Comparaison des topologies

Les résultats des différentes topologies sont représentés à la figure IV.26. Le facteur de dimensionnement silicium FdimSi représente le rapport entre la puissance de dimensionnement des interrupteurs et la puissance du convertisseur. Il constitue un indicateur du coût en silicium du convertisseur.

DCmax p

1 i

i_max i_max dimSi

P V I F

∑

⋅

= (IV-25)

Ce facteur est peu intéressant pour le convertisseur de référence, à cause notamment de la valeur élevée de la tension continue à partir de laquelle le hacheur résistif est enclenché. Il est encore supérieur pour le redresseur actif, dont les calibres en courant et tension de chacun des 12 interrupteurs sont dimensionnés pour la puissance maximale.

L’indice d’intégration est défini par le rapport du nombre de puces sur le nombre de boîtiers. Il témoigne de la réduction du nombre de boîtiers et de la densité de puces qu’ils contiennent. Ce critère est favorable au redresseur MLI et au pont de diodes auto-commuté.

Toutefois cet indice peut être encore plus élevé pour la solution de référence, s’il y a un composant sur étagère répondant aux spécifications, puisqu’il existe des modules qui intègrent un pont de diodes triphasé et un hacheur rhéostatique.

figure IV.26 : dimensionnement électronique figure IV.27 : rendement énergétique

Etage de conversion alternatif-continu

Enfin, le facteur de mérite est le rapport de l’indice d’intégration par le facteur de dimensionnement silicium, il synthétise donc le potentiel d’intégration de la topologie. Il est nettement à l’avantage du pont de diodes auto-commuté, puisque cette topologie compte à la fois un nombre de puces réduit et une puissance silicium installée restreinte. Ensuite, le pont de diodes avec stockage puis le redresseur actif restent préférables sur ce critère à la topologie de référence.

IV.6.4.2 Rendement énergétique

Le rendement énergétique de l’étage d’entrée du convertisseur est défini par le rapport de l’énergie électrique absorbée par l’onduleur sur l’énergie fournie par le réseau. Il est calculé à partir des pertes dans les semi-conducteurs et les composants résistifs pour les deux profils de mission représentatifs du fonctionnement thermique des différents éléments des convertisseurs (figure IV.27).

Les résultats font apparaître l’avantage du pont de diodes sur le redresseur actif en cas de faible réversibilité en puissance de l’actionneur (profil A). Par contre si une puissance conséquente est générée par la machine synchrone, sa dissipation dégrade considérablement l’efficacité de l’étage d’entrée du convertisseur de référence (réduction de 39% pour le profil B). Les redresseurs réversibles permettent de limiter aux seules pertes des composants la puissance dissipée en phase de freinage et ainsi d’améliorer substantiellement le rendement.

Le pont de diodes auto-commuté est beaucoup plus efficace, puisque les phases de fonctionnement moteur, pour lesquelles son rendement est celui d’un pont de diodes classique, requièrent une puissance bien supérieure aux phases de fonctionnement générateur.

Enfin, la topologie avec le système de stockage permet également de bénéficier d’un rendement élevé.

IV.6.4.3 Bilan de masse

Le bilan de masse global comprend la contribution des composants passifs (hormis les filtres de mode commun) et celle des dissipateurs. Pour cette dernière, deux estimations sont établies selon le critère de dimensionnement thermique.

Dans le cas de l’équipement considéré, le flux de chaleur moyen à dissiper est avant tout déterminé par la charge d’arrêt de l’actionneur, pour laquelle l’onduleur voit des courants élevés (cf. IV.6.1). Ce point de fonctionnement ne requiert qu’une faible puissance d’entrée et donc de faibles intensités dans le redresseur. A l’inverse, pour le régime thermique permanent dimensionnant le redresseur, les pertes de l’onduleur sont nettement réduites. Ainsi, la surface d’échange du dissipateur imposée par la charge d’arrêt couvre les besoins de refroidissement du redresseur en régime thermique permanent. Par conséquent, l’influence de la topologie de l’étage d’entrée sur le dimensionnement thermique du convertisseur est établie à partir du régime thermique transitoire. L’estimation de la masse correspondante du radiateur est déterminée par la quantité de chaleur qu’il doit pouvoir stocker (cf. IV.6.2.2).

Ce bilan de masse est favorable aux topologies proposées par rapport au pont de diodes avec hacheur rhéostatique (figure IV.28). En particulier, les étages d’entrée les plus

Chapitre IV

figure IV.28 : bilan de masse avec le critère de régime thermique transitoire

figure IV.29 : bilan de masse avec le critère de régime thermique permanent

Les évolutions plausibles des réseaux de bord peuvent amener à envisager le cas d’un onduleur distant de l’étage d’entrée du convertisseur, comme cela pourrait se produire avec une distribution continue haute tension (cf. I.1.2.8). Un second bilan de masse est alors établi en dimensionnant le dissipateur sur le critère du régime thermique permanent (cf. IV.6.2.1). Il apparaît que les pertes conséquentes du redresseur MLI imposent une surface d’échange importante, qui se répercute sur la masse du dissipateur (figure IV.29). Par contre, les deux autres topologies entraînent une réduction de masse de 29% (système de stockage) et de 40%

(pont de diodes auto-commuté) par rapport au convertisseur de référence.

Bien sûr, ces estimations de masse sont approximatives et elles ne prennent pas en compte les diverses optimisations pouvant être attendues dans le cadre d’un développement industriel. L’objectif est simplement de proposer un ordre de grandeur des bénéfices potentiels des topologies. En conclusion, les avantages et inconvénients des différentes chaînes de conversion sont récapitulés dans le tableau suivant.

Etage de conversion alternatif-continu

Avantages Inconvénients

Pont de diodes et hacheur résistif

•Simplicité, fiabilité

•Pas d’alimentation extérieure ni de commande (sauf hacheur rhéostatique avec capteur VDC)

•Pollution harmonique du réseau

•Variations importantes de la tension continue

•Rendement énergétique

•Masse du dissipateur

Redresseur actif

•Absorption sinusoïdale de courant

•Réversibilité intrinsèque

•Réglage de la tension continue

•Contrôle du facteur de puissance

•Robustesse aux perturbations réseau

•Potentielle amélioration de la disponibilité fonctionnelle (tolérance de panne, filtrage réseau en cas d’actionneurs en redondance semi-active)

•Renvoi d’énergie sur le réseau pas encore autorisé

•Complexité, fiabilité, coût

•Au moins 2 capteurs de courant et 1 de tension + synchronisation avec la tension réseau

•Dimensionnement CDC

•Masse des inductances (MD et MC)

•Pertes et masse du dissipateur

Pont de diodes et système de stockage

•Faible masse

•Potentiel sous dimensionnement du redresseur et du câblage

•Pas d’élévation de tension continue

•Complexité, fiabilité, coût

•2 à 4 capteurs

•Volume du système de stockage

•Pollution harmonique du réseau (identique au convertisseur de référence)

Pont de diodes auto-commuté

•Forte compacité

•Ni capteur ni alimentation externes

•Réversibilité intrinsèque

•Pas d’élévation de tension continue

•Dimensionnement réduit des transistors

•Renvoi d’énergie sur le réseau pas encore autorisé

•Maturité industrielle

•Pas de contrôle de la tension continue, sensibilité aux transitoires de charge

•Pollution harmonique du réseau (identique au convertisseur de référence)

Tableau IV-5 : synthèse comparative des topologies

Chapitre IV