Brevet FR3104854A1 — publié le 20210618

Le domaine technique de l’invention est celui du convertisseur AC-AC matriciel transformant une tension périodique d’entrée multiphasée (200) comportant N tensions d’entrée déphasées en une tension périodique de sortie multiphasée (300) comportant N tensions de sortie déphasées, le convertisseur (100) comportant une matrice (102) carrée comportant N 2 interrupteurs. Le convertisseur selon l’invention comporte une électronique (110) de contrôle et de commande réalisant périodiquement les deux fonctions suivantes : mémorisation de N! sommes de tensions, chaque somme de tensions correspondant à une configuration d’interrupteurs, chaque configuration d’interrupteurs mettant en relation une et une seule tension d’entrée déphasée et une et une seule tension de référence déphasée, chaque somme de tensions étant la somme des N différences en valeur absolue entre une et une seule tension d’entrée déphasée et une et une seule tension de référence déphasée ; commutation de la matrice d’interrupteurs pour appliquer la configuration correspondant à la somme de tensions la plus faible. Figure pour l’abrégé : Fig.10 Convertisseur AC-AC comportant une matrice d’interrupteurs bidirectionnels à configuration programmable L’invention se situe dans le domaine des convertisseurs AC-AC. Dans ce qui suit, les terminologies AC signifient « Alternating Current » et DC « Direct Current ». Un convertisseur AC-AC transforme une tension d’entrée multiphasée définie par sa fréquence et sa tension efficace en une tension de sortie multiphasée ayant une fréquence et une tension efficace différentes. Il existe différentes méthodes permettant de réaliser un tel convertisseur. A titre de premier exemple de réalisation, la figure 1 représente un cycloconvertisseur 1 permettant de convertir une tension d’entrée triphasée T E en une tension de sortie triphasé T S. Ce convertisseur comporte trois étages comprenant chacun douze thyristors 11. Ceux-ci se bloquent lors du passage à zéro du courant qui les traverse. A titre de second exemple de réalisation, la figure 2 représente un convertisseur 2 dit « back-to-back » permettant de convertir une tension d’entrée triphasée T E en une tension de sortie triphasé T S . Il comporte un premier étage 21 de conversion AC-DC puis un second étage 22 de conversion DC-AC. A titre de troisième exemple de réalisation, les figures 3 et 4 représentent deux convertisseurs matriciels. Dans l’exemple de la figure 3, le convertisseur matriciel 3 transforme une tension d’entrée triphasée en une tension de sortie triphasée. Dans l’exemple de la figure 4, le convertisseur matriciel 4 transforme une tension d’entrée quadriphasée en une tension de sortie quadriphasée. Un convertisseur matriciel comporte essentiellement : un premier ensemble de filtrage de la tension d’entrée, ensemble référencé 31 et 41 sur les figures 3 et 4 ; une matrice d’interrupteurs 60, matrice référencée 32 et 42 sur les figures 3 et 4 ; un second ensemble de filtrage de la tension de sortie, ensemble référencé 33 et 43 sur les figures 3 et 4. La publication US 2002/0079706 intitulée “Variable speed wind turbine having a matrix converter” donne un exemple d’utilisation de ce type de convertisseur AC-AC dans lequel le convertisseur permet de maintenir une fréquence du signal de sortie triphasé constante. Si la tension d’entrée comprend N phases et la tension de sortie M phases, la matrice d’interrupteurs comporte NxM interrupteurs. Ainsi, la matrice de la figure 3 comporte 9 interrupteurs et la matrice de la figure 4 comporte 16 interrupteurs. A titre d’exemples représentés sur la figure 5, les interrupteurs peuvent être constitués de transistors MOS silicium, MOS signifiant « Metal Oxide Semiconductor » ou MOS SiC en carbure de silicium. Ils portent la référence 61 sur la figure 5. Les interrupteurs peuvent être à transistors bipolaires à grille isolée ou « IGBT », acronyme signifiant « Insulated Gate Bipolar Transistor ». Ils portent la référence 62 sur la figure 5. Les interrupteurs peuvent être également à transistors bipolaires silicium ou bipolaires SiC. Ils portent la référence 63 sur la figure 5. Le convertisseur matriciel comporte de nombreux avantages sur d’autres solutions techniques. Le convertisseur possède un rendement élevé en ne nécessitant qu’un seul étage de puissance et provoque une perte de tension faible. Par ailleurs, le convertisseur matriciel peut être facilement bidirectionnel. Ainsi, il peut transformer la tension d’entrée d’une source en tension de sortie d’une charge ou l’inverse. Cependant, les convertisseurs matriciels selon l’art antérieur comportent certains inconvénients. Leur commande doit être réalisée par des composants numériques complexes. Les procédés de contrôles sont, par exemple, de type « MDCM », signifiant « Modulation Duty-Cycle Matrix » ou « SVM », signifiant « Space Vector Modulation » ou mixtes de type « DCSV », signifiant « Duty-Cycle Space Vector ». Par ailleurs, les commandes des convertisseurs nécessitent : de mesurer la fréquence réseau ; de mesurer le passage à zéro de la tension réseau ou de mesurer le passage à zéro du courant d’entrée afin de connaître le déphasage entre chaque tension réseau et sa consigne de régulation. Ces méthodes de mesure rendent ce type de convertisseur AC-AC sensible à différentes perturbations illustrées sur les quatre graphiques de la figure 6. Ces quatre graphiques représentent en fonction du temps les variations des trois tensions T1, T2 et T3 d’un signal triphasé. Le premier graphique G1 représente les tensions en l’absence de perturbations. Les trois tensions sont parfaitement sinusoïdales. Le second graphique G2 représente ces mêmes tensions en présence de variations rapides de tension. Le troisième graphique G3 représente les tensions en présence de distorsions et d’harmoniques naturellement présentes sur des distributions AC. Enfin, le quatrième graphique représente les tensions en présence de variations rapides de la fréquence réseau. Pour diminuer la sensibilité d’un convertisseur matriciel à ces différentes perturbations, la mesure de la fréquence réseau et l’évaluation du déphasage entre chaque tension réseau et sa consigne de régulation sont réalisées par une mesure des tensions réseau, un filtrage haute fréquence de ces mesures, une évaluation de la fréquence réseau et un verrouillage de cette fréquence par une boucle à verrouillage de phase, connue sous l’acronyme « PLL » signifiant « Phase-Locked Loop ». La publication de Xing Li et al intitulée « Modulation strategies based on mathematical construction method for matrix converter under unbalanced input voltages », parue dans IET Power Electronics (Volume : 6, Issue : 3, March 2013) donne un exemple d’un convertisseur matriciel comportant une telle boucle de phase. A titre d’exemple, la figure 7 représente le synoptique d’une boucle 5 PLL qui transforme un signal à une certaine fréquence d’entrée F E en un signal à une fréquence de sortie F S . Cette boucle comporte : un comparateur de phase 51 ; un filtre 52 ; un oscillateur 53 commandé en tension ou « VCO », signifiant « Voltage Control Oscillator » ; un diviseur par N si la fonction PLL est numérique. Le convertisseur AC-AC selon l’invention ne présente pas les inconvénients précédents. Il est basé sur le principe suivant : A chaque instant, il existe une configuration d’interrupteurs qui minimise l’erreur entre les tensions d’entrée présentes et les tensions de sortie souhaitées. Ce principe est représenté en figure 8. Soit un convertisseur Nphasé dont la tension d’entrée a N composantes et la tension de sortie N composantes. La matrice d’interrupteurs comporte donc N 2 interrupteurs 60. Chaque interrupteur peut être ouvert ou fermé. Il existe donc configurations possibles, soit encore configurations. Le symbole « ! » est classiquement le symbole de la factorielle. Par exemple, dans le cas d’une tenson triphasée, N valant 3, il existe 84 configurations d’interrupteurs possibles. Il faut cependant exclure toutes les configurations qui court-circuitent les phases d’entrée et toutes les configurations qui court-circuitent les phases de sortie. Autrement dit, il ne doit y avoir qu’un seul interrupteur fermé sur chaque ligne et chaque colonne de la matrice. Au final, il reste N ! configurations d’interrupteurs admissibles. Dans le cas d’une tension triphasée, il existe donc 6 configurations admissibles et dans le cas d’une tension quadriphasée, 24 configurations sont admissibles. Pour chaque configuration d’interrupteurs, on réalise N sommes de différences de tensions. Chaque différence de tension correspond à la différence absolue entre une des tensions d’entrée et une des tensions de référence. Si on note E i une des tensions d’entrée et Vref j une des tensions de référence, une configuration d’interrupteurs C k vaut : i et j variant de 1 à N, i et j n’apparaissant qu’une seule fois dans la somme. La configuration d’interrupteurs la plus efficace correspond à la somme de différences de tension minimale. Un objet de l’invention est donc un convertisseur AC-AC matriciel transformant une tension périodique d’entrée multiphasée comportant N tensions d’entrée déphasées en une tension périodique de sortie multiphasée comportant N tensions de sortie déphasées, ledit convertisseur comportant une matrice carrée comportant N 2 interrupteurs, caractérisé en ce que le convertisseur comporte une électronique de contrôle et de commande réalisant périodiquement au moins les deux fonctions suivantes : mémorisation de N! sommes de tensions, chaque somme de tensions correspondant à une configuration d’interrupteurs, chaque configuration d’interrupteurs mettant en relation N fois une et une seule tension d’entrée déphasée et une et une seule tension de référence déphasée, une tension de référence déphasée correspondant à une tension de sortie attendue, chaque somme de tensions étant la somme des N différences en valeur absolue entre une et une seule tension d’entrée déphasée et une et une seule tension de référence déphasée ; commutation de la matrice d’interrupteurs pour appliquer la configuration d’interrupteurs correspondant à la somme de tensions la plus faible. Avantageusement, le convertisseur comporte un échantillonneur numérisant périodiquement les N tensions d’entrée déphasées et les N tensions de sortie déphasées, la mémorisation des N! sommes de tensions et l’application de la configuration d’interrupteurs se faisant à la fréquence d’échantillonnage, ladite fréquence d’échantillonnage étant d’un ordre de grandeur supérieure à la fréquence de la tension périodique d’entrée et d’un ordre de grandeur supérieure à la fréquence de la tension périodique de sortie. Avantageusement, le convertisseur comporte un premier ensemble de filtrage de la tension d’entrée multiphasée, la matrice d’interrupteurs, un second ensemble de filtrage de la tension de sortie multiphasée, une boucle de régulation électronique et l’électronique de commande et de contrôle, l’électronique de commande et de contrôle pilotant la boucle de régulation électronique et la boucle de régulation électronique pilotant les commutations de la matrice d’interrupteurs. Avantageusement, le nombre N valant 3, les tensions d’entrée et de sortie sont triphasées, la matrice d’interrupteurs comportant 9 interrupteurs, le nombre de configurations d’interrupteurs étant égal à 6. Avantageusement, le nombre N valant 4, les tensions d’entrée et de sortie sont quadriphasées, la matrice d’interrupteurs comportant 16 interrupteurs, le nombre de configurations d’interrupteurs étant égal à 24. Avantageusement, les fréquences de la tension périodique d’entrée et de la tension périodique de sortie sont comprises entre 0,1Hz et 1000 Hz. Avantageusement, les puissances transmises par ledit convertisseur sont comprises entre 1 kW et 1000 kW. Avantageusement, le convertisseur est bidirectionnel, c’est-à-dire que la tension périodique d’entrée multiphasée est issue d’une source de tension et que la tension périodique de sortie multiphasée alimente une charge ou l’inverse. D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement : une illustration d’un premier convertisseur AC-AC selon l’art antérieur ; une illustration d’un second convertisseur AC-AC selon l’art antérieur ; une illustration d’un convertisseur matriciel AC-AC triphasé ; une illustration d’un convertisseur matriciel AC-AC quadriphasé ; représente différents types d’interrupteurs d’un convertisseur matriciel ; représente les différentes perturbations d’un signal triphasé ; représente une boucle de phase PLL utilisé dans un convertisseur matriciel selon l’art antérieur ; représente le synoptique d’une matrice d’interrupteurs d’un convertisseur selon l’invention ; représente le synoptique d’un convertisseur matriciel selon l’invention dans le cas de tensions d’entrée et de sortie triphasées ; représente le synoptique de l’électronique de commande d’un convertisseur matriciel selon l’invention ; représente les six configurations d’interrupteurs dans le cas de signaux triphasés ; représente le synoptique de l’électronique de commande d’un convertisseur matriciel selon l’invention dans le cas d’un fonctionnement source vers charge ; représente le synoptique de l’électronique de commande d’un convertisseur matriciel selon l’invention dans le cas d’un fonctionnement charge vers source. Le convertisseur matriciel AC-AC selon l’invention peut s’appliquer à tous types de tensions multiphasées. Cependant, comme on l’a vu, le nombre de configurations possibles d’interrupteurs croît comme la factorielle du nombre de phases. Aussi, dans ce qui suit, par souci de clarté, les figures 9 à 13 se rapportent à des tensions triphasées, limitant ainsi le nombre de configurations d’interrupteurs à 6. Pour l’homme du métier, la généralisation à des tensions comportant plus de trois phases ne présente aucune difficulté technique, le nombre de configurations à prendre en compte étant simplement plus important, le synoptique du convertisseur restant globalement le même. La figure 9 représente le synoptique d’un convertisseur matriciel 100 selon l’invention dans le cas de tensions d’entrée 200 et de sortie 300 triphasées. Dans ce qui suit, on notera A, B et C les trois tensions de phase de la tension d’entrée et U, V et W les trois tensions de phase de la tension de sortie. On notera également Va, Vb et Vc les valeurs des trois tensions de référence à un instant t correspondant à un temps d’échantillonnage et Vu, Vv et Vw les valeurs des trois tensions de sortie au même instant t d’échantillonnage. Ce convertisseur matriciel 100 comporte les éléments suivants : un premier ensemble de filtrage 101 ; une matrice d’interrupteurs 102 ; un second ensemble de filtrage 103 ; une électronique de commande et de contrôle 110 ; une boucle de régulation électronique 104 ; une électronique de mesure des courants 105. Le premier ensemble de filtrage 101est disposé entre la source de tension 200 et la matrice d’interrupteurs 102. Le second ensemble de filtrage 103 est disposé entre la matrice d’interrupteurs 102 et la charge 300. Chaque ensemble de filtrage comporte trois dispositifs de filtrage identiques disposés sur les trois voies d’entrée et sur les trois voies de sortie du convertisseur matriciel. La matrice d’interrupteurs 102 comporte trois rangées de trois interrupteurs non représentés sur la figure 9. L’électronique de commande et de contrôle 110 pilote la boucle de régulation électronique 104 ou « PWM », acronyme signifiant « Pulse Width Modulation » qui commande les ouvertures et les fermetures des interrupteurs de la matrice 102 à la fréquence du PWM. L’électronique du PWM est également pilotée en intensité par les mesures de courant de l’électronique 105. La durée d’application du PWM est proportionnelle au courant souhaité. L’électronique de commande et de contrôle 110 comporte les éléments suivants : trois moyens de mesure 111, 112 et 113 des trois tensions d’entrée Va, Vb et Vc prises à un instant t correspondant à un temps d’échantillonnage ; trois moyens de calcul 114, 115 et 116 des trois consignes Vu, Vv et Vw correspondant aux valeurs attendues des trois tensions de sortie au même instant t d’échantillonnage ; six moyens de calcul 121 à 126 des sommes de tensions, chaque somme de tensions correspondant à une configuration d’interrupteurs. Ces différentes configurations sont représentées sur la figure 11. Elles sont notées de C1 à C6. Plus précisément, on a, à chaque instant d’échantillonnage : Configuration C1 Configuration C2 Configuration C3 Configuration C4 Configuration C5 Configuration C6 l’échantillonneur-bloqueur 140 connu également sous le terme anglais « Sample and Hold » dont la fonction est de numériser les résultats des calculs précédents ; les moyens de contrôle 130 qui fonctionnent à la fréquence d’horloge de l’échantillonnage et qui pilote les différents moyens de l’électronique de commande à chaque changement d’instant d’échantillonnage t, la fréquence d’échantillonnage étant d’un ordre de grandeur supérieure à la fréquence de la tension périodique d’entrée et d’un ordre de grandeur supérieure à la fréquence de la tension périodique de sortie ; des moyens de comparaison 150 qui assurent la comparaison des valeurs des six sommes de tension calculées les moyens de calcul 121 à 126 ; des moyens de détermination 160 de la somme de tensions la plus faible ; des moyens de commande 170 de commutation des interrupteurs pour appliquer la configuration correspondant à la somme de tensions la plus faible ; une interface 180 de contrôle de puissance mettant en œuvre les commandes précédentes. A chaque changement d’instant d’échantillonnage, les mesures de tension, les calculs et la sélection de la configuration la mieux adaptée sont réitérées, la configuration la mieux adaptée pouvant être identique à celle sélectionnée à l’instant précédent ou une autre. Les fréquences de la tension périodique d’entrée et de la tension périodique de sortie sont préférentiellement comprises entre 50 Hz et 1000 Hz, sachant que le convertisseur selon l’invention peut travailler à des fréquences plus faibles ou plus élevées. Les puissances transmises par ledit convertisseur sont comprises entre 1 kW et 1000 kW, cette fourchette de valeurs n’étant pas limitative. Compte-tenu des valeurs de fréquence et de puissance de fonctionnement, les composants électroniques à mettre en œuvre ne présentent pas de difficultés particulières. Le convertisseur selon l’invention peut être bidirectionnel, c’est-à-dire que la tension périodique d’entrée multiphasée est issue d’une source de tension et que la tension périodique de sortie multiphasée alimente une charge ou l’inverse. Les figures 12 et 13 illustrent cette réversibilité. Sur la figure 12, le convertisseur est disposé entre une source d’entrée S et une charge de sortie C. Sur la figure 13, le convertisseur est disposé entre une charge d’entrée C et une source de sortie S. Dans ces deux configurations, la structure du convertisseur est identique. Il comporte comme précédemment décrit, un premier ensemble de filtrage 101, une matrice d’interrupteurs 102, un second ensemble de filtrage 103, une électronique de commande et de contrôle 110, une boucle de régulation électronique 104 et une électronique de mesure des courants 105. Dans l’exemple détaillé ci-dessus, les tensions sont triphasées. Lorsque les tensions sont quadriphasées, le synoptique du convertisseur comporte les mêmes éléments que celui de la figure 9. Simplement, le nombre de configurations d’interrupteurs à comparer est plus important. Il passe à 24 configurations. Le nombre de configurations passerait à 120 dans le cas de tensions comportant cinq phases et ainsi de suite. Convertisseur AC-AC matriciel (100) transformant une tension périodique d’entrée multiphasée (200) comportant N tensions d’entrée déphasées en une tension périodique de sortie (300) multiphasée comportant N tensions de sortie déphasées, ledit convertisseur comportant une matrice (102) carrée comportant N 2 interrupteurs, caractérisé en ce que le convertisseur comporte une électronique (110) de contrôle et de commande réalisant périodiquement au moins les deux fonctions suivantes : mémorisation de N! sommes de tensions, chaque somme de tensions correspondant à une configuration d’interrupteurs, chaque configuration d’interrupteurs mettant en relation N fois une et une seule tension d’entrée déphasée et une et une seule tension de référence déphasée, une tension de référence correspondant à une tension de sortie attendue, chaque somme de tensions étant la somme des N différences en valeur absolue entre une et une seule tension d’entrée déphasée et une et une seule tension de référence déphasée ; commutation de la matrice d’interrupteurs pour appliquer la configuration d’interrupteurs correspondant à la somme de tensions la plus faible. Convertisseur AC-AC matriciel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur comporte un échantillonneur (140) numérisant périodiquement les N erreurs correspondant à chaque configuration, l’application de la configuration d’interrupteurs se faisant à la fréquence d’échantillonnage, ladite fréquence d’échantillonnage étant d’un ordre de grandeur supérieure à la fréquence de la tension périodique d’entrée et d’un ordre de grandeur supérieure à la fréquence de la tension périodique de sortie. Convertisseur AC-AC matriciel selon la revendication 2, caractérisé en ce que le convertisseur comporte un premier ensemble (101) de filtrage de la tension d’entrée multiphasée, la matrice (102) d’interrupteurs, un second ensemble (103) de filtrage de la tension de sortie multiphasée, une boucle de régulation électronique (104) et l’électronique de commande et de contrôle (110), l’électronique de commande et de contrôle pilotant la boucle de régulation électronique et la boucle de régulation électronique pilotant les commutations de la matrice d’interrupteurs. Convertisseur AC-AC matriciel selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre N valant 3, les tensions d’entrée et de sortie sont triphasées, la matrice d’interrupteurs comportant 9 interrupteurs, le nombre de configurations d’interrupteurs étant égal à 6. Convertisseur AC-AC matriciel selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le nombre N valant 4, les tensions d’entrée et de sortie sont quadriphasées, la matrice d’interrupteurs comportant 16 interrupteurs, le nombre de configurations d’interrupteurs étant égal à 24. Convertisseur AC-AC matriciel selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fréquences de la tension périodique d’entrée et de la tension périodique de sortie sont comprises entre 0,1Hz et 1000 Hz. Convertisseur AC-AC matriciel selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les puissances transmises par ledit convertisseur sont comprises entre 1 kW et 1000 kW. Convertisseur AC-AC matriciel selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le convertisseur est bidirectionnel, c’est-à-dire que la tension périodique d’entrée multiphasée est issue d’une source de tension et que la tension périodique de sortie multiphasée alimente une charge ou l’inverse.