Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie électrique : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3913. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 127-134.

Thèse de doctorat : Génie électrique : INPL : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

Ce mémoire présente le travail de thèse réalisé auprès des laboratoires LAPLACE et SATIE ainsi que les services EDYNE3 et EDYYLIC d'AIRBUS OPERATIONS. Le sujet porte sur les problèmes CEM apparaissant dans les convertisseurs de puissance embarqués à bord des futurs avions plus électriques. Le manuscrit est composé de cinq parties. La première partie, d'introduction, traite de la problématique CEM avion, la deuxième de la modélisation des éléments de la chaine de conversion DC/AC étudiée. Le troisième est composé d'une étude comparative par simulation des différentes solutions. La quatrième partie traite de la réalisation de la solution choisie et enfin le cinquième et dernier chapitre de l'étude expérimentale de celle-ci. / The studies conducted during this thesis deals with conducted EMC problems of an inverter associated to its actuator. Accurate high frequency models of every element of the DC/AC converter and actuator have been realised from measures. Then a comparative study of different topologies of converters have been led from simulations in order to determine the best solution minimising EMC current. The selected inverter was realised and the experimental results were compared to simulations validating them. Finally, a comparison of EMC filters architecture led to choose a better solution in order to avoid the increasing of mass.

Parmi les convertisseurs d'électronique de puissance, les variateurs de vitesse utilisés pour l'alimentation des machines électriques sont source de perturbations électromagnétiques à haute fréquence telles que les courants de mode commun et les surtensions aux bornes des moteurs. Le travail porte sur la réduction de ces perturbations par l'emploi d'un convertisseur multiniveaux associé à de nouvelles lois de commande rapprochée. Après un état de l'art des méthodes d'atténuation existantes, l'onduleur à trois niveaux de type neutral-point-clamped (NPC) est retenu comme structure de conversion continu-alternatif et une nouvelle stratégie de modulation de largeur d'impulsion (MLI) est développée en vue de réduire les courants de mode commun générés par l'onduleur. Les phénomènes entrant en jeu dans les commutations des interrupteurs de puissance sont analysés et modélisés afin d'établir des contraintes de commande permettant de maximiser les performances de la MLI proposée. Parallèlement, l'utilisation de câbles longs entre le variateur et la machine soulève une contrepartie vis-à-vis des surtensions moteur qui est maîtrisée par l'exploitation adéquate des degrés de liberté de la nouvelle MLI. Enfin, la problématique de régulation du point milieu capacitif du bus continu est abordée. La stratégie proposée est implantée expérimentalement par l'intermédiaire d'une modulation naturelle par porteuses, et les résultats de mesure montrent un gain de cinq décibels sur les courants de mode commun par rapport aux stratégies classiques tout en limitant les surtensions générées aux bornes du moteur et en assurant l'équilibrage du bus continu.

Les convertisseurs d'électronique de puissance sont de plus en plus exploités notamment dans les applications nécessitant la variation de vitesse de machines. L'utilisation de composants plus performants et plus puissants couplés à de nouvelles structures multiniveaux autorise l'accès à de nouveaux champs applicatifs, ou des fonctionnements à plus haut rendement. Ces convertisseurs statiques sont capables de gérer, par un pilotage adapté, les transferts d'énergie entre différentes sources et différents récepteurs selon la famille de convertisseur utilisée. Au sein de l'interface de pilotage, un schéma particulier permet de générer des signaux de commande pour les interrupteurs, il s'agit de la modulation et peut être vue par deux approches différentes : L'approche intersective issue d'une comparaison modulante-horteuse (appelée en anglais carrier based PWM) et l'approche vectorielle où les signaux de pilotage des trois bras de ponts sont considérés comme un vecteur global unique (appelée Modulation Vectorielle SVM). Le but de la MLI est de générer une valeur moyenne de la tension la plus proche possible du signal modulé. La commande usuelle par comparaison modulante-porteuse dans le cas des architectures multiniveaux nécessite autant de porteuses triangulaires qu'il y a de cellules à commander au sein d'un bras. Plus généralement, la stratégie de modulation de chacune des topologies multiniveaux est choisie en se basant sur des critères à optimiser liés à la qualité les formes d'ondes produites ou obtenues, suite à la conversion. Le choix de la variable de commande à implémenter dans le schéma MLI fait appel à l'expertise de l'expérimentateur et se réfère peu au modèle mathématique initial qui peut-être établit pour caractériser le fonctionnement de l'architecture d'électronique de puissance. En ce qui concerne les stratégies vectorielles SVM, une absence de modèle compatible avec les modèles, basés sur une comparaison modulante porteuse, d'onduleurs est constatée. Les types d'onduleurs triphasés à deux ou à N niveaux de tension admettent un modèle sous forme d'équations d'un système linéaire compatible qui s'écrit sous la forme V = f(a) dans le cas d'une MLI sinusoïdale et V = f(1) dans le cas d'une SVM, avec V les tensions de phase, a les rapports cycliques et f les instants de commutation. Dans cette configuration basique il est constaté que la matrice liant ces tensions aux rapports cycliques (ou aux instants de commutation) n'admet pas d'inverse, ce qui revient à dire qu'il n'est pas possible, avec les théories usuelles des fonctions linéaires, de résoudre ce système afin d'exprimer les rapports cycliques (ou les instants de commutation) en fonction des tensions de références. C'est ce qui explique qu'aujourd'hui un bon nombre d'implémentations pratiques de modulation se fait, suite à une analyse expérimentale des conséquences d'un choix de stratégie sur les variables d'intérêt. / The power electronic converters are increasingly exploited in particular in applications requiring variable speed machines. The use of more effcient and more powerful components coupled with new multilevel structures widens the fields of application and allows high efficiency functioning. These converters are able to manage, with a suitable control, the energy transfer between different sources and different receivers depending on the used converter family. In the control interface, a particular pattern is used to generate control signais for the switches, it is the modulation. Generally, the modulation strategy takes two forms : a Modulation based on comparaison modulating - caiTier (Carrier based Pulse Width Modulation, (CPWM)) or a Vector Modulation (SVM). The purpose of the PWM is to generate a signal which has a mean value as nearest as possible to the desired sinusoidal signal. The usual control by PWM, in the case of multi-level architectures, requires as many triangular carriers as there are cells to be controlled within an arm. The modulation strategy selection for each multilevel topology is based on optimizing criterias related to the quality of the produced waveforms after the conversion. The choice of the variable to implement in the PWM scheme requires expertise of the experimenter and refers little to the initial mathematical model that can be established to characterize the operation of the power electronics architecture. Concerning the vector strategies SVM, the lack of a compatible model with PWM inverters is observed. The three-phase inverters with two or N voltage levels can be modeled in the form of equations of a compatible linear system that is written as V= f(a) in the case of a sinusoïdal PWM and V= f(1) in the case of SVM, with V represents phase voltages, ais a duty cycle and fthe switching instants. In this basic configuration, it is found that the matrix linking these voltages duty cycles (or switching times) adrnits no inverse, which means that it is not possible with the usuallinear functions theories to solve this system in order to express the duty ratios (or the instants of switching) as a function of the reference voltages. This is the reason that today a number of practical implementations of modulation is done after experimental analysis of the consequences of strategy choices on the variables of interest. This study proposes the development of a generic formulation for the modeling of voltage inverters and especially multilevel inverters. The development of generic models for the implementation of modulation strategies is illustrated. The extension of the average model to the three-phase systems is performed to the usual structures of N levels such as the floating capacity and H bridge inverters. The idea is to generalize the model to the multi-level architectures, whether by the sinusoidal PWM modulation expressing the alpha as an output variable, or by the SVM expressing tau. This thesis aims to define a modeling approach and mathematically express the set of solutions in order to generate modulation strategies for various architectures of inverters studied. This will be done using a tool for solving linear systems. This resolution is based on finding degrees of freedom, to be identified at first, then express them in a second step by establishing the link with the criteria to optimize for given architectures. Two examples of application have been implemented on conventional two levels of voltage inverters and the thtree levels flying capacitor voltage inverter.

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Le volume des convertisseurs électroniques de puissance devient lié, dans une part importante aux composants passifs qui le constituent. En particulier, les condensateurs de découplage constituent une part non négligeable de ce volume. En outre, les évolutions technologiques des composants passifs et particulièrement la densité d'énergie des condensateurs de découplage s'accroit beaucoup moins vite que la densité de puissance des composants actifs auxquels ils sont associés (transistors de puissance). D'autre part, la technologie à film plastique utilisée représente une masse non recyclable qu'il est essentiel de minimiser. Leur rôle est néanmoins fondamental pour le fonctionnement de l'ensemble. Une réduction trop importante de leur valeur conduit à une augmentation de perturbations conduites et rayonnées, voire à une instabilité non contrôlée du bus de tension du véhicule. Cette instabilité, pouvant générer des surtensions importantes, pourrait conduire à une destruction du variateur. Dans certains cas, cette démarche de dimensionnement est compliquée par le fait que d'autres systèmes abonnés au bus source de tension continue participent également aux perturbations conduites, en particulier un deuxième variateur triphasé à découpage. Dans ce cas, un partage du même condensateur de découplage peut-être envisagé. Ceci dit, on est confronté à deux problèmes couplés : - D'une part, le dimensionnement des condensateurs reste lié au courant efficace (du point de vue de l'auto échauffement aussi bien que de l'ondulation de tension qui est également liée à la capacité, autre critère dimensionnant) qu'ils seront amenés à supporter. Il est donc souhaitable de mettre en œuvre des stratégies de réduction de ce courant. - D'autre part, la faible résistance série a tendance à réduire de manière importante le facteur d'amortissement de l'impédance de bus continu vue par l'entrée de l'onduleur. Il convient alors de s'assurer de la maîtrise de la résonance du bus dans une telle situation. Ce travail de recherche explore deux approches complémentaires permettant de minimiser la taille des condensateurs requis et de maîtriser les ondulations de tension à l'entrée du convertisseur : - Développer une stratégie de modulation aussi satisfaisante que possible pour le pilotage d'un onduleur triphasé classique à deux niveaux et trois bras de pont. La contrainte supplémentaire, liée aux risques de résonnance du bus continu, doit être analysée et sera un des objectifs des travaux proposés. - Etudier l’impact que peut avoir une stratégie de modulation sur l’ensemble de la chaine de traction électrique. Des contraintes additionnelles liées à la stratégie de modulation d'un variateur de vitesse automobile sont aussi prises en comptes comme par exemple : - La compensation des effets non-linéaires qui sont dus au comportement de l’onduleur de tension ; - La minimisation du stress exercé sur le condensateur de découplage partagé de manière commune entre deux onduleurs de tension, en termes d’ondulation de tension à ses bornes et de la valeur efficace du courant absorbé. Les résultats théoriques ont été validés expérimentalement sur deux bancs de tests : un premier dédié pour des essais à faible puissance sur une charge passive et un deuxième, monté au site de Lardy de Renault, dédié pour des essais à haute puissance sur une charge réaliste. / The volume of the electronic power converters becomes linked, in a large part, to the passive component which constitute it. In particular, the decoupling capacitors are a significant part of this volume. Moreover, the technological evolutions of the passive components and in particular the energy density of the decoupling capacitors increase much less rapidly than the power density of the active components to which they are associated. On the other hand, the plastic film technology used represents a non-recyclabl mass which it is essential to minimize. The role of the film capacitor is nevertheless fundamental for the functioning of the whole inverter. Too much reduction of their value leads to an increase in conducted and radiated disturbances, or to an uncontrolled instability of the vehicle DC bus voltage. This instability, which can generate significant overvoltages, could lead to a destruction of the switching power devices of the voltage source inverter. In some cases, this design approach could become complicated when other systems could be connected t the same DC voltage source bus, such as a second voltage source inverter. Hence, the same DC link capacitor is shared between the two inverters. Thus, it becomes much solicited and conducted disturbances may be generated. That said, we are confronted with two coupled problems. On the one hand, the design of the capacitors remains linked to the RMS current. It is therefore desirable to implement strategies to reduce this current. On the other hand, the low series resistance tends to reduce significantly the damping factor of the DC bus impedance seen by the input of the inverter. Hence, it is then necessary to ensure control of the resonance of the bus in such a situation. This research explores two complementary approaches to minimize the size of the required capacitors an to control the voltage ripples at the input of the converter: - Develop a P WM strategy that is as satisfactory as possible for controlling a conventional two-level three-phase inverter. The additional constraint, related to the resonance risks of the DC bus, must be analyzed and is one of the objectives of the proposed works. - Study the impact of P WM strategies on the entire electrical traction chain. Additional constraints related to the P WM strategy are also taken into account such as - Compensation for non-linear effects due to the behavior of the voltage inverter; - Minimization of the stress exerted on the decoupling capacitor commonly shared between two voltage source inverters in terms of voltage ripple across its terminals and the rms value of the absorbed current. Theoretical and simulation results have been validated experimentally on two test benches: one dedicated for low power tests on a passive load and the second one, mounted at the Lardy site of Renault, dedicated for hi h ower tests on a dynamic electrical machine.