Chapitre II Topologies d’onduleur à tolérance de panne
II.8 Onduleur double
II.8.1 Association série et différentielle de cellules de commutation
Chapitre II
Topologies d’onduleur à tolérance de panne
interrupteurs offert par ces structures multi-niveaux ne constitue pas un avantage majeur. Par contre, il est plus intéressant d’associer les cellules de commutation de manière à appliquer des niveaux de tension de sortie supérieurs, à tension continue imposée, et à faciliter ainsi la couverture de plages de vitesse plus élevées.
II.8.1.2 Onduleur double
La topologie de la figure II.64, que nous nommerons onduleur double, constitue un moyen d’association différentielle des cellules de commutation en redondance active pour augmenter la tension et donc la puissance d’alimentation de la machine, dont les six bornes statoriques doivent être accessibles. Cette structure présente un degré de redondance élevé à plusieurs niveaux (cellules de commutation, enroulements de la machine, bus continus), ce qui peut être exploité pour accroître la disponibilité fonctionnelle de l’onduleur.
figure II.64 : onduleur double à sources de tension continue isolées
Pour VDC1=VDC2, les états de tension de sortie sont ceux d’un onduleur 3 niveaux.
Pour les raisons évoquées précédemment, cette topologie est surtout intéressante si les deux sources de tension continue isolées sont naturellement mises à disposition par l’architecture du réseau. En ce cas, cette structure permettrait d’envisager de nombreuses possibilités de reconfiguration, et éventuellement de secourir les charges d’un réseau continu défaillant en transférant une composante continue de courant via l’alimentation de la machine (figure II.65) [BAU05]. Cela préfigure des architectures de distribution par réseaux continus à disponibilité élevée. Toutefois, comme les études présentées dans ce mémoire sont basées sur des architectures de réseau classiques, ces aspects ne sont pas développés davantage.
figure II.65 : alimentation d’un réseau continu en défaut par transfert de puissance à travers un ensemble convertisseur-machine
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considérer de surmodulation). En effet, la pleine tension du bus continu peut être appliquée aux enroulements de la machine. Par contre, la tension homopolaire doit être contrôlée pour minimiser le courant homopolaire. Or une commande pleine onde produit des tensions qui contiennent des harmoniques à fréquence triple du fondamental et ces harmoniques introduisent des composantes de courant homopolaires indésirables qui se rebouclent à travers le bus continu. La zone de surmodulation est donc restreinte : la tension de sortie est limitée à 1,1VDC [WEL03-2].
figure II.66 : onduleur double à source de tension continue unique avec interrupteurs d’isolement (représentés par les rectangles vides)
figure II.67 : représentation des états de tension dans le plan ( )
Comme les courants de phase peuvent présenter une composante homopolaire, le système d’équation (II-18) est couplé. Il doit donc être découplé par un changement de base adapté, par exemple en utilisant la transformation de Concordia [MEI04]. En négligeant la résistance statorique :
+
⋅
−
− +
=
0 0 0
e e e
i i i dt
d M L 0 0
0 M L 0
0 0 2M L
v v v
(II-28) Il apparaît dans cette équation que le courant homopolaire n’est limité que par l’inductance de fuite Lf de la machine (figure II.68).
± ± ±
+ =
− + +
= + ,0
3 , V 3 , 2V 3 V
v v v 3
v v
v0 vA B C A' B' C' DC DC DC (II-29)
2M L
Lf = + (II-30)
Ainsi, si l’inductance de fuite du moteur est faible, l’ondulation des courants est importante.
Comme la composante homopolaire de courant ne participe pas à la génération du couple, cette ondulation ne se reporte pas sur le couple mais cela implique une valeur efficace de courant majorée et des pertes supplémentaires. Pour minimiser cette composante, la commande ne devrait utiliser que les 7 états parmi 27 pour lesquels la tension homopolaire est théoriquement nulle (figure II.67) ; cela devrait également améliorer les aspects CEM.
Toutefois, comme la commutation des bras ne peut être contrôlée parfaitement (disparités de caractéristiques des interrupteurs, temps mort), la machine doit être dimensionnée pour avoir une inductance de fuite suffisante. Pour le modèle de simulation, la machine a une inductance de fuite qui vaut 20% de l’inductance de phase. En passant à 40%, l’ondulation de courant est réduite (figure II.69).
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figure II.68 : courant homopolaire dans l’onduleur double
figure II.69 : ondulation de courant homopolaire pour Lf=20%L et Lf=40%L
La commande de l’onduleur est semblable à celle d’un onduleur monophasé en pont en mode unipolaire. Comme la somme des courants de phase n’est plus nulle, il est nécessaire d’alimenter séparément les trois phases de la machine et donc de réguler le courant dans chacune des phases. Dans les simulations, les trois cellules de l’un des onduleurs triphasés sont commandées en courant par MLI intersective. Chacune des cellules du second onduleur est commandée en tension, en lui appliquant une modulante inverse de celle de la cellule en vis-à-vis. L’effet est identique à celui d’un déphasage de 180° des porteuses entre les deux onduleurs puisque les butées de modulante sont égales en valeur absolue. Cette commande diagonale permet de doubler la fréquence de découpage apparente vue par le courant de phase, comme le représente la simulation de la figure II.70, sur laquelle F1 et F2 sont les fonctions de modulation appliquées aux transistors supérieurs de deux cellules en vis-à-vis.
F1-F2 est donc représentative de la tension différentielle 3 niveaux appliquée à l’enroulement de la machine. Ainsi, pour un même niveau d’ondulation de courant, la fréquence de découpage peut être réduite de moitié, ce qui occasionne une diminution des pertes par commutation et des contraintes de CEM.
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