AVERTISSEMENT Ce document est le fruit d’un long travail approuvé par le jury de soutenance et mis à disposition de l’ensemble de la communauté universitaire élargie. Il est soumis à la propriété intellectuelle de l’auteur au même titre que sa version papier. Ceci implique une obligation de citation et de référencement lors de l’utilisation de ce document. D’autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite entraîne une poursuite pénale. Contact SCD INPL: mailto:[email protected] LIENS Code de la propriété intellectuelle. Articles L 122.4 Code de la propriété intellectuelle. Articles L 335.2 – L 335.10 http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm Nancy UniversitØ - Institut National Polytechnique de Lorraine (cid:201)cole Doctorale "Informatique - Automatique - (cid:201)lectrotechnique - MathØmatiques" DØpartement de Formation Doctorale "(cid:201)lectrotechnique - (cid:201)lectronique" TH¨SE l e PrØsentØe (cid:224) L’Institut National Polytechnique de Lorraine En vue d’obtenir le titre de i DOCTEUR DE L’I.N.P.L. t SpØcialitØ : GØnie (cid:201)lectrique par n Virginie Guennegues IngØnieur de l’(cid:201)cole Polytechnique de l’UniversitØ de Nantes Master SystŁmese(cid:201)lectroniques et GØnie (cid:201)lectrique d Contribution (cid:224) l’Øtude des convertisseurs multiniveaux destinØs aux applications (cid:28) moteurs rapides n Soutenue le 7 dØcembre 2009 Membres du jury: o Rapporteurs: M. Thierry MEYNARD M. Jean-Luc THOMAS Examinateurs: M. Alain BERTHON C M. Bernard GOLLENTZ M. Farid MEIBODY-TABAR M. StØphane RA¸L InvitØs: M. Lo(cid:239)c LECLERE M. Abdollah MIRZAˇAN M. Jean-Louis POULIQUEN ThŁse prØparØe au Groupe de Recherche en Electronique et Electrotechnique de Nancy RØsumØ Cette thŁse traite des convertisseurs multiniveaux destinØs aux applications moteurs rapides, utilisØs notamment dans le domaine de l’Oil & Gas. L’objectif est l’Øtude d’une structure qui per- mette de rØduire les pertes par commutation, en comparaison avec la topologie conventionnelle NPC (Neutral Point Clamped) 3 niveaux, actuellement utilisØe. De plus, la structure de convertis- seur doit permettre de fournir des grandeurs d’entrØe au moteur ayant un faible taux de distorsion harmonique, de maniŁre (cid:224) ne pas crØer des Øchau(cid:27)ement supplØmentaires dans le moteur. AprŁs avoir e(cid:27)ectuØ une Øtude des di(cid:27)Ørentes structures existantes, la structure NPP (Neutral Point Pi- loted)3niveauxest(cid:28)nalementretenueauvudesesdi(cid:27)ØrentesqualitØs.Ene(cid:27)et,gr(cid:226)ce(cid:224)lamiseen sØriedecomposantssemi-conducteurs,lespertesparcommutationdecesdernierssontdivisØespar deux par rapport aux composants homologues de la topologie NPC. AprŁs avoir comparØ les to- pologies NPC et NPP en termes de forme d’onde et de rØpartition des pertes dans les composants, l’auteur s’intØresse (cid:224) la validation expØrimentale de cette structure. Les performances atteintes par leconvertisseurNPPsontintØressantespuisqu’ellespermettentdecommuter(cid:224)desfrØquencesdeux fois plus ØlevØes que la topologie NPC pour un courant donnØ ou de commuter un courant plus importantpourunefrØquencedecommutationdonnØe.LesschØmasdecommutationdesdi(cid:27)Ørents composants du bras NPP sont ØtudiØs a(cid:28)n de comprendre le gain non nØgligeable obtenu sur cette structure. MalgrØ le fait que la structure NPP permette de commuter (cid:224) des frØquences deux fois plus ØlevØes que la structure NPC, on ne peut pas s’a(cid:27)ranchir du (cid:28)ltre sinus en sortie de l’onduleur de maniŁre (cid:224) respecter les contraintes harmoniques au niveau du moteur. Ainsi, une topologie de (cid:28)ltre sinus (cid:224) inductances couplØes a ØtØ introduite. Mots clØs : Convertisseur, IGBT, Onduleur NPP, Moteurs Grande Vitesse Pertes par commutation, Mise en sØrie, Filtre sinus, Inductances couplØes Abstract This PhD thesis deals with multilevel inverters dedicated to high speed motors applications, used in Oil & Gas applications. The main objective is to study a topology which enables reducing switching losses, in comparison with the conventional 3-level NPC (Neutral Point Clamped) to- pology. Moreover, the inverter has to provide motor input signals with a low harmonic distortion level, not to create undesired additional heating in the motor. After a study of the existing topolo- gies, the 3-level NPP (Neutral Point Piloted) topology is chosen regarding all its bene(cid:28)ts. Indeed, thanks to series connection of semi-conductor components, switching losses can be divided by two compared to homologous components on the NPC topology. After having compared NPC and NPP topologies in terms of waveforms and losses distribution in components, the author interest is the experimental validation of this topology. The performances reached by the NPP inverter are interesting because it enables to switch two times faster than for a NPC topology for a given current or to switch a higher current for a given switching frequency. The switching schemes of the NPP leg are studied to understand the gain obtained on this topology. In spite of the fact that switching frequency can be doubled on the NPP topology, the sinus (cid:28)lter can not be avoided in order to respect harmonic speci(cid:28)cation on the motor. A sinus (cid:28)lter with coupled inductances is introduced so that to responds the di(cid:27)erent sizing criteria. Keywords : Inverter, IGBT, NPP inverter, High Speed Motors Switching losses, Series connection, Sinus Filter, Coupled Inductances Remerciements Les travaux de recherche prØsentØs dans ce mØmoire se sont dØroulØs au laboratoire du Groupe de Recherche en Electronique et Electrotechnique de Nancy (GREEN) rattachØ au dØpartement de formation GØnie Electrique de l’Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL). Ils s’inscrivent dans le cadre d’une convention CIFRE entre le GREEN et Converteam France de Belfort. Au terme de ce travail, je tiens (cid:224) remercier : Monsieur Alain Berthon, Professeur des UniversitØs (cid:224) l’UniversitØ de Franche ComtØ, Belfort, pour m’avoir fait l’honneur de prØsider le jury. Monsieur Thierry Antoine Meynard, directeur de recherche au CNRS, pour avoir acceptØ d’Œtre rapporteur et pour l’intØrŒt qu’il a portØ (cid:224) ce travail. Monsieur Jean-Luc Thomas, Professeur du CNAM, pour l’intØrŒt qu’il porte (cid:224) nos travaux en participant (cid:224) ce jury en tant que rapporteur. Monsieur Farid Meibody-Tabar, Professeur (cid:224) l’INPL, pour avoir ØtØ mon directeur de thŁse. Ses connaissances et sa rigueur de travail m’ont beaucoup apportØ, notamment dans la phase de rØdaction. Qu’il trouve dans ces quelques lignes ma profonde sympathie. Je garderai un bon souvenir des repas au "Cottage" avec leurs dØlicieux cafØs gourmands! Monsieur StØphane Raºl, Professeur (cid:224) l’INPL, mon co-directeur de thŁse, pour son aide et conseils durant ces travaux. Monsieur Bernard Gollentz, Converteam Belfort, pour avoir encadrØ mes travaux de thŁse. Son expØrience, son savoir et sa pØdagogie ont trŁs fortement contribuØ au bon dØroulement de cette thŁse. Bernard est une mine d’idØes et est la preuve que tout se calcule! Monsieur Lo(cid:239)c Leclere, Converteam Belfort, pour son soutien, sa bonne humeur et pour l’intØrŒt qu’il a portØ (cid:224) ces travaux, tout au long de ces trois annØes. Je remercie Lo(cid:239)c pour m’avoir consacrØunepartiedesontempsetd’avoirrelulemØmoiremalgrØsonemploidutempsbienrempli. Monsieur Abdollah Mirza(cid:239)an, Converteam Belfort, "Ma(cid:238)tre", pour son soutien et son aide depuis mon arrivØe chez Converteam. Sa grande sagesse et son expØrience ont ØtØ trŁs enrichissantes. Je le remercie pour sa patience et sa rigueur lors de la lecture du mØmoire. Monsieur Jean-Louis Pouliquen, Converteam Belfort, pour l’intØrŒt qu’il a portØ (cid:224) mes travaux de thŁse et pour le r(cid:244)le moteur qu’il a tenu lors du dØveloppement de la solution NPP au sein de Converteam. Mes remerciements vont Øgalement (cid:224) l’ensemble des personnes que j’ai cotoyØes (cid:224) l’ENSEM. Je tiens en particulier (cid:224) remercier Latifa Zoua pour son aide et sa grande e(cid:30)cacitØ. Toujours prŒte (cid:224) rendre service. Je remercie Øgalement Sylvie Colinet et Christine Pierson pour leur aide et notamment Christine pour m’avoir aidØ lors de mon "sØjour"’ (cid:224) Nancy. Je remercie les vi 0. doctorants du GREEN pour leur sympathie. Je ne pourrais pas ne pas remercier mes collŁgues de travail de Belfort! C’est une vraie petite famille que j’ai trouvØ en quittant ma Bretagne. L’ambiance et le dynamisme qui rŁgne au sein du service et trŁs motivante. La liste exhaustive riquerait d’Œtre longue, donc je me limiterai (cid:224) quelques personnes. Je tiens tout d’abord (cid:224) remercier chaleureusement Serge Gessa (Mick Giver) pour sa grande aide, son e(cid:30)cacitØ et sa rapiditØ : aussit(cid:244)t dit, aussit(cid:244)t fait! Je garderai un trŁs bon souvenir des essais e(cid:27)ectuØs sur le prototype MV7306. A refaire! Avec Serge, rien n’est impossible. Son expØrience et sa ma(cid:238)trise ne peuvent que motiver les personnes qui travaillent (cid:224) ses c(cid:244)tØs. Je remercie vivement SØbastien DuchŒne (Mick Giver junior ou encore Mitch Buchannon) pour son aide lors des validations expØrimentales. Sa mØthodicitØ et son e(cid:30)cacitØ ont permis que lesessaissurlamaquettebassetensionsedØroulenttrŁsrapidement.JetiensØgalement(cid:224)souligner son soucis du dØtail et sa crØativitØ artistique mise au pro(cid:28)t de cette maquette! J’adresse Øgalement mes remerciements (cid:224) Vincent Masson pour son soutient pendant cette thŁse et sa bonne humeur. Promis, maintenant nous aurons le temps de jouer (cid:224) la guitare, en(cid:28)n, essayer de jouer... Et les KØnyans n’ont qu’(cid:224) bien s’entra(cid:238)ner pour le marathon de Paris car nous y serons! (Il faut toujours se donner des objectifs pour avancer, mŒme les plus inatteignables). JeremercieØgalementChristopheConilhpoursonaideetsesconseilsavisØsdejeunedocteur. SonaccentduSudnousapportedusoleil,etonnerisquepasdeler(cid:226)teravecsavoixquiportetelle un mØgaphone! Je disais accent du Sud de fa(cid:231)on Øvasive car Christophe est tant(cid:244)t Bordelais pour le football (Heureusement que ce Breton de Gourcu(cid:27) est dans l’Øquipe! :) ), tant(cid:244)t Toulousain pour le rugby, tant(cid:244)t Marmandais pour les tomates. Plus sØrieusement, Christophe m’a beaucoup aidØ pendant la thŁse et j’ai eu l’honneur d’utiliser son magni(cid:28)que banc de test monocoup pour rØaliser mes tests. Je pro(cid:28)te de la transition pour remercier le "Padawan" de Christophe, (cid:224) savoir ClØment Garret qui m’a beaucoup aidØ lors de ces fameux essais monocoup. Sa rigueur et sa motivation m’ont ØtØ trŁs utiles dans les moments un peu "speed". Je remercie Øgalement Luis Carlos Pacheco Jimenez de la vida. Avec sa bonne humeur et son petit accent, Luis participe (cid:224) la bonne ambiance. Je n’oublie pas notre super Dany, encore appelØ Mister Gyrod. J’ai enrichi mon vocabulaire depuisquejeleconnais,maiscen’estpasforcØmentlelangagesoutenu.SeulBelfortainpuresouche du groupe, Daniel a Øgalement beaucoup contribuØ (cid:224) la bonne ambiance gr(cid:226)ce (cid:224) ses nombreuses anecdotes, notamment sur La Gamine. Je remercie Olivier Dirand qui m’a donnØ beaucoup de conseils durant ces 3 annØes. Olivier a une rigueur de travail qui se retrouve dans ses programmes qui sont de vraies oeuvres d’art! Je remercie Øgalement Philippe Perret (Monsieur qualitØ) pour son soutien, et son aide pour remplir les di(cid:27)Ørentes et non moins compliquØes ((cid:224) mon point de vue) feuilles de reporting et d’analyses de risque. Je remercie l’ensemble du service R&D de Belfort, notamment, Franck Terrien, l’Antoine Mermet (Mister FPGA), les insØparables Richard Baumgartner et Eric Guette, tous deux trŁs mØthodiques et trŁs trŁs rigoureux, JØr(cid:244)me DelanoØ (dorØnavant Monsieur Self). Je remercie Øgalement Romain Heinrich, CØdric Cavoy (sportif de l’extrŒme) et Moctar Coulibaly. Mille excuses (cid:224) ceux que j’ai oubliØs! Je remercie (cid:224) prØsent mes parents pour m’avoir toujours soutenu et pour la con(cid:28)ance qu’ils m’ont tØmoignØe durant toutes ces annØes. Mes derniers remerciements ("at last but not least" :) ) seront pour RØgis qui n’a cessØ de me soutenir durant cette thŁse. Je te remercie de tout mon coeur pour tes encouragements et ta patience, notamment durant la phase de rØdaction. Une page se tourne mais ce n’est que le dØbut d’un long roman. Dans le prochain chapitre, j’aurai la chance de porter ton nom. vii A mes parents, A RØgis, l’amour de ma vie, A mon frŁre Yann, parti trop t(cid:244)t. Table des matiŁres 1 Etat de l’art des topologies multiniveaux 9 1.1 IntØrŒt des onduleurs multiniveaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Les structures des convertisseurs multiniveaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.1 L’onduleur Neutral Point Clamped ou NPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.1.1 L’onduleur NPC 3 niveaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.1.2 L’onduleur NPC 5 niveaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.2 L’onduleur Neutral Point Piloted ou NPP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2.2.1 Description dØtaillØe des sØquences de conduction et commutation des composants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.2.2 NØcessitØ de disposer d’un systŁme d’Øquilibrage des tensions des composants en sØrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.2.3 Le convertisseur (cid:224) capacitØ (cid:29)ottante ou convertisseur multicellulaire . . . . 23 1.2.4 Le convertisseur multicellulaire superposØ SMC . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.2.5 L’onduleur Active Neutral Point Clamped ou ANPC . . . . . . . . . . . . . 27 1.2.6 L’onduleur Multiple Point Clamped ou MPC . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.2.7 L’onduleur SNPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.2.8 Les convertisseurs rØsonants ARCPI (Active Resonant Commutated Pole Inverter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.3 Les associations de convertisseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.3.1 Les convertisseurs "cascade" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.3.2 Le convertisseur 5 niveaux en connexion pont-H et parallŁle . . . . . . . . . 34 1.3.2.1 La connexion pont-H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.3.2.2 La connexion parallŁle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.4 Comparaison de plusieurs topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.4.1 Comparaison gØnØrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.4.2 Comparaison au niveau des pertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.4.3 SynthŁse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.5 Les techniques de MLI appliquØes aux onduleurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.5.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.5.2 MLI prØcalculØe (cid:224) SØlection d’Harmoniques (cid:224) Eliminer (SHEPWM) . . . . 41 1.5.3 MØthode de MLI sinuso(cid:239)dale ou sous-harmonique (SPWM) . . . . . . . . . 43 1.5.4 La MLI H3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 1.5.5 La MLI discontinue GDPWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 1.5.6 La modulatrice Toggle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 1.5.7 Evolution du THD de tension de sortie de l’onduleur selon les MLI utilisØes 47 1.5.8 Les di(cid:27)Ørentes formes de porteuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 1.6 PrØsentation gØnØrale du convertisseur NPC 3 niveaux commercialisØ par Conver- team : le MV7000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 1.6.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 1.6.2 PrØsentation du convertisseur MV7000 NPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 1.6.2.1 Le MV7000 en con(cid:28)guration ’stand alone’ . . . . . . . . . . . . . . 51 1.6.2.2 L’armoire MV7000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 ix