Brevet FR3080237A1 — publié le 20191018

ONDULEUR À SOURCE IMPÉDANTE COMPRENANT DEUX RÉSEAUX DE QUASI Z-SOURCE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui de la distribution d'énergie électrique à des machines électriques tournantes. L'invention concerne plus particulièrement un convertisseur de puissance électrique DC-AC élévateur de tension et trouve notamment application en aéronautique pour l'alimentation de moteurs à haute vitesse embarqués au sein d'un aéronef. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les réseaux électriques embarqués à tension continue distribuée permettent de connecter plusieurs dispositifs électriques, aussi appelés charges, de natures différentes à un bus continu commun. Une machine électrique tournante haute-vitesse, comme par exemple un compresseur ou un ventilateur, est généralement connectée au réseau continu par l'intermédiaire d'un convertisseur de puissance DC-AC qui peut avoir une fonction élévateur de tension. Ce convertisseur permet d'adapter la forme d'onde de l'alimentation électrique de la machine en réglant son amplitude et sa fréquence. Cette adaptation de la forme d'onde se fait au moyen d'interrupteurs de puissance qui peuvent soit laisser passer le courant d'alimentation, soit bloquer le courant d'alimentation. Par une combinaison et un passage rapide entre ces deux états, il est possible d'obtenir la forme d'onde d'alimentation désirée en fonction de la phase de fonctionnement de la machine. Du fait du découpage (passage rapide entre un état de conduction et un état de blocage des interrupteurs de puissance, et vice-versa), cette alimentation électronique génère des pollutions électromagnétiques sur le réseau de distribution de l'énergie électrique. Par un effet de propagation sur le réseau, ces perturbations 2 électromagnétiques peuvent nuire au bon fonctionnement des autres charges connectées au réseau. Afin de limiter ces perturbations entre les différents consommateurs électriques connectés au réseau, des normes environnementales fixent des niveaux 5 maximaux admissibles pour ces perturbations électromagnétiques. Dans l'objectif de répondre à ces limites normatives, un filtre passif (combinaison d'inductances, de condensateurs, de résistances, etc.) peut être disposé entre le convertisseur et le réseau de distribution pour bloquer ces perturbations. Les variations brusques de la forme d'onde d'alimentation dues au 10 découpage génèrent aussi des perturbations vers la machine électrique appelées « dv/dt ». Ces dv/dt sont d'autant plus marqués lorsque le convertisseur est du type élévateur de tension. L'impact de ces dv/dt est un vieillissement prématuré des bobinages statoriques de la machine électrique conduisant à une détérioration de l'isolant électrique de ces bobinages statoriques. La détérioration de cet isolant peut 15 conduire à une destruction de la machine par l'apparition de court-circuit entre les spires des bobinages statoriques. L'impact de ces forts dv/dt côté machine électrique peut être limité en ajoutant un filtre (combinaison d'inductances, de condensateurs, de résistances, etc.) entre le convertisseur et la charge, de sorte à réduire le front de variation de l'onde 20 d'alimentation. L'inconvénient majeur de l'ajout de ces filtres en amont et en aval du convertisseur élévateur pour limiter respectivement les perturbations électromagnétiques et l'impact des dv/dt réside dans le fait qu'ils ajoutent des pertes supplémentaires et augmentent significativement la taille du convertisseur (ce qui s'avère 25 notamment problématique pour des applications embarquées, en particulier en aéronautique). On a représenté sur la figure 1 une topologie d'onduleur à source impédante, l'onduleur à quasi Z-source, qui permet d'élever la tension du bus continu en insérant dans le schéma de commande MLI (modulation de largeur d'impulsion) des interrupteurs de puissance des court-circuits de bras d'onduleur. L'onduleur à quasi Z- 3 source est connecté, d'une part, à un réseau de distribution électrique représenté par la source de tension continue S et, d'autre part, à une machine électrique M. Il comprend un réseau 1 de quasi Z-source à inductances magnétiquement couplées constitué des inductances L1 et L2, des condensateurs Ci et C2 et d'une diode D qui peut être montée en 5 parallèle avec un interrupteur commandable K pour assurer un fonctionnement réversible de la machine M (mode générateur), un onduleur 2 présentant trois bras d'onduleur B1, B2 et B3 montés en parallèle et comprenant chacun des interrupteurs commandables In, 112, 121, 122, 131, 132 et une unité de commande 3 des interrupteurs des bras d'onduleur selon un schéma de commande par modulation de largeur d'impulsion comprenant des états 10 de court-circuit. Ces états de court-circuit (les interrupteurs supérieur et inférieur d'un même bras sont fermés simultanément) sont généralement insérés pendant les états zéros de l'onduleur, à savoir les états pendant lesquels les trois interrupteurs supérieurs In, 121, 131 ou les trois interrupteurs inférieurs 112, 122, 132 sont fermés. Les perturbations électromagnétiques conduites de mode différentiel 15 peuvent être réduites au moyen d'un couplage magnétique des inductances L1 et L2, comme par exemple rapporté par A. Battiston et al. dans "A Novel Quasi Z-Source Inverter Topology With Special Coupled Inductors for Input Current Ripples Cancellation," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 3, pp. 2409-2416, Mars 2016. Mais comme en atteste la figure 2 qui représente le contenu spectral du courant d'entrée in, 20 cette solution ne permet pas de supprimer en totalité les perturbations électromagnétiques conduites de mode différentiel. On observe en effet la présence de composantes fréquentielles dont l'amplitude A est supérieure à celle d'un gabarit G, en l'occurrence le gabarit spécifié par la norme D0160F, qui fixe des niveaux maximaux admissibles pour les perturbations électromagnétiques. 25 Par ailleurs, comme représenté sur la figure 3, il a été proposé par A. Battiston et al. dans "Soft-switched quasi-Z-source inverter topology for variable speed electric drives," 2015 17th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'15 ECCE-Europe), Geneva, 2015, pp. 1-12, de doter l'onduleur à quasi Z-source d'un système résonant 4 afin de réduire l'impact des dv/dt sur la machine et de réaliser une 30 commutation douce des interrupteurs de puissance sous zéro de tension. Ce système 4 résonant nécessite néanmoins deux interrupteurs commandables supplémentaires Kr,. et Kr2, et donc un système de commande de ces interrupteurs, ce qui peut être contraignant en termes d'encombrement, de masse et de fiabilité. EXPOSÉ DE L'INVENTION 5 L'invention a pour objectif de proposer une topologie d'onduleur à source impédante améliorée par rapport aux topologies présentées ci-dessus, notamment en ce qu'elle permet de supprimer effectivement les perturbations électromagnétiques conduites de mode différentiel en entrée de l'onduleur et de réduire les dv/dt appliqués à la machine électrique. Au moins un de ces objectifs est atteint par 10 un onduleur à source impédante destiné à être raccordé, d'une part, à une source d'énergie électrique et, d'autre part, à une machine électrique, l'onduleur à source impédante comprenant une branche aller ayant un terminal d'entrée et un terminal de sortie, une branche retour ayant un terminal d'entrée et un terminal de sortie, au moins un bras d'onduleur qui relie les terminaux de sortie des branches aller et retour et une 15 unité de commande de l'au moins un bras d'onduleur selon un schéma de commande comprenant des états de court-circuit de bras d'onduleur. L'onduleur comporte en outre deux réseaux de quasi Z-source à inductances magnétiquement couplées, l'un des réseaux étant associé à la branche aller pour conduire du courant du terminal d'entrée vers le terminal de sortie de la branche aller, l'autre des réseaux étant associé à la 20 branche retour pour conduire du courant du terminal de sortie vers le terminal d'entrée de la branche retour. Certains aspects préférés mais non limitatifs de cet onduleur sont les suivants : - les deux réseaux de quasi Z-source à inductances magnétiquement couplées 25 sont identiques et partagent un condensateur commun qui relie la branche aller et la branche retour ; - chaque réseau de quasi Z-source associé à une branche parmi les branches aller et retour comprend l'association série d'une première inductance, d'une diode et d'une deuxième inductance, un premier condensateur en parallèle de la diode et 5 de la deuxième inductance, et le condensateur commun connecté entre un point milieu de la diode et de la deuxième inductance et l'autre branche parmi les branches aller et retour ; - les deux réseaux de quasi Z-source à inductances magnétiquement couplées 5 sont réversibles ; - il comprend en outre un étage de filtrage passif des fronts de montée en tension interposé entre les réseaux de quasi Z-source à inductances magnétiquement couplées et l'au moins un bras d'onduleur ; - l'étage de filtrage passif comporte une première inductance de filtre sur la 10 branche aller, une deuxième inductance de filtre sur la branche retour et un condensateur entre les terminaux de sortie des branches aller et retour ; - le schéma de commande de l'au moins un bras d'onduleur est un schéma à modulation par largeur d'impulsion comprenant des états de court-circuit de bras d'onduleur ; 15 - il comprend un bras d'onduleur commandé selon le schéma de commande comprenant des états de court-circuit de bras d'onduleur et au moins un bras d'onduleur commandé selon un schéma de commande par modulation de largeur d'impulsion. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS 20 D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1, déjà discutée précédemment, représente un onduleur à quasi Z- 25 source ; - la figure 2, déjà discutée précédemment, représente le contenu spectral du courant d'entrée de l'onduleur à quasi Z-source de la figure 1; - la figure 3, déjà discutée précédemment, représente une variante de l'onduleur à quasi Z-source de la figure 1 dotée d'un système résonant visant à limiter les dv/dt ; 6 - la figure 4 représente un onduleur à source impédante conforme à l'invention ; - les figures 5a et 5b représentent l'évolution temporelle du courant d'entrée de l'onduleur à source impédante de la figure 4 respectivement en l'absence et en présence d'un couplage des inductances ; 5 - les figures 6a et 6b représentent le contenu spectral du courant d'entrée de l'onduleur à source impédante de la figure 4 respectivement en l'absence et en présence d'un couplage des inductances. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS En référence à la figure 4, l'invention concerne un onduleur à source 10 impédante 100 destinée à être raccordé, d'une part, à une source d'énergie électrique S et, d'autre part, à une machine électrique M. L'onduleur 100 comprend une branche aller Ba ayant un terminal d'entrée Tae et un terminal de sortie Tas, une branche retour Br ayant un terminal d'entrée Tre et un terminal de sortie Trs, au moins un bras d'onduleur 30 qui relie les terminaux de sortie Tas, Trs des branches aller et retour Ba, Br et une 15 unité de commande 50 de l'au moins un bras d'onduleur 30 selon un schéma de commande comprenant des états de court-circuit. Les terminaux d'entrée Tae, Tre sont destinés à être reliés à la source d'énergie électrique S tandis que l'au moins un bras d'onduleur est destiné à être relié à la machine électrique M. L'exemple de réalisation illustré en figure 4 porte sur une variante 20 triphasée pour laquelle on compte trois bras d'onduleur montés en parallèle et comprenant chacun deux interrupteurs. Ces bras sont commandés selon un schéma de commande par modulation de largeur d'impulsion comprenant des états de court-circuit. Ces états de court-circuit (interrupteurs supérieur et inférieur d'un même bras fermés simultanément) sont insérés pendant les états du schéma de commande MLI dits états 25 zéros où les trois interrupteurs supérieurs ou les trois interrupteurs inférieurs sont fermés. L'invention n'est pas limitée à cet exemple de réalisation, et s'étend à un nombre quelconque de phases, soit à des onduleurs comprenant 1 à N bras d'onduleur, dont au moins un est commandé selon un schéma de commande à 7 modulation par largeur d'impulsion comprenant des états de court-circuit de bras d'onduleur. L'invention s'étend également à un onduleur comprenant un bras d'onduleur dédié aux court-circuits. Auquel cas, l'onduleur comprend un bras d'onduleur 5 commandé selon le schéma de commande comprenant des états de court-circuit de bras d'onduleur et au moins un bras d'onduleur classiquement commandé selon un schéma de commande par modulation de largeur d'impulsion. L'onduleur à source impédante 100 comporte par ailleurs deux réseaux 10, 20 de quasi Z-source à inductances magnétiquement couplées, l'un des réseaux 10 10 étant associé à la branche aller Ba pour conduire du courant du terminal d'entrée Tae vers le terminal de sortie Tas de la branche aller, l'autre des réseaux 20 étant associé à la branche retour Br pour conduire du courant du terminal de sortie Trs vers le terminal d'entrée Tre de la branche retour. Chaque réseau 10, 20 comprend deux inductances, respectivement L11, 15 L21 et L12, L22. Le couplage magnétique des inductances est réalisé en respectant la condition mathématique d'annulation des perturbations électromagnétiques conduites de mode différentiel, à savoir L21=M1 pour le réseau 10 et L22=M2 pour le réseau 20, où M1 est l'inductance mutuelle des inductances L11 et L21 et où M2 est l'inductance mutuelle des inductances L12 et L22. 20 On a représenté sur les figures 5a et 5b des résultats de simulation de l'évolution temporelle du courant d'entrée de l'onduleur à source impédante in' respectivement en l'absence et en présence d'un couplage des inductances. Et on a représenté sur les figures 6a et 6b des résultats de simulation du contenu spectral de courant d'entrée in' respectivement en l'absence et en présence d'un couplage des 25 inductances. Le couplage des inductances permet d'obtenir un courant d'entrée plat, l'ensemble des perturbations électromagnétiques conduites de mode différentiel étant dès lors supprimé. Pour ces simulations, les grandeurs suivantes ont été adoptées : - Tension DC = 270Vdc ; - Tension entrée onduleur = 800Vdc ; 30 - Tension côté charge = 380 Vrms ; 8 - Courant DC = 32Adc ; - Courant AC = 8Arms ; - Fréquence de découpage =20kHz ; - C1=C21=C22=20uF et Cf=66nF ; 5 - L11=L12=3000, L12=L22=2000 et Lf1=Lf2=10nH. Les deux réseaux de quasi Z-source à inductances magnétiquement couplées 10, 20 sont de préférence identiques, de sorte que le courant les parcourant est confronté aux mêmes impédances. Comme représenté en figure 4, les deux réseaux 10, 20 peuvent partager un condensateur commun Cl qui relie la branche aller Ba et la 10 branche retour Br. Chaque réseau de quasi Z-source 10, 20 associé à une branche parmi les branches aller et retour comprend l'association série d'une première inductance, d'une diode et d'une deuxième inductance, un premier condensateur en parallèle de la diode et de la deuxième inductance, un deuxième condensateur connecté entre un point milieu de 15 la diode et de la deuxième inductance et l'autre branche parmi les branches aller et retour. On retrouve ainsi sur le réseau 10 associé à la branche aller l'association série d'une première inductance L11, d'une diode D1 (dont l'anode est tournée vers le terminal d'entrée Tae) et d'une deuxième inductance L12, un premier condensateur C21 en parallèle de la diode D1 et de la deuxième inductance L21, et le condensateur commun Cl 20 connecté entre un point milieu de la diode et de la deuxième inductance et la branche retour. Et on retrouve sur le réseau 20 associé à la branche retour l'association série d'une première inductance L12, d'une diode D2 (dont l'anode est tournée vers le terminal de sortie Trs) et d'une deuxième inductance L22, un premier condensateur C22 en parallèle de la diode D1 et de la deuxième inductance L21, et le condensateur commun Cl 25 connecté entre un point milieu de la diode et de la deuxième inductance et la branche aller. On prévoit ainsi de préférence que les premières inductances L11 et L12 sont identiques (par exemple L11= L12= 300 uH), que les deuxièmes inductances L12 et L22 sont identiques (par exemple L12= L22=200 u.H) et que les premiers condensateurs 9 C21 et C22 sont identiques (par exemple C21=C22=20g). Et le condensateur commun Cl peut être identique aux premiers condensateurs C21, C22. Dans un mode de réalisation privilégie, les deux réseaux de quasi Z-source à inductances magnétiquement couplées sont réversibles. Ils comprennent à cet 5 effet un interrupteur commandable Kl, K2 montée en parallèle de la diode D1, D2. Ces interrupteurs sont commandés par l'unité de commande 50 via un signal complémentaire du signal de commande d'état de court-circuit de bras d'onduleur (lors d'un état de court-circuit, ces interrupteurs Kl, K2 sont ouverts) avec un décalage temporel fixe. Dans une réalisation préférentielle, l'onduleur à source impédante 1 10 comprend en outre un étage 40 de filtrage passif des fronts de montée en tension (filtrage des dv/dt) interposé entre les réseaux de quasi Z-source à inductances magnétiquement couplées 10, 20 et l'au moins un bras d'onduleur 30. Cet étage de filtrage passif des fronts de montée en tension 40 comporte par exemple une première inductance de filtre LH. sur la branche aller Ba, une deuxième inductance de filtre LF2 sur la 15 branche retour Br et un condensateur CF entre les terminaux de sortie Tas, Trs des branches aller et retour. Cet étage de filtrage 40 permet de faire commuter les interrupteurs de l'au moins un bras d'onduleur sur des zéros de tension lors de la sortie des états de court-circuit de bras d'onduleur. Lors de cette commutation, le dv/dt appliqué à la machine est 20 nul. Le réglage de la valeur des composants Ln, LF2 et CF permet plus particulièrement de régler la valeur de la pente de la montée en tension aux bornes de l'onduleur (réglage du dv/dt), tandis que la commande des interrupteurs K1 et K2 permet de contrôler la durée de cette montée en tension. L'invention s'étend également à un système de motorisation 25 comprenant un réseau de distribution électrique, un moteur électrique, et un onduleur à source impédante tel que précédemment décrit raccordé entre le réseau de distribution électrique et le moteur électrique. Elle s'étend également à un aéronef équipé d'un REVENDICATIONS1. Onduleur à source impédante (100) destiné à être raccordé, d'une part, à une source d'énergie électrique (S) et, d'autre part, à une machine électrique (M), l'onduleur à source impédante (100) comprenant une branche aller (Ba) ayant un terminal d'entrée (Tae) et un terminal de sortie (Tas), une branche retour (Br) ayant un terminal d'entrée (Tre) et un terminal de sortie (Trs), au moins un bras d'onduleur (30) qui relie les terminaux de sortie (Tas, Trs) des branches aller et retour et une unité de commande (50) de l'au moins un bras d'onduleur (30) selon un schéma de commande comprenant des états de court-circuit de bras d'onduleur, caractérisé en ce qu'il comporte deux réseaux de quasi Z-source à inductances magnétiquement couplées (10, 20), l'un des réseaux (10) étant associé à la branche aller (Ba) pour conduire du courant du terminal d'entrée vers le terminal de sortie de la branche aller, l'autre des réseaux (20) étant associé à la branche retour pour conduire du courant du terminal de sortie vers le terminal d'entrée de la branche retour. 2. Onduleur à source impédante selon la revendication 1, dans lequel les deux réseaux de quasi Z-source à inductances magnétiquement couplées sont identiques et partagent un condensateur commun (C1) qui relie la branche aller et la branche retour. 20 3. Onduleur à source impédante selon la revendication 2, dans lequel chaque réseau de quasi Z-source associé à une branche parmi les branches aller et retour comprend l'association série d'une première inductance (L11, L12), d'une diode (D1, D2) et d'une 25 deuxième inductance (L21, L22), un premier condensateur (C21, C22) en parallèle de la diode (D1, D2) et de la deuxième inductance (L21, L22), et le condensateur commun (C1) connecté entre un point milieu de la diode et de la deuxième inductance et l'autre branche parmi les branches aller et retour. 11 4. Onduleur selon la revendication 3, dans lequel les premières inductances (L11, L12) sont identiques, les deuxièmes inductances (L12, L22) sont identiques et les premiers condensateurs (C21, C22) sont identiques 5 5. Onduleur à source impédante selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les deux réseaux de quasi Z-source à inductances magnétiquement couplées sont réversibles. 6. Onduleur à source impédante selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant en outre un étage de filtrage passif des fronts de montée en tension (40) interposé entre les 10 réseaux de quasi Z-source à inductances magnétiquement couplées (10, 20) et l'au moins un bras d'onduleur (30). 7. Onduleur à source impédante selon la revendication 6, dans lequel l'étage de filtrage passif (40) comporte une première inductance de filtre (LH.) sur la branche aller, 15 une deuxième inductance de filtre (LF2) sur la branche retour et un condensateur (CF) entre les terminaux de sortie des branches aller et retour. 8. Onduleur à source impédante selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le schéma de commande de l'au moins un bras d'onduleur est un schéma à modulation par largeur d'impulsion comprenant des états de court-circuit de bras d'onduleur. 9. Onduleur à source impédante selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant un bras d'onduleur commandé selon le schéma de commande comprenant des états de court-circuit de bras d'onduleur et au moins un bras d'onduleur commandé selon un schéma de commande par modulation de largeur d'impulsion. 10. Système de motorisation comprenant un réseau de distribution électrique (S), un moteur électrique (M), et un onduleur à source impédante (100) selon l'une des revendications 1 à 9 raccordé entre le réseau de distribution électrique et le moteur électrique. 11. Aéronef équipé d'un système de motorisation selon la revendication 9.