Thesis (PhD (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: The multicell inverter, being a widely used multilevel converter, has received much attention in recent years due to problems associated with cell capacitor voltage. In this dissertation we study the balancing problem with a focus on steady-state unbalance. This is achieved by systematic and mathematically rigorous study of the natural balancing mechanisms of the three-phase 2-cell and 3-cell multicell converter, undertaken by using dynamic modelling of the multicell converter, Bennet’s geometric model, steady-state and time constant analysis. Space vector analysis is also performed for the three-phase 2-cell multicell converter. The theory is verified by comparing theoretical results with simulation results / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die multisel omkeerder as algemeen-gebruikte meervlakkige omsetter het die afgelope jare groot belangstelling gewek op grond van die probleme wat met selkapasitor stroomspanning geassosieer word. In hierdie proefskrif word die balanseringsprobleem met die klem op die ewewigswanbalans bestudeer. Dit is verrig deur ’n sistematiese en streng wiskundige studie van die natuurlike balanseringsmeganismes van die drie-fase 2-sel en 3- sel multisel omsetter te maak. Dit is gedoen deur die gebruik van dinamiese modellering van die multisel omsetter, Bennet se geometriese model, ewewigtoestand tydkonstante analises, en ruimtevektoranalise is vir die drie-fase 2-sel multisel omsetter gedoen. Die teorie word bevestig deur die teoretiese resultate met die simuleringsresultate te vergelyk

Les travaux de cette thèse portent sur l'analyse des comportements chaotiques dans les convertisseurs multicellulaires séries. Ces systèmes à commutationpeuvent présenter une variété de phénomènes complexes liés à des bifurcationset au chaos. Sachant qu'un convertisseur de puissance qui a une charge purementdissipative, ne peut générer un comportement chaotique, nous avons dans la première partie de cette thèse, connecté un hacheur à deux cellules à une charge non linéaire non strictement dissipative et nous avons analysé ses comportements à l'aide des propriétés dynamiques de base et présenté les routes vers le chaos. La fin de cette partie a été consacrée à l'étude du hacheur à cinq cellules qui est une généralisation du hacheur à deux cellules. Afin de supprimer le comportement chaotique, la deuxième partie du travail a été consacrée à la synthèse d'une loi de commande hybride basé sur la modélisation par réseaux de Petri pour la régulation des tensions des condensateurs flottants et du courant de charge. / This thesis deals with the analysis of chaotic behaviors in serial multicellularconverters. These switching systems can have a variety of complex phenomenaassociated with bifurcations and chaos. Knowing that a power converter that has a purely dissipative load cannot generate chaotic behavior, we've in the first part of this thesis, we connected a two-cell chopper to a nonlinear load not strictly dissipative and we've analyzed its behaviors by using some basic dynamic properties and thus presented the routes to chaos. The end of this part was devoted to the study of the 5-cell chopper which is a generalization of the two-cell chopper. In order to eliminate the chaotic behavior, the second part was devoted to the synthesis of a controlled law based on hybrid modeling of Petri nets for the regulation of capacitor voltages and current load.

Dans ce travail de thèse, réalisé dans le cadre d'une bourse CIFRE entre le laboratoire ECS-Lab et l'entreprise GS Maintenance, nous nous sommes intéressés au contrôle et à l'observation des systèmes électriques, particulièrement les convertisseur multicellulaires séries et les moteurs à courant continu série.Dans la topologie des convertisseurs multicellulaires il est nécessaire d'équilibrer les tensions des condensateurs flottants à des valeurs spécifiques. Les techniques de commande par Modulation de Largeur d'Impulsions (MLI) permettent cet équilibrage, mais favorisent les dynamiques lentes. De plus, si le nombre de cellules est non premier, il existe des rapport cycliques qui déstabilisent le convertisseur. Afin de pallier à ces inconvénients, dans la première partie de la thèse des commandes directes basées sur les modes glissants sont proposées pour le convertisseur multicellulaire série à deux et trois cellules. Ces commandes sont simples et permettent une dynamique rapide, pouvant être étendues à des convertisseurs à nombre de cellules quelconque. Ces commandes sont testées en simulation et expérimentalement via un système temps réel dSpace sur un convertisseur multicellulaire à deux et trois cellules réalisé au cours de cette thèse au sein du laboratoire ECS-Lab. Il est important de souligner qu'une version industrielle du convertisseur a été réalisée au sein de l'entreprise GS Maintenance et vendue à l'Université du Qatar.Par ailleurs, dans le cadre de l'application du convertisseur multicellulaire une commande par modes glissants de type Zig-Zag est proposée pour pallier aux problèmes de quantification et saturation des actionneurs.La deuxième partie du travail a été consacrée à la synthèse d'un observateur/estimateur de type super-twisting pour estimer la vitesse d'un moteur à courant continu série sans capteur mécanique. La stratégie d'observation proposée est dédiée à une application industrielle qui concerne le forage pétrolier. Elle permet d'apporter une solution au problème d'observation généré par le fonctionnement à zéro ou faible courant. Cette stratégie a été testée sur un banc expérimental développé au cours de cette thèse au sein de l'entreprise GS Maintenance. / In this thesis , conducted in the context of a grant CIFRE between laboratory ECS-Lab and the company GS Maintenance, we focused on the control and observation of electrical systems, particularly multicellular converter series and the series DC motor.The floating voltages of the multicell topology need to be balanced to specific values. PWM control techniques provide such a balance but favor the slow dynamics. Moreover, if the numbers of cells is not prime, there exist duty-cycles which could destabilize the converter. To overcome these drawbacks, we propose direct control strategies based on sliding mode techniques for 2 and 3-cell converters. These are simple, allow fast dynamics, and can be easily extended to any number of cell with little overhead. They have been tested in simulation and experimentally via a real-time dSpace board on a 2 and 3-cell converter develloped during this thesis at ECS-Lab. It is important to emphasize that an industrial version of the converter has been manufactured at GS Maintenance and sold to Qatar University.Moreover, in the context of the appication of multicell converters, a Zig-Zag sliding mode control law has been proposed to overcome quantization and saturation problems found in real actuators.The second part of this work adresses the synthetization of an super-twistign observer/estimator scheme to estimate the speed of a sensorless DC series motor. The proposed observation strategy is dedicated to an industrial application in the context of oil drilling. It provides a solution to the problem of observation generated by operating at zero or low current. This strategy has been tested on an experimental bench developed in this thesis within GS Maintenance.

Les structures de conversion multiniveaux permettent de convertir en moyenne tension et forte puissance. Celles-ci sont construites à partir de cellules de commutations et permettent d’augmenter le courant et la tension en entrée ou en sortie. Ces structures sont appelées multiniveaux car les formes d’ondes des tensions en sortie permettent d’avoir plus de deux niveaux de tension différents. Les différentes structures peuvent être classées dans différentes catégories tel que la mise en série de pont en H, les convertisseurs multicellulaires série ou parallèle ou encore les structures utilisant le fractionnement du bus continu. Toutes ces structures ont des propriétés et applications différentes, même si certaines structures ont des propriétés communes. Il est aussi possible de créer de nouvelles structures en mixant les différentes structures de bases des différentes familles de convertisseurs multiniveaux ou en assemblant les structures de base de la conversion statique. Même si l’utilisation de structure de conversion multiniveaux permet de convertir à forte puissance, celle-ci n’est pas toujours aisée. En effet l’augmentation du nombre de niveaux ou de la tension d’entrée implique également une augmentation du nombre de composants semiconducteurs. Ceci peut être un frein à l’utilisation de convertisseur multiniveaux. Pour cela une nouvelle structure utilisant des composants partagés entre les différentes phases est proposée afin de limiter leur nombre. Un autre problème important lié aux convertisseurs multiniveaux est l’équilibrage des tensions des condensateurs du bus continu si celui-ci est composé de plus de deux condensateurs mis en série. Pour cela plusieurs solutions sont possibles : soit en utilisant une commande spécifique utilisant la modulation vectorielle, soit en utilisant des structures auxiliaires qui ont pour but d’équilibrer les différentes tensions des condensateurs. Dans une dernière partie ont été proposées de nouvelles structures qui permettent à la fois d’augmenter le courant de sortie et la tension en entrée en utilisant les principes des structures de base des convertisseurs multicellulaires série et parallèle. De plus, ces structures ont des propriétés intéressantes sur les formes d’ondes de sortie. De ces structures a été conçu un prototype permettant de valider les résultats de simulation. Une commande numérique implantée sur FPGA a été réalisée et a permis d’avoir des résultats expérimentaux intéressants. / This PhD Thesis deals with the study of new multilevel structures. At the beginning of this work, a new methodology to create new multilevel structures has been conceived. To evaluate the performances of these structures, there are many possibilities: number of output voltage levels, number of components, and the quality of the converters’ output waveforms. The list of criteria is not exhaustive. One technique to obtain an output multilevel waveform is to split the DC link in several capacitors. There is a limitation since putting more than two capacitors in serial connection leads to an unbalancing of these voltage capacitors. Several solutions are possible to balance these voltages. The first one uses the control of the structure in a three phase application, using a space vector modulation and minimizing the energy stored in the DC link. The second solution consists in using auxiliary circuits, which realize an energy transfer between one capacitor to another through an inductor. The drawback of this method is the high number of components. This problem can be reduced sharing some components between the three phases of the converter. The third part of this study is related to multicell converters, structures with very interesting good properties. New converter structures mix serial and parallel multicell converters, to obtain a hybrid converter with similar performances to the two basic converters. An experimental prototype was built to validate the results of the PhD. The digital control of this hybrid structure was made with a FPGA where two DSP processors were implemented.