les équations des différentes porteuses utilisées dans cette stratégie sont :
U p1 t
- t1
c
U
T
p
- ; 0 t Tp
p2 t
; U
- t2
C
T
U
p
2 t2
U
C
T
p
Tp
1 ; 0 t
4
1 ; Tp t T
4 p
p p
U | C | 2 t3 T | 1 | ; | 0 | t | 2 Tp 4 | U | C | 2 t4 T | 1 | ; | 0 | t | 3 Tp 4 | |||||||
U p3 | t | U | C | 2 t3 T | 1 | ; | 2 | Tp 4 | t T | p | ; | U p 4 | t | U | C | 2 t4 T | 1 | ; | 3 | Tp 4 | t T | p |
p p
[II.13]
avec : ti t
i 1 Tp
4
; i 1,..,4.
L’algorithme de commande pour un bras k de l’onduleur se résume en trois étapes:
1ère étape: Détermination des tensions intermédiaires
VrefK VrefK VrefK VrefK
UP1
UP 2
UP3
UP 4
alors alors alors alors
VK1
VK 2
VK 3
VK 4
2Uc Uc 0
Uc
sinon sinon sinon sinon
Uc
0
[II.14]
Uc
2Uc
2ème étape: Détermination du signal Vk0
VK 0
Vk1
VK 2
VK 3
VK 4
[II.15]
3ème étape: Détermination des ordres de commande Bks des interrupteurs
VK 0
2Uc
BK1
BK 2
BK 3
BK 4 1
VK 0
Uc BK1
BK 2
BK 3
1 ; BK 4 0
VK 0
0 BK1
BK 2
1 ; BK 3
BK 4 0
[II.16]
VK 0
VK 0
Uc
2Uc
BK1
BK1
1 ; BK 2
BK 2
BK 3
BK 3
BK 4 0
BK 4 0
Résultats de simulation
400
1
Amplitude des harmoniques / au fondamental
300
200
0.8
100
0
Va [v]
0.6
-100
0.4
-200
-300
0.2
-400
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
t [s]
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Rang des harmoniques
Fig. II.8. La tension simple Va, et son spectre de l’onduleur triphasé à cinq niveaux commandé par La stratégie triangulo-sinusoïdale à quatre porteuses en dents de scie (m=15 , r=0.8).
400
1
Amplitude des harmoniques / au fondamental
300
200 0.8
100
0
Va [v]
0.6
-100 0.4
-200
-300
0.2
-400
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
t [s]
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Rang des harmoniques
Fig. II.9. La tension simple Va, et son spectre de l’onduleur triphasé à cinq niveaux commandé par La stratégie triangulo-sinusoïdale à quatre porteuses en dents de scie (m=24 , r=0.8).
1,2
Fondamental
Taux d’harmonique
1,0
0,8
0,6
P.U
0,4
0,2
0,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
r
Fig. II.10. Variation de l’amplitude du fondamental et du taux d’harmonique en fonction de r pour m=24
Interprétation des résultats
La tension Va ne présente aucune symétrie quelque soit la valeur de m, donc ils existent des harmoniques paires et impaires, et se regroupent autour des fréquences multiples de 4 mf.
L’augmentation de l’indice de modulation « m » permet de pousser les harmoniques vers des fréquences élevées, donc facilement filtrées par la machine.
La caractéristique de réglage est presque linéaire jusqu’à rmax= 1
Modulation vectorielle
La modulation vectorielle permet de suivre le vecteur de tension de référence Vsref=(Vref1,Vref2,Vref3)t. A partir de ce dernier, un nouveau vecteur de référence Vsref1 est défini par l’équation suivant [OUD 99] [ARE 01].
Avec : i=1, 2, 3.
Vsref 1[i]
Vsref [i] V0
[II.17]
La tension V0 est donnée par l’expression suivante:
V [max(Vsref ) min(Vsref )]
0 2
[II.18]
U p1 ,U p 2 ,U p3 ,U p 4 sont les quatre porteuses triangulaires (les mêmes que celles utilisées dans
la stratégie triangulo-sinusoïdale à quatre porteuses bipolaires).
L’algorithme de commande de cette stratégie est similaire à celui de la commande triangulo- sinusoïdale à quatre porteuses bipolaires en utilisant les tensions Vsref[i].
400
Up1 Up2 Up3 Up4
Vsréf1
300
200
100
Vsréf1 & Up1,2,3,4 [v]
0
-100
-200
-300
-400
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
t [s]
Fig. II.11. Les différents signaux de la modulation vectorielle pour (m=4, r=0.8)
Questions Fréquemment Posées
Quelles sont les stratégies de commande pour les onduleurs à cinq niveaux?
L’étude présente deux stratégies de commande : la triangulo-sinusoïdale à quatre porteuses bipolaires et la modulation vectorielle à quatre porteuses bipolaires.
Comment fonctionne la modulation triangulo-sinusoïdale dans les onduleurs?
La stratégie triangulo-sinusoïdale utilise quatre porteuses en dents de scie bipolaires, déphasées d’un quart de période, pour améliorer le taux d’harmoniques des tensions de sortie.
Quels sont les paramètres clés dans la commande des onduleurs triphasés?
Les paramètres clés incluent l’indice de modulation (m) et le taux de modulation ou coefficient de réglage de tension (r), qui dépendent de la fréquence de la porteuse et de la tension de référence.