Optimisation de la fonction MLI d'un onduleur de tension deux-niveaux

La fonction MLI (Modulation en Largeur d'Impulsion) ou PWM (Pulse Width Modulation) joue le role d'interface entre la partie commande d’un variateur de vitesse et la machine electrique associee. Cette fonction agit sur l'onduleur de tension (ou de courant) de la partie puissance du variateur et joue un role essentiel avec des consequences sur toutes les performances du systeme. Nos travaux prennent en compte la machine asynchrone commandee a travers l'onduleur de tension deux-niveaux. Plusieurs problemes importants actuels de ce systeme a vitesse variable sont lies a la MLI : les pertes par commutation de l'onduleur, le bruit acoustique, les surtensions de ligne, les courants de fuite… Le travail effectue consiste a optimiser la fonction MLI vis-a-vis de ces criteres. Par le positionnement de la MLI vis-a-vis de ces elements, le probleme gagne un caractere pluridisciplinaire. Nous proposons dans un premier temps une modelisation graphique et algebrique des methodes MLI tres utile surtout du point de vue pedagogique. Cette caracterisation generalisee est indispensable. Elle met en evidence des elements essentiels comme "le mouvement du neutre". A partir de ces elements, les demarches d'optimisation vont dans quatre directions: 1- reduire les pertes de l’onduleur tout en gardant une ondulation du courant acceptable - adapter la strategie de MLI dans ce but, en prenant en compte l’etat de la machine (vitesse, couple) et l’etat de l’onduleur (temperature); 2- reduire le bruit moteur - adapter la strategie de modulation dans ce but a partir d’une meilleure connaissance de l’origine physique des sources de bruit dans un moteur electrique; 3- reduire les surtensions propagees par la ligne d’alimentation du moteur - adapter la strategie de modulation afin de minimiser l’influence des gradients de tension sur la ligne d’alimentation du moteur et sur le moteur lui-meme, en particulier reduire les surtensions generees lors de l’utilisation des longs câbles d’alimentation; 4- reduire les harmoniques de tension appliques a la machine, ainsi que les surtensions, par utilisation d’un filtre de sortie de l’onduleur - etudier l’apport d’un filtre en sortie de l’onduleur (a tensions de sortie regulees ou non) en termes de reduction d’harmoniques, de surtension, de dynamique du pont et de stabilite. Les programmes de simulation utilises sont generalement structures dans des blocks en Matlab/ Simulink classiques ou Power System Blockset, structures qui sont utilisees par la suite pour une experimentation en temps-reel a base de cartes dSpace. Le banc d'essai a ete specialement amenage pour notre etude et adapte a la structure de puissance existante dans le variateur ATV58. D'autres programmes de simulation comme POSTMAC ou CRIPTE ont ete aussi utilises. ABSTRACT : The PWM (Pulse Width Modulation) function is the interface between the control block of the electrical drive and its associated electrical motor. This function controls the voltage or current inverter (VSI or CSI) from the power block of the drive. Every performance of the system is influenced by the PWM that becomes therefore an essential element of the chain. Our study is focused on the AC induction motor that is controlled through a 2-level VSI. A few problems of our days concerning this variable speed system are related to the PWM: inverter switching losses, acoustical noise, dangerous over-voltages, leakage currents, etc. We have oriented our work towards optimising the PWM from these criteria point of view. By the position of the PWM among these elements the study becomes multi-disciplinary. Firstly, we propose a graphical an algebraic modeling of the PWM strategies. This generalized characterisation is indispensable for our study. It is a very useful tool mainly because of its pedagogical content. Essential elements as the “zero-voltage movement” are outlined. Based on these elements, the optimisation study is oriented in 4 directions: 1- reduce the inverter losses without noticeable changing the current ripple – in order to obtain this, adapting the PWM strategy by taking into account the state of the machine (speed, torque) and the state of the inverter (temperature); 2- reduce the acoustical noise of the motor – optimise the modulation strategy starting from a better analysis of the physical origin of the noise from an electrical motor; 3- reduce the dangerous over-voltages propagating through the motor supply line – adapting the PWM in order to minimize the influence of the voltage gradients onto the cable or the motor, mainly reduce the over-voltage transients generated when using a long cable supply; 4- reduce the voltage harmonics as well as the over-voltage transients applied to the motor, by using an output filter on the inverter – study the benefit of an output filter (with voltages regulation or without) in what concerns harmonics reduction, over-voltage reduction, inverter dynamics and stability. We have used simulation programs generally structured in blocks from classical Matlab / Simulink or Power System Blockset. These blocks are used further for real-time simulation (experiment) with dSpace cards. The dSpace bench has been especially built for our study and adapted to the power card of the ATV58 drive. Other simulation software like POSTMAC or CRIPTE has been used.