Brevet FR2958815A1 — publié le 20111014

Procédé de commande d'un onduleur de type NPC La présente invention se rapporte à un procédé de commande d'un onduleur multiniveaux de type NPC (pour "Neutral Point Clamped"). L'invention concerne également un variateur de vitesse incluant l'onduleur de type NPC de l'invention. Un onduleur de type NPC est connu dans l'état de la technique. Il comporte notamment trois bras de commutation parallèles connectés entre une ligne positive et une ligne négative d'un bus continu (DC). Chaque bras de commutation est doté de quatre interrupteurs de puissance reliés en série, les interrupteurs de puissance étant 1 o commandés par un module de commande du variateur de vitesse à partir d'un vecteur tension de commande dans le but de commander une charge électrique. Le variateur comporte également un point milieu réalisé entre deux condensateurs connectés en série entre la ligne positive et la ligne négative du bus continu, ledit point milieu étant traversé par un courant. 15 Dans la commande d'un onduleur NPC, la difficulté principale réside dans la régulation du potentiel électrique du point milieu. En effet, le potentiel électrique du point milieu est obtenu par la division des tensions aux bornes des deux condensateurs et varie donc selon la quantité de courant délivrée à la charge. Or si le potentiel du point milieu varie beaucoup, un excès de tension apparaît aux bornes des 20 condensateurs, ce qui peut causer des instabilités ou même une détérioration de ces condensateurs. Les brevets US6795323, US6490185 ou US7495938 proposent différentes méthodes de régulation du potentiel électrique du point milieu. Cependant, ces méthodes ne sont pas adaptées lorsque l'onduleur doit fonctionner à pleine tension, ou 25 autrement dit en surmodulation. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de commande d'un onduleur de type NPC dans lequel un module de commande est apte à faire fonctionner l'onduleur en surmodulation sans dommage sur les condensateurs. Ce but est atteint par un procédé de commande d'un onduleur multiniveaux 30 de type NPC (Neutra) Point Clamped) comprenant : trois bras de commutation parallèles connectés entre une ligne positive et une ligne négative d'un bus, chaque bras de commutation étant doté de quatre interrupteurs de puissance reliés en série, les interrupteurs de puissance étant commandés par un module de commande du variateur de vitesse à partir d'un vecteur tension de commande dans le but de commander une charge électrique, - le module de commande utilisant un espace vectoriel hexagonal définissant les vecteurs tensions réalisables par les différentes combinaisons de commande des bras de commutation, lesdites différentes combinaisons de commande étant définies dans six triangles identiques couvrant l'espace vectoriel, chaque triangle de l'espace vectoriel comportant notamment deux sommets définissant un premier côté du triangle et un point intermédiaire situé sur ledit premier côté, les deux sommets et le point intermédiaire correspondant chacun à une seule combinaison de commande des bras de commutation, - deux condensateurs connectés en série entre la ligne positive et la ligne négative du bus et un point milieu défini entre les deux condensateurs, ledit point milieu étant traversé par un courant, le procédé comprenant : - une étape de détermination d'une position du vecteur tension de commande dans l'un des six triangles identiques couvrant l'espace vectoriel hexagonal, - une étape de régulation du potentiel électrique du point milieu, caractérisé en ce que lorsque l'onduleur fonctionne en surmodulation, l'étape de régulation du potentiel électrique du point milieu comporte : - une étape de détermination du signe positif ou négatif du produit entre le courant traversant le point milieu et son potentiel électrique, 25 - une étape de décomposition du vecteur tension de commande en utilisant majoritairement le vecteur tension de l'espace vectoriel joignant ledit point intermédiaire du triangle lorsque le signe du produit est négatif ou en utilisant les deux vecteurs tension joignant lesdits deux sommets du triangle lorsque le signe du produit est positif. 30 Selon une particularité, lorsque le signe du produit entre le courant traversant le point milieu et son potentiel électrique est positif, l'étape de décomposition du vecteur tension de commande utilise de manière minoritaire le vecteur tension de l'espace vectoriel joignant le point intermédiaire du triangle. Selon une autre particularité du procédé de commande : 35 - chaque triangle comporte un deuxième côté et un troisième côté sur chacun desquels sont définis deux points intermédiaires formant deux 10 15 20 combinaisons de commande des bras de commutation lorsque le potentiel électrique du point milieu est non nul, et - hors modulation, l'étape de régulation du point milieu comporte pour le deuxième côté et/ou le troisième côté du triangle, une étape d'introduction d'un vecteur décomposé en fonction des vecteurs tension joignant les points intermédiaires dudit côté. Selon une autre particularité, selon la position du vecteur tension de commande dans l'un des triangles de l'espace vectoriel, le procédé comporte une étape pour toujours ramener le vecteur tension de commande dans un même triangle 1 o de l'espace vectoriel. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et 15 représenté par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente un onduleur de type NPC, la figure 2 représente de manière simplifiée chaque bras de commutation de l'onduleur de l'invention et indique le courant milieu généré par chaque bras lorsque le point milieu est actif, la figure 3 représente l'espace vectoriel hexagonal définissant les vecteurs tension réalisables par les différentes combinaisons de commande des bras de commutation de l'onduleur NPC, la figure 4 représente le découpage en triangle de l'espace vectoriel hexagonal, la figure 5 représente un triangle de l'espace vectoriel dans lequel est appliqué un vecteur tension de commande lorsque le potentiel du point milieu est nul, la figure 6 représente un triangle de l'espace vectoriel dans lequel est appliqué un vecteur tension de commande lorsque le potentiel du point milieu est non nul, la figure 7 représente un triangle de l'espace vectoriel lorsque le potentiel du point milieu est nul et montre les valeurs du courant milieu obtenu pour chaque combinaison de commande des bras de commutation. 20 25 30 L'invention concerne un onduleur de type NPC et le procédé de commande mis en oeuvre lorsque cet onduleur fonctionne à pleine tension. Associé à un redresseur en entrée, l'onduleur de type NPC peut être employé dans un variateur de vitesse pour commander une charge électrique. De manière connue, un onduleur de type NPC comporte trois bras 1, 2, 3 de commutation connectés entre une ligne positive (+) et une ligne négative (-) d'un bus continu d'alimentation. Chaque bras de commutation comporte quatre interrupteurs 1 o connectés en série, par exemple de type IGBT. Sur chaque bras, un point milieu de connexion sépare deux interrupteurs situés en haut de deux interrupteurs situés en bas. Sur chaque bras, le point milieu de connexion est relié à une phase U, V, W d'une charge électrique connectée en sortie de l'onduleur. L'onduleur comporte en outre deux condensateurs Cl, C2 connectés en série 15 entre la ligne positive et la ligne négative du bus continu d'alimentation. Un potentiel électrique Vo est généré sur un point milieu O situé entre les deux condensateurs Cl, C2. Pour la commande en modulation de largeur d'impulsion, la méthode de 20 réalisation des ordres de commande des douze interrupteurs de l'onduleur NPC est constituée des étapes détaillées ci-dessous : 1) Représentation complexe Sur chaque bras de commutation, en fonction du pilotage des quatre 25 interrupteurs, on obtient les tensions de sortie Vs entre la phase et le point milieu O selon le tableau suivant : T1,, T21, T31 T12, T22, T32 T13, T23, T33 T14, T24, T34 Vs 1 1 0 0 Vbus/2 0 1 1 0 Vo=O 0 0 1 1 -Vbus/2 Les trois bras de commutation de l'onduleur peuvent être schématisés comme représenté sur la figure 2. Sur cette figure, P, O, N définissent les trois potentiels réalisés par (T11, T12), (T12, T13), (T13, T14) respectivement sur le premier bras 1 de commutation et (T21, T22), (T22, T23), (T23, T24) respectivement sur le deuxième bras 2 de commutation et (T31, T32), (T32, T33), (T33, T34) respectivement sur le troisième bras 3 de commutation. Lorsque le potentiel O est appliqué sur le premier bras de commutation de l'onduleur, un courant 11 traversant le point milieu est délivré à la charge. Lorsque le potentiel O est appliqué sur le deuxième bras de commutation de l'onduleur, un courant 12 traversant le point milieu est délivré à la charge et lorsque le 1 o potentiel O est appliqué sur le troisième bras de commutation, un courant 13 est délivré à la charge. Par ailleurs, il est connu que la somme de ces trois courants est nulle : 11+12+13=0 et 10=0. L'onduleur comporte également un module de commande destiné à envoyer 15 des ordres de commande aux interrupteurs des bras de commutation. Pour cela, ce module de commande utilise un espace vectoriel hexagonal définissant les vecteurs tension réalisables par les différentes combinaisons de commande des bras de commutation. Cet espace vectoriel hexagonal peut se découper en six grands triangles 20 équilatéraux identiques ou en vingt-quatre petits triangles équilatéraux identiques. Chaque sommet d'un petit triangle correspond à une ou plusieurs combinaisons de commande des bras de commutation. Sur la figure 3, les points de l'hexagone représentent donc des tensions réalisables avec les ordres de commandes des douze interrupteurs de l'onduleur. Par 25 exemple, sur cet hexagone, PON est une notation qui dit que le premier bras de l'onduleur est au niveau positif (P ou Vbus/2 dans le tableau antérieur) de la tension d'alimentation du bus continu, que le deuxième bras est au niveau zéro (ou V0 dans le tableau antérieur) de la tension d'alimentation du bus continu et que le troisième bras est au niveau négatif (N ou -Vbus/2) du bus continu. 30 Un vecteur tension de commande U destiné à être appliqué à la charge électrique connectée à l'onduleur peut se trouver partout dans l'espace vectoriel hexagonal défini ci-dessus. Ce vecteur tension de commande peut ainsi s'exprimer de la manière suivante en fonction des vecteurs tensions réalisables définis dans l'espace vectoriel : U=CPPPUPPP+C000U000+C~ UNNN +CPOOUP00+C0 U0 + CPPO UPP0 +COON UOON +CPNN UPNN +CPON UPON +CPPN UPPN + C NON U NON +COPO . UOPO +COPP . UOPP + CNOO . UNOO +CPOP UPOP + CONO UONO + CPNO UPNO +CPNP . UPNP +CONP . UONP +CNNP . UNNP + COOP • U00P +CNNO • UNNO + CNOP • UNOP +CNPP • UNPP +CNPO • UNPO + CNPN UNPN + COPN UOPN Les coefficients Cijk représentent les rapports cycliques et correspondent chacun à la durée d'application du vecteur tension correspondant divisé par la durée d'échantillonnage de l'onduleur. La somme totale de tous les coefficients Cijk vaut 1. 2) Positionnement du vecteur tension de commande dans l'espace vectoriel L'espace vectoriel hexagonal peut être divisé en six grands triangles équilatéraux identiques formant les secteurs S1, S2, S3, S4, S5, S6. En fonction de l'angle A formé par le vecteur tension de commande dans le repère (a, G3) sur la figure 4, le vecteur tension de commande sera dans l'un des six grands triangles. 3) Réduction de l'hexagone à un triangle Le plan complexe défini précédemment est réduit à un seul secteur (Si) défini sur la figure 5. Les vecteurs tension de commande réalisés dans les secteurs S2, S3, S4, S5, S6 peuvent être ramenés dans le secteur Si en utilisant des propriétés 20 géométriques simples associés à des permutations des indices de tension (1, 2, 3). Dans le tableau ci-dessous, J représente une rotation de 2n/3 et SH une symétrie d'axe horizontal. Le tableau ci-dessous résume les opérations à effectuer qui permettent de tout ramener au secteur Si lorsque le vecteur tension de commande se trouve dans l'un des autres secteurs : 25 Opérations Place des indices réels Equivalence des géométriques (123) dans Si indices (123) de15 S1 Si 123 123 S2 ~SH~J 123132213 213 S3 123231312 312 S4 ~SH~J~J 123132213321 321 S5 123 231 231 S6 SH 123132 132 L'intérêt d'une telle simplification est de diviser en moyenne par six le nombre des cas à considérer pour la réalisation des vecteurs tension de commande sur une période MLI. Par exemple, un vecteur tension de commande présent dans le secteur T3 peut être ramené dans le secteur S1 en étant multiplié par J2. Il en est de même pour le courant associé à ce vecteur tension de commande. Dans le secteur S1, le vecteur tension de commande U peut donc s'exprimer de la manière simplifiée suivante : U = CPPP UPPP +C000 • U000 + C NNN UNNN +CP00 UPO0 +CONN • UONN + CPPO UPP0 +COON UOON +CPNN UPNN +CPON UPON +CPPN UppN 4) Positionnement dans le secteur S1 Le vecteur U ramené dans le secteur S1 est situé dans l'un des quatre petits triangles couvrant le secteur S1 comme représenté en figure 5. Pour identifier la position du vecteur tension de commande dans l'un des quatre petits triangles, il est possible d'employer une méthode géométrique. Le produit vectoriel de deux vecteurs est un vecteur orienté positivement ou négativement en fonction de la position relative des deux vecteurs. Ainsi, le produit vectoriel des vecteurs reliés au point M sur lequel pointe le vecteur tension de commande permet donc d'identifier la position du vecteur tension de commande dans l'un des quatre petits triangles. Si AM x AB 0 , deux cas sont possibles : AMxAC 0, deux cas sont possibles : BMxBC Dans l'expression du vecteur tension de commande, il est également nécessaire de prendre en compte systématiquement la valeur du potentiel électrique Vo du point milieu. 5) Régulation du potentiel électrique du point milieu Lorsque le potentiel du point milieu est différent de zéro, certains vecteurs tension réalisables du secteur S1 sont modifiés. Ainsi, comme représenté sur la figure 6, le vecteur tension UPP0 devient différent de UOON et UONN devient différent de Up00. 1 o Le principe est alors de se ramener au cas général dans lequel le potentiel électrique du point milieu est nul. Pour cela, on introduit les vecteurs tensions Ua et Ub, barycentres respectivement de (Uppo, UOON) et (UONN, UPOO). On introduit donc : Ua = aUpoo + (1ù a)Uo, Ub = bUooN + (1ù b)Uppo 15 Le principe est alors de considérer les tensions Ua et Ub définies ci-dessus et de choisir les coefficients a et b de manière à réguler le potentiel Vo du point milieu. la = al. + (1 ù a)IONN lb = blooN + (1 ù b)IPP0 la est le courant qui participe à Io lorsqu'on choisit la répartition Ua. lb est le 20 courant qui participe à Io lorsqu'on choisit la répartition Ub. Les coefficients a et b ci-dessus sont compris entre 0 et 1 de manière à réguler la tension Vo en contrôlant le courant 10. Dans le secteur S1, chacun des vecteurs tension réalisables correspond à 25 l'apparition d'un courant milieu Io passant par le point milieu O. Ce courant milieu est calculé comme la somme des courants Il, 12 et 13 (figure 2) lorsque le point O est actif. On a donc 11+12+13=10=0. La figure 7 représente le secteur S1 et indique le courant milieu obtenu pour chaque combinaison de commande des bras de commutation. 30 - pour PPP, 000, NNN on obtient 10=0 - pour OON, on obtient 10=11+12=13 - pour PPO, on obtient 10=13 - pour ONN, on obtient 10=11 - pour POO, on obtient 10=12+13=-11 - pour PNN, on obtient 10=0 - pour PON, on obtient 10=12 - pour PPN, on obtient 10=0 Selon la combinaison de commande ONN ou POO, le courant milieu Io obtenu vaut Il ou -Il et selon la combinaison de commande OON ou PPO, le courant milieu Io obtenu vaut 13 ou -13. Il vient : la = ù(1ù 2a)h lb = (2b -1)I3 Le choix le plus simple est donc de prendre : a -1+signe(V0h) et b =1+signe(V0I3) 2 2 Le résultat de la fonction "signe" employée dans les deux formules ci-dessus peut prendre la valeur 1 ou -1 selon que le signe des produits V011 ou V013 est positif ou négatif. Bien entendu, il est possible d'exprimer les coefficients a et b autrement. Grâce à la formulation de Ua et Ub, le vecteur tension de commande U s'exprime alors de la façon suivante : U = C000 U000 + Ca • Ua + Cb Ub+CPON UPON +CPPN UPPN +CPNN UPNN 25 La régulation du point milieu réalisée grâce à la méthode décrite ci-dessus fonctionne très bien lorsque le point M est positionné dans le secteur S1. Cependant, lorsque l'onduleur est amené à fonctionner à pleine tension, c'est-à-dire à tension nominale, la méthode décrite ci-dessus ne peut plus être employée. 20 En effet dans cette situation, le vecteur tension de commande se trouve au bord de l'hexagone de l'espace vectoriel. Or en raisonnant dans le secteur S1, on remarque que seules les combinaisons de commande PPN, PON et PNN peuvent être utilisées. Comme montré sur la figure 7, les combinaisons PPN ou PNN permettent d'obtenir un courant milieu 10=0 et la combinaison PON permet d'obtenir un courant milieu 10=12. Dans tous les cas, il est donc impossible de pouvoir jouer sur le signe du courant milieu 10 comme dans les cas précédents et il devient donc impossible d'employer la méthode précédente pour réguler le potentiel électrique V0 du point milieu. 1 o Cependant, à pleine tension, le vecteur tension de commande U tourne à une vitesse cos de l'ordre de 50Hz ou plus. Ainsi lorsque le vecteur tension de commande U fait un tour complet, les courants milieu correspondants aux combinaisons de commande réalisables sur les bords de l'hexagone sont les suivants : si le vecteur tension de commande appartient à Si la combinaison de 15 commande est PON, donc 10=12, si le vecteur tension de commande appartient à S2 la combinaison de commande est OPN, donc 10=11i si le vecteur tension de commande appartient à S3 la combinaison de commande est NPO, donc 10=13, 20 si le vecteur tension de commande appartient à S4 la combinaison de commande est NOP, donc 10=12, si le vecteur tension de commande appartient à S5 la combinaison de commande est ONP, donc 10=11i si le vecteur tension de commande appartient à S6 la combinaison de 25 commande est PNO, donc 10=13. Or en tenant compte de la position Os du vecteur tension de commande de sorte que des =cos , on peut prouver que : dt si le vecteur tension de commande U appartient à Si, alors le courant milieu l0 est égal à une valeur X, 30 - si le vecteur tension de commande U appartient à S2, alors le courant milieu l0 est égal à -X, - si le vecteur tension de commande U appartient à S3, alors le courant milieu lo est égal à x, - si le vecteur tension de commande U appartient à S4, alors le courant milieu lo est égal à -X, - si le vecteur tension de commande U appartient à S5, alors le courant milieu lo est égal à x, - si le vecteur tension de commande U appartient à S6, alors le courant milieu lo est égal à -X. Ainsi sur deux côtés consécutifs de l'hexagone, le courant milieu lo associé à une tension de type UPON prend deux valeurs égales mais de signes opposés. Il est donc possible de réguler en moyenne sur un tour le potentiel électrique Vo du point milieu, dans une première situation, en utilisant le vecteur tension réalisable UPON lorsque le courant lo est de signe opposé à vo et dans une deuxième situation en évitant d'utiliser UPON lorsque lo est de même signe que Vo. Dans la deuxième situation, il convient de décomposer UPON grâce à UPPN et UPNN. Cependant, lorsque cette décomposition est employée, il convient d'appliquer pendant un temps minimum le vecteur UPON, ceci pour éviter une commutation d'amplitude E égale à la tension du bus. Ainsi si le temps minimum à passer sur PON est très inférieur à la période de la MLI (TML,), alors il convient de modifier la répartition barycentrique sur PON. Ainsi en partant de l'expression précédente du vecteur tension de commande U selon laquelle : U=Co00•U000+Ca•Ua+Cb•Ub+CPoN UPoN+CPPN UPPN+Cp UPNN Si CPONTMLZ TE alors le vecteur tension de commande U est appliqué grâce à la formule : U =Co00 • Uo00 +Ca • Ua+Cb • Ub+CPoN UPoN +CPPN UPPN +CP UP En revanche, si CPONTMLI ? TE alors on pose l'équation : /~ùVoE +VO UPON =CUPON +(1ùC) E UPNN + E UPPN i Avec par exemple c = E si signe(V012)>O et c=1 si signe(Vo12) REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un onduleur multiniveaux de type NPC (Neutra) Point Clamped) comprenant : - trois bras de commutation (1, 2, 3) parallèles connectés entre une ligne positive et une ligne négative d'un bus, chaque bras de commutation étant doté de quatre interrupteurs de puissance (T11-T34) reliés en série, les interrupteurs de puissance étant commandés par un module de commande du variateur de vitesse à partir d'un vecteur tension de 1 o commande dans le but de commander une charge électrique, - le module de commande utilisant un espace vectoriel hexagonal définissant les vecteurs tensions réalisables par les différentes combinaisons de commande des bras de commutation, lesdites différentes combinaisons de commande étant définies dans six triangles 15 identiques (S1-S6) couvrant l'espace vectoriel, chaque triangle de l'espace vectoriel comportant notamment deux sommets définissant un premier côté du triangle et un point intermédiaire situé sur ledit premier côté, les deux sommets et le point intermédiaire correspondant chacun à une seule combinaison de commande des bras de commutation, 20 - deux condensateurs (Cl, C2) connectés en série entre la ligne positive et la ligne négative du bus et un point milieu (0) défini entre les deux condensateurs, ledit point milieu étant traversé par un courant, le procédé comprenant : - une étape de détermination d'une position du vecteur tension de 25 commande (U) dans l'un des six triangles identiques couvrant l'espace vectoriel hexagonal, une étape de régulation du potentiel électrique (Vo) du point milieu, caractérisé en ce que lorsque l'onduleur fonctionne en surmodulation, l'étape de régulation du potentiel électrique du point milieu comporte : 30 - une étape de détermination du signe positif ou négatif du produit entre le courant (lo) traversant le point milieu et son potentiel électrique (Vo), - une étape de décomposition du vecteur tension de commande (U) en utilisant majoritairement le vecteur tension de l'espace vectoriel joignant ledit point intermédiaire du triangle lorsque le signe du produit est négatif ou en utilisant les deux vecteurs tension joignant lesdits deux sommets du triangle lorsque le signe du produit est positif. 2. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque le signe du produit entre le courant (lo) traversant le point milieu et son potentiel électrique (Vo) est positif, l'étape de décomposition du vecteur tension de commande utilise de manière minoritaire le vecteur tension de l'espace vectoriel joignant le point intermédiaire du triangle. 3. Procédé de commande selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que : - chaque triangle comporte un deuxième côté et un troisième côté sur chacun desquels sont définis deux points intermédiaires formant deux combinaisons de commande des bras de commutation lorsque le potentiel électrique du point milieu est non nul, et en ce que, - hors modulation, l'étape de régulation du point milieu comporte pour le deuxième côté et/ou le troisième côté du triangle, une étape d'introduction d'un vecteur décomposé en fonction des vecteurs tension joignant les points intermédiaires dudit côté. 4. Procédé de commande selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que selon la position du vecteur tension de commande dans l'un des triangles de l'espace vectoriel, le procédé comporte une étape pour toujours ramener le vecteur tension de commande dans un même triangle (Si) de l'espace vectoriel.25