Modélisation et commande des redresseurs triphasés fonctionnnant à haut rendement et à faible taux de distorsion harmonique : application au redresseur triphasé de Vienne

摘要

Les problèmes de la qualité de fonde électrique constituent l'une des préoccupations majeures des fournisseurs de l'énergie et des organismes spécialisés en qualité d'énergie. Ce sujet a gagné davantage d'ampleur avec l'utilisation ascendante des convertisseurs de l'énergie électrique dans la majorité des applications industrielles et domestiques. Dans le cadre de cette thèse, on s'intéresse plus particulièrement au type des convertisseurs continu/alternatif dont le fonctionnement adéquat implique la parfaite régulation du bus DC de tension, l'atténuation des harmoniques de courants, la compensation de l'énergie réactive et la maximisation du rendement énergétique. Ces différents critères doivent être maintenus pour diverses conditions de fonctionnement, c'est-à-dire indépendamment des variations paramétriques auxquelles le système peut être sujet. 11 s'avère donc indispensable d'adopter des techniques de commande efficaces, ce qui passe par une modélisation correcte du convertisseur.ududOn se propose, en un premier temps, de mettre en place une plate-forme expérimentale pour la validation des différents concepts théoriques proposés. Pour ce faire, on a conçu et mis en oeuvre un redresseur triphasé non polluant de 1.5 kVA, alimentant des charges purement résistives. Une étude comparative de différentes topologies non polluantes nous a incité à choisir le redresseur triphasé trois-nivaux à trois interrupteurs, communément connu sous le nom "convertisseur de Vienne". Le choix de cette topologie a été motivé par ses avantages point de vue simplicité de circuiterie, rendement énergétique élevé et très hautes performances pour la correction de facteur de puissance. L'approche de design proposée dans ce travail est générale, et peut être facilement adaptée à des prototypes de plus grande puissance.ududLa deuxième étape consiste à caractériser le plus précisément possible les dynamiques du convertisseur. La technique de la moyenne sur une période de commutation est alors utilisée pour développer le modèle d'état moyen du convertisseur. Le modèle ainsi obtenu présente de très fortes variances dans le temps, le rendant difficiles à exploiter pour des fins de commande. Une transformation adéquate des rapports cycliques, ainsi que l'expression des variables d'état instantanées dans le repère synchrone dqo, permettent de résoudre cet inconvénient. Par la suite, le modèle moyen obtenu est utilisé pour dériver le modèle statique (au point de foncfionnement nominal) et le modèle en régime de pefits signaux. ududCes différents modèles du convertisseur sont validés en temps réel sur le prototype expérimental,udmoyennant la carte de commande DSI 104 de dSPACE® et l'environnement Real-Time Workshop de Matlab. Les oufils de validation du modèle moyen sont basés sur l'analyse des trajectoires dans le plan de phase et des réponses temporelles. Pour le modèle fréquentiel, on utilise la fameuse technique de perturbation en petits signaux et les diagrammes de Bode.ududUne fois la fiabilité des modèles proposés est prouvée, on procède à la conception des lois de commande. Dans ce contexte, deux avenues sont empruntables: soit une technique de commande linéaire utilisant le modèle linéaire invariant dans le temps du convertisseur, soit une technique de commande non-linéaire, conçue sur la base du modèle d'état moyen. Pour la première approche, on se propose d'étudier les performances d'un nouveau concept, qu'est la commande quasi-linéaire. Cette technique présente plusieurs atouts, tels que sa simplicité de conception et d'implantation, mais présente également les limitations des techniques de commande linéaires. Ces dernières sont particulièrement mises en évidence lors de régimes de fortes perturbations. Des stratégies de commande non-linéaire et non-linéaire adaptative sont alors proposées, et permettent d'améliorer les dynamiques transitoires du système.ududLa synthèse des différentes lois de commande proposées permet de conclure que les techniques non-linéaires sont incontestablement les plus robustes face aux diverses perturbations. Cependant, ils requièrent des efforts de mesure assez élevés. La réduction du nombre de capteurs dans le circuit apparaît donc comme une nouvelle préoccupation à prendre en compte. On propose alors de reconstruire numériquement les tensions AC et DC du convertisseur, utilisant un observateur non-linéaire de type filtre de Kalman étendu. Les variables estimées sont ensuite utilisées à la place de leurs contreparties mesurées pour réimplanter la commande non-linéaire. Les résultats obtenus sont assez satisfaisants.