Quelles sont les implications politiques des onduleurs à cinq niveaux?

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🏫 Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene - Faculté d'Electronique et d'Informatique - Département d'Electrotechnique
📅 Mémoire de fin de cycle en vue de l'obtention du diplôme de ingénieur d'état - 2006
🎓 Auteur·trice·s
IGOUDJIL Abdenour, BOUDJEMA Yacine
IGOUDJIL Abdenour, BOUDJEMA Yacine

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.

Image 62 - implications-politiques-des-onduleurs-a-cinq-niveaux

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].

Image 63 - implications-politiques-des-onduleurs-a-cinq-niveaux

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]

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Image 71 - implications-politiques-des-onduleurs-a-cinq-niveaux

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 :

Image 72 - implications-politiques-des-onduleurs-a-cinq-niveaux

Fig. III.6. Structure du filtre intermédiaire.

Le modèle de ce filtre est défini par le système suivant :

avec : k

  1. Onduleur N 01
  2. Onduleur N 0 2

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

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Image 78 - implications-politiques-des-onduleurs-a-cinq-niveaux

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.

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