Stratégie de modulation pour la réduction des perturbations conduites générées par un variateur de vitesse à redresseur MLI

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1 N d ordre : Universié Lille 1 Sciences e Technologies Ecole Docorale Sciences pour l Ingénieur Thèse Présenée en vue d obenir le grade de Doceur En Génie élecrique Par Mehdi Messaoudi Docora Délivré par l Universié Lille 1 Sciences e Technologies Sraégie de modulaion pour la réducion des perurbaions conduies générées par un variaeur de viesse à redresseur MLI Souenue le 18 décembre 215 devan le jury Présiden Prof. François COSTA Universié Paris-Es de Créeil Rapporeur Prof. Serge PIERFEDERICI Universié de Lorraine Nancy Rapporeur Prof. Khalil EL KHAMLICHI DRISSI Universié Blaise Pascal Clermon- Ferrand Direceur de hèse Prof. Nadir IDIR Universié Lille 1 Co-encadran Dr. Arnaud VIDET Universié Lille 1 Invié indusriel Mr. Hocine BOULHARTS Schneider Toshiba Inverer

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3 i Remerciemens Après ces rois années de hèse, il es emps de remercier oues les personnes qui on conribué de près ou de loin à ces ravaux. Tou d abord, je iens à remercier l ensemble des membres du jury pour l inérê que vous avez poré à mes ravaux. Je remercie Monsieur François Cosa, Professeur à l Universié Paris Es de Créeil d avoir accepé de présider mon jury de hèse. Je remercie égalemen Monsieur Serge Pierfederici, Professeur à l Universié de Lorraine e Monsieur Khali El Khamlichi Drissi, Professeur à l Universié Blaise Pascal de Clermon Ferrand d avoir accepé de rapporer sur mon ravail de hèse. Je ne doue pas que cela n a pas éé une mince affaire e je vous remercie pour vos analyses perinenes e consrucives de mes ravaux. Je remercie égalemen Monsieur Heu Vang, Doceur ingénieur en élecronique de puissance, de m avoir accueilli au sein de Schneider Toshiba Inverer Europe. Je remercie égalemen Mr Hocine Boulhars, Ingénieur en élecronique de puissance chez Schneider Toshiba, pour son souien, son suivi de mes ravaux, ainsi que pour ous les remarques «aillonnes» qu il a pu me faire duran ces rois années. Je iens à remercier ou pariculièremen Messieurs Nadir Idir, Professeur à l Universié de Lille 1 e Arnaud Vide, Maîre de Conférences à l Universié de Lille 1 pour leur souien indéfecible ou au long de ces rois années. Je vous remercie pour vos conseils, vore disponibilié, vore emps e les nombreuses faue d orhographe que vous avez pris, je le pense, plaisir à commener (n es-ce pas ma «bêe noire ^^»). A ire d informaion : Le docoran écri : «Vis versa» L encadran répond : «as péé un boulon» Merci égalemen pour l effor de rigueur don vous avez fai preuve lors de la revue de mes ravaux, rigueur qui j en suis cerain me sera rès uile par la suie. Une pensée oue pariculière es adressée à ma famille e à ma peie amie qui a du me «supporer» duran ces rois ans riches en expériences (e en alcool). «On ne peu pas gagner sur ous les plans ainsi fau-il savoir si le jeu en vau la chandelle» Bonne lecure

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5 iii Table des maières Table des figures... viii Lise des ableaux... xiv Inroducion générale... 1 Chapire 1 : Perurbaions élecromagnéiques (PEM) Définiions Généraliés sur les perurbaions élecromagnéiques Couran de mode commun e de mode différeniel Surensions en sorie des variaeurs de viesse Analyse des problèmes de PEM Source de perurbaions Couplages: chemins de propagaion Les vicimes Mesure des perurbaions conduies Proocole de mesure des PEM Normes appliquées à la variaion de viesse Méhodes de réducion des perurbaions conduies Topologie des converisseurs de puissance Filrage Filres passifs Filres acifs Conclusion sur les soluions de filrage Commuaion des inerrupeurs de puissance Acion sur les commuaions des ransisors Circuis d aide à la commuaion... 29

6 iv Commuaion douce Conclusion sur la réducion des dv/d Commande logique des inerrupeurs de puissance Applicaion à un ensemble redresseur pon de diode - onduleur Applicaion à un ensemble redresseur MLI - onduleur Conclusion sur les sraégies de modulaion Déerminaion de la srucure du converisseur du variaeur de viesse Choix de la srucure du converisseur Disorsions harmoniques sur le réseau élecrique Présenaion de la srucure reenue Commande des converisseurs Principe de commande d un onduleur MLI Principe de commande du redresseur MLI Eude des degrés de liberé de l'ensemble AFE onduleur La composane homopolaire Le déplacemen d impulsions Conclusion du chapire Chapire 2 : Présenaion de la sraégie de modulaion Principe de réducion des variaions de la ension de mode commun générée par un variaeur de viesse avec redresseur AFE Eude de la sraégie de modulaion développée Degrés de liberé liés à la synchronisaion oale Influence de la largeur des impulsions sur la ension du bus coninu Uilisaion de la composane homopolaire Applicaion de l injecion d harmonique 3 à la synchronisaion oale Conséquences sur le raio des ensions enrée-sorie Conséquences sur la ension du bus coninu E Différenes soluions de synchronisaion oale Cas d associaion de frons de ension impropres à la synchronisaion oale Eude des soluions pour une synchronisaion oale Placemen des impulsions sur une période de découpage... 66

7 v 3. Mise en œuvre d un algorihme décisionnel Crière de choix Respec du crière en foncion du poin de foncionnemen e des différenes soluions de synchronisaion Définiion des poins de foncionnemen du variaeur de viesse Conraine de confinemen dans une période de commuaion Conraine d imbricaion des impulsions Conclusion de l éude héorique Validaion de l algorihme décisionnel Validaion du principe de la synchronisaion oale Jusificaion du choix de confinemen des impulsions dans la période de découpage Conclusion du chapire Chapire 3 : Influence des imperfecions sur la ension de mode commun L origine des résidus de commuaions : les commuaions des ransisors Sensibilié au synchronisme des commuaions (Δτ) Reards dans la chaîne de commande des ransisors Défau de synchronisme lié à l éablissemen du couran dans le canal lors de la mise en condiion d'un ransisor Similiude des frons de ension dv/d Résidus liés à deux commuaions de ype ransisors vers diode (TD) Résidus liés à une synchronisaion des deux ypes de commuaion Modélisaion réalise des commuaions Modèles de commuaion Modélisaion simplifié des phénomènes de commuaion : méhode Modélisaion plus fine des phénomènes de commuaion : méhode Injecion de formes d onde mesurées : méhode Récapiulaif des différenes méhodes de modélisaion des frons de ension Comparaison des modèles proposés Deux commuaions diode-ransisor Deux commuaions ransisor-diode Une commuaion TD e une DT commuaion mixe

8 vi 3. Impac des résidus sur la synchronisaion oale Résidus présens à chaque période de découpage Effes de la compensaion des emps mors Effes de la charge appliquée au variaeur de viesse Voies d opimisaion du conenu specral de la ension de mode commun Augmenaion des viesses de commuaion Maximisaion des résidus DT DT Opimisaion de la symérie des résidus de commuaions Conclusion du chapire Chapire 4 : Mise en œuvre du disposiif expérimenal Spécificaions echniques Descripion des moyens de mesure Mise en œuvre de l algorihme de synchronisaion oale Validaion des performances en mode commun Validaion du principe de synchronisaion oale Effe de la compensaion des emps mors Amélioraion de la symérie des résidus de commuaion Homogénéisaion des dv/d Symérie des résidus de commuaion Conséquences sur la ension de mode commun Conséquences sur le couran de mode commun Appors de la ST dans le domaine indusriel Modèle de mode commun simplifié du disposiif expérimenal Mesure des capaciés du câble e du moeur (C O_1 ) Mesure des capaciés d un module de puissance : C bus-erre e C phases-erre Mesure des capaciés enre RSIL e variaeur : C R_ Validaion du modèle Conraines CEM pour un variaeur de viesse sandard (sraégie de modulaion SPWM) Effe de la longueur du câble moeur Sauraion des filres de mode commun

9 vii 3.3. Applicaion de la synchronisaion oale Conraine liée aux grandes longueurs de câble Réducion du flux dans le noyau magnéique de la bobine de mode commun Conclusion du chapire Conclusion générale Annexes Annexe 1 : Cas pariculiers de synchronisaion de frons de ension Annexe 2 : Soluions d associaion de frons de ension pour la synchronisaion oale Annexe 3 : Représenaion des soluions de synchronisaion à l aide des moifs de base Annexe 4 : Dénombremen des résidus DT DT Bibliographie

10 viii Table des figures Chapire 1 : Figure 1.1 : Principe d'analyse CEM... 1 Figure 1.2 : Chemin de propagaion des courans de mode différeniel e de mode commun - sysème monophasé (a) e riphasé (b) Figure 1.3 : Tensions aux bornes du câble riphasé (a) e formes d'ondes des ensions (b) Figure 1.4 : Circulaion des courans HF dans un variaeur de viesse Figure 1.5 : Représenaion d une impulsion de ension (a) e sa réponse fréquenielle (b) Figure 1.6 : Tension de mode commun générée par un onduleur MLI Figure 1.7 : Représenaion des capaciés parasies pour un bras d onduleur deux niveaux Figure 1.8 : Représenaions d un moeur vu en coupe (a) e des capaciés parasies au sein d un moeur (b) Figure 1.9 : Vicimes des courans de mode commun Figure 1.1 : Disposiif de mesure de perurbaions élecromagnéiques Figure 1.11 : Circui équivalen simplifié de mode commun d'un variaeur de viesse à pon de diode Figure 1.12 : Gabari de la norme classe 3 pour une mesure avec un déeceur quasi-peak.. 19 Figure 1.13 : Représenaion de l impac des échelons de ension (a) sur la représenaion specrale asympoique (b) de la ension... 2 Figure 1.14 : Tension enre phases fournie par un onduleur à deux (a) e rois (b) niveaux de ension21 Figure 1.15 : Conenu specral simulé d une ension enre phases sans filre (a) e avec filre (b) aénuaion du filre (c) Figure 1.16 : Uilisaion d'un filre sinusoïdal Figure 1.17 : Filre de mode commun sur le réseau Figure 1.18 : Filre de mode commun en sorie de l onduleur Figure 1.19 : Représenaion simplifiée de mode commun d une mise en opposiion de sources de perurbaions Figure 1.2 : Représenaion de l impac des viesses de commuaion (a) sur la représenaion specrale asympoique (b) d une ension rapézoïdale Figure 1.21 : Srucure du converisseur abaisseur(a) formes d'ondes des courans e ensions d'un IGBT duran la commuaion urn ON (b) e urn-off (c) Figure 1.22 : Tension de mode commun sans (a) e avec (b) fla op... 3 Figure 1.23 : Tension de mode commun avec synchronisaion de deux frons de ension (a), résulane de deux frons de ension sans (b) e avec (c) synchronisaion Figure 1.24 : Tension de mode commun généré par un ensemble redresseur MLI onduleur (a), résulane de deux frons de ension sans (b) e avec (c) synchronisaion Figure 1.25 : Sraégie de synchronisaion parielle (a) e oale (b) des frons de ension d un ensemble AFE onduleur Figure 1.26 : Srucure de conversion pour la variaion de viesse Figure 1.27 : Simulaion de courans absorbés par un redresseur à diodes (a) e son conenu specral (b) Figure 1.28 : Circulaion des courans de mode commun dans un environnemen composé d un ensemble AFE - onduleur Figure 1.29 : Modèle de mode commun avec uilisaion d un AFE Figure 1.3 : Onduleur deux niveaux... 4

11 ix Figure 1.31 : Modulaion inersecive avec uilisaion d une poreuse riangulaire (a) den de scie descendane (b) e den de scie ascendane (c) Figure 1.32 : Conrôle d AFE par imbricaion de régulaion de ension e de couran Figure 1.33 : Applicaion de la composane homopolaire Figure 1.34 : Impulsion cenrée (a) e déplacée sur la gauche (b) par uilisaion d une modulaion inersecive Chapire 2 : Figure 2.1 : Srucure d un variaeur de viesse éudiée Figure 2.2 : Modèle élecrique équivalen simplifié de mode commun du variaeur de viesse éudié 49 Figure 2.3 : Tension mode commun simplifié d un variaeur de viesse composé d un AFE (a) ension résulane de la différence de V AO e V XO (b) principe d annulaion des variaions (c)... 5 Figure 2.4 : Tension mode commun obenue avec la SPWM (a) e la synchronisaion oale (b) Figure 2.5 : Synchronisaion des frons monans (FM) e descendan (FD) permean une synchronisaion oale Figure 2.6 : Représenaion d un moif de synchronisaion sous forme d une somme algébrique des largeurs d impulsions Figure 2.7 : Exension de linéarié d un AFE (a) e d un onduleur par applicaion d une composane homopolaire calculée pour l AFE Figure 2.8 : Poenialié de réducion de l ampliude de la composane homopolaire pour une exension de linéarié à Figure 2.9 : Limiaion des profondeurs de modulaion en foncion du rappor des ensions enrée/sorie du variaeur de viesse (a) Limiaion de r red en foncion de r ond (b)... 6 Figure 2.1 : Augmenaion relaive de la ension du bus coninu par applicaion de la conraine d égalié des composanes homopolaires Figure 2.11 : Muliplicié des soluions de synchronisaion oale Figure 2.12 : Cas de synchronisaion oale (a) e représenaion simplifiée du moif de synchronisaion (b) Figure 2.13 : Cas de synchronisaion oale avec égalisaion de deux impulsions (a) e représenaion simplifiée du moif de synchronisaion (b) Figure 2.14 : Dénombremen des soluions de synchronisaion oale exemple de la soluion n Figure 2.15 : Degré de liberé sur le posiionnemen de la période de découpage Figure 2.16 : Moif de synchronisaion oale avec confinemen dans la période de découpage (a) e sans (b) Figure 2.17 : Moif récuran à oue soluion de synchronisaion pour une synchronisaion oale... 7 Figure 2.18 : Moif de confinemen à rois impulsions (a) dans une impulsion d un converisseur (b) ou de l aure (c) Figure 2.19 : Soluions de synchronisaion issues d un même moif de base Figure 2.2 : Insans de commuaion pour un cas de confinemen dans l associaion de rois impulsions (a) e dans Max (b) Figure 2.21 : Résulas de simulaion pour une ension de mode commun obenue par MLI cenrée (a) e par uilisaion de la méhode de synchronisaion oale (b) Figure 2.22 : Zoom sur deux périodes de découpage des ensions de mode commun obenues par une MLI cenrée (a) e par uilisaion de la ST (b)... 83

12 x Figure 2.23 : Tension du bus coninu (a), ension e couran de ligne (b). (Simulaion) Figure 2.24 : Couran e ension enre phases avec uilisaion de la SPWM (a), ST + sol. 4 (b) e ST + sol. 7 (c). (Simulaion) Figure 2.25 : Ondulaion de couran e ension simples délivrées par l onduleur dans le cas d impulsions imbriquées e cenrées (a) obenue avec la SPWM, d imbricaion non cenrée (b), de chevauchemen (c) e de basculemen (d) obenus avec la ST. (Simulaion) Chapire 3 : Figure 3.1 : Représenaion d un variaeur de viesse à redresseur MLI Figure 3.2 : Représenaion simplifiée des différens ypes de commuaion Figure 3.3 : Commuaions TD de durée supérieure au emps mor commuaions à deux penes Figure 3.4 : Résidus issu des commuaions parfaiemen synchronisées (a), e de commuaions quelconques (b) Figure 3.5 : Représenaion emporelle des résidus mixes avec e sans emps mors (a) e analyse fréquenielle pour différen TM (b) Figure 3.6 : Compensaion des emps mors pour un couran de phase i X posiif (a) e négaif (b) Figure 3.7 : Représenaion simplifiée de la chaîne de commande des ransisors Figure 3.8 : Représenaion des reards pouvan subvenir sur la chaîne de commande des ransisors 97 Figure 3.9 : Mesure du Jier (a) e zoom sur la plage de variaions (b) Figure 3.1 : Défaus de synchronisme occasionnés par le jier ΔT Jier Figure 3.11 : Probabilié de présence du jier en foncion du défau de synchronisme ΔT Jier Figure 3.12 : Commuaion DT pour différens courans commué (a) e reard ΔT canal lié à l éablissemen du couran dans le canal du ransisor en foncion du couran commué (b) Figure 3.13 : Simulaion de résidus DT DT pour différenes durées de commuaion (a) e analyse fréquenielle (b) Figure 3.14 : Résidus TD TD pour différenes durées de commuaion (a) e analyse fréquenielle (b) Figure 3.15 : Mesures expérimenales de commuaion TD pour différens courans commués (a), zoom pour les fors courans (b) Figure 3.16 : Simulaion de résidus TD DT pour différen dv/d (a) e analyse fréquenielle (b) Figure 3.17 : Linéarisaion des commuaions DT (a) e évoluion simplifiée du couran commué (b) Figure 3.18 : Modélisaion des commuaions TD sans (a) e avec (b) cassure de pene en uilisan la méhode Figure 3.19 : Modélisaion de résidus issus de deux commuaions DT, en foncion du couran commué, avec la méhode 1 (a) e prise en compe de l évoluion endancielle de ΔT Canal (méhode 2) foncion du couran commué (b) Figure 3.2 : Méhode 2 de reproducion des commuaions TD sans (a) e avec (b) cassure de pene en foncion du couran commué Figure 3.21 : Inerpolaion des courbes de commuaion mesurées sans (a) e avec (b) cassure de pene Figure 3.22 : Résulas de simulaions des formes d ondes emporelles (a) e enveloppes specrales (b) des «résidus» de synchronisaions de deux commuaions DT Figure 3.23 : Résulas de simulaions des formes d ondes emporelles (a) e enveloppes specrales (b) de «résidus» de synchronisaion de deux commuaions TD

13 xi Figure 3.24 : Résulas de simulaions des formes d ondes emporelles (a) e enveloppes specrales (b) de «résidus» de synchronisaion des commuaions TD e DT Figure 3.25 : Résulas de simulaions des formes d ondes emporelles (a) e enveloppes specrales (b) des «résidus» lors d'une synchronisaion des commuaions DT e TD avec cassure de pene Figure 3.26 : Résidus générés par la synchronisaion oale (exemple avec la soluion n 7) Figure 3.27 : Résulas des simulaions de la ension de mode commun obenue avec la SPWM (a), la ST sans compensaion des emps mors (b), la ST avec compensaion des emps mors basée sur le signe du couran (c), la ST sans emps mors (d) Figure 3.28 : Conenu specral de la ension de mode commun en pour différenes sraégies de modulaion e de la compensaion des emps mors Figure 3.29 : Résulas de simulaion emporelle (a, b) e analyse fréquenielle (c) d une ension de mode commun pour un moeur à vide e chargé Figure 3.3 : Evoluion relaive de la ension de mode commun pour Figure 3.31 : Comparaif emporel (a) e fréqueniel (b) enre une impulsion e un résidu de commuaion de ype DT - DT Figure 3.32 : Représenaion d impulsions (a) e de résidus (b) sous différenes viesses de commuaions Figure 3.33 : Représenaion asympoique du conenu specral des différenes impulsions e des résidus de commuaions Figure 3.34 : Résidus de ype DT DT sans (a) e avec (b) compensaion parfaie des défaus de synchronisme (commuaion sous forme de droies) Figure 3.35 : Comparaison des conenus specraux de ension de mode commun pour une maximisaion e une minimisaion des résidus de ype DT - DT Figure 3.36 : Formaion d un résidu mixe sans (a) e avec (b) synchronisaion à mi-ension Figure 3.37 : Déerminaion des durées pour aeindre la mi-ension des commuaions TD (a) e DT (b) mesurées expérimenalemen Figure 3.38 : Résulas des simulaions emporelles sur une période de découpage (a) e analyses fréquenielles (b) de la ension de mode commun sans e avec une synchronisaion à mi-ension Chapire 4 : Figure 4.1 : Disposiif expérimenal uilisé pour les mesures expérimenales Figure 4.2 : Sysème de mesure des ensions de mode commun du variaeur de viesse éudié Figure 4.3 : Représenaion schémaique de l implémenaion de l algorihme de synchronisaion oale Figure 4.4 : Régulaion de la ension du bus coninu sans (a) e avec (b) un reard enre les modulanes e les ordres de commandes appliqués à l AFE (simulaions) Figure 4.5 : Mesures expérimenales des ensions de mode commun induies par l AFE e l onduleur (a) puis par le variaeur de viesse (b) sur une période de découpage Figure 4.6 : Forme d'onde de la ension de mode commun sur une période de découpage (a) analyse fréquenielle (b) pour les sraégies SPWM e ST avec e sans compensaion des emps mors pour un foncionnemen à vide Figure 4.7 : Mesures expérimenales du : (a) couran absorbé par le moeur, (b) couran prélevé du réseau élecrique par l AFE, (c) ension de mode commun sur une période de foncionnemen de l ensemble AFE onduleur, (d) couran prélevé du réseau élecrique par l AFE sur deux périodes découpage, (e) ension de mode commun résulane sur deux périodes de découpage

14 Figure 4.8 : Analyse fréquenielle de la ension de mode commun obenue avec la ST pour différens poins de charge du moeur Figure 4.9 : Formes d'ondes des commuaions ransisor vers diode de l AFE (a) e de l onduleur (b) pour différenes valeurs de couran commué Figure 4.1 : Mesures des reards liés aux délais de la chaîne de commande d un ransisor de l onduleur pour des commuaions de ype TD e DT ( = correspond à l insan où l ordre logique es envoyé) Figure 4.11 : Dénominaion des douze ransisors dans les six bras de la srucure AFE onduleur 146 Figure 4.12 : Généraion de commuaions sans (a) e avec (b) compensaion des délais de propagaion des ordres de commande exemple enre les bras A e X Figure 4.13 : Mesure des durées à mi-ension des commuaions DT (a) des commuaions TD de l onduleur (b) e de l AFE (c) Figure 4.14 : Analyse de l'évoluion de la durée à mi-ension en foncion du couran commué des commuaions DT (a) des commuaions TD de l onduleur (b) e de l AFE (c) Figure 4.15 : Calcul de ΔT MH pour la synchronisaion à mi-ension sur un ordre de commande de ype fron monan (a) e descendan (b) Figure 4.16 : Couran consommé par l'afe (a) e le moeur (b) pour un foncionnemen à vide Figure 4.17 : Tension de mode commun issue de la ST mesurée sur une période de foncionnemen du variaeur de viesse (a) e analyse fréquenielle (b) pour un foncionnemen à vide Figure 4.18 : Couran consommé par l'afe (a) e moeur (b) pour un foncionnemen en charge Figure 4.19 : Tension de mode commun issue de la ST mesurée expérimenalemen sur une période de foncionnemen du variaeur de viesse (a) e sur une période de découpage (b) pour un foncionnemen en charge Figure 4.2 : Analyse fréquenielle de la ension de mode commun issue de la ST pour un foncionnemen du moeur en charge Figure 4.21 : Résidus de commuaion dans le cas : une mauvaise compensaion de commuaions TD - DT (a), des emps mors mal compensés, une bonne compensaion de commuaions don l une es à cassure de pene (b), une bonne compensaion de commuaions DT DT (c) Figure 4.22 : Représenaion schémaique des poins de mesure du couran de circulaion à la erre 156 Figure 4.23 : Mesure emporelle (a) e analyse fréquenielle (b) du couran de mode commun pour les deux sraégies de modulaion avec un câble de 5m Figure 4.24 : Aénuaion de la ension e du couran de mode commun pour les deux sraégies de modulaion avec 5m de câble moeur Figure 4.25 : Disposiif de mesure du couran enre la erre e le radiaeur - chemin capaciif du bus coninu (a) e mesure du couran pour les deux sraégies de modulaion (b) Figure 4.26 : Mesure du couran de mode commun en enrée du variaeur de viesse sans connexion à la erre (a) Aénuaion du couran par rappor à la ension de mode commun (b) Figure 4.27 : Représenaion simplifiée de mode commun d un variaeur de viesse e de son environnemen Figure 4.28 : Représenaion schémaique de la méhode de mesure de l impédance de mode commun du câble en circui ouver (a) e du câble connecé au moeur (b) Figure 4.29 : Impédance (a) e phase (b) du câble de 15m avec e sans moeur connecé Figure 4.3 : Impédance (a) e phase (b) du câble de 5m avec e sans moeur connecé Figure 4.33 : Représenaion d un module de puissance (a), capaciés parasies d une associaion ransisor diode aniparallèle (b) xii

15 Figure 4.34 : Capaciés parasies d un bras de module de puissance (a), mesure des capaciés bus-erre avec la garde de l analyseur d impédance Figure 4.35 : Impédance (a) e phase (b) des capaciés parasies du module de puissance sur les rois phases Figure 4.31 : Représenaion schémaique de la mesure de l impédance de mode commun d une bobine AC Figure 4.32 : Impédance (a) e phase (b) en mode commun d'une bobine AC en enrée du variaeur165 Figure 4.36 : Comparaison des résulas obenus avec le modèle analyique e de la mesure expérimenale du couran de mode commun pour les sraégies de modulaion SPWM (a) e ST (b) 165 Figure 4.37 : Inducance de mode commun pour un sysème riphasé Figure 4.38 : Couran de mode commun à 15kHz pour une variaion de C b e C O dans le cas d un AFE sous sraégie de modulaion SPWM Figure 4.39 : Représenaion équivalene en mode commun de la bobine riphasée du filre de mode commun (a) e représenaion de la ension de mode commun (b) e du flux dans le noyau Figure 4.4 : Aénuaion du couran par rappor à la ension de mode commun pour un câble moeur de 5m (a) e de 15m (b) issues de mesures expérimenales Figure 4.41 : Analyse fréquenielle de courans de mode commun mesurés pour des câbles moeur de 5m (a) e 15m (b) Figure 4.42 : Couran de mode à 15kHz pour une variaion de C b e C O dans le cas d un AFE avec la ST non sans (a) e avec (b) opimisaion des résidus par synchronisaion à mi-ension Figure 4.43 : Couran de mode à 15kHz en foncion de la longueur du câble moeur Figure 4.44 : Flux en V/s généré par une sraégie de modulaion SPWM à poreuses en opposiion de phase, synchronisées e la ST Figure 4.45 : Filres de mode commun uilisés pour la validaion expérimenale Figure 4.46 : Couran de mode commun avec uilisaion des filres F1 (a) e F2 (b) Figure 4.47 : Mesure normaive des émissions conduies (quasi-peak) avec uilisaion des filres F1 (a) e F2 (b) xiii

16 xiv Lise des ableaux Chapire 1 : Tableau 1.1 : Conducion des inerrupeurs de puissance d un bras d onduleur... 4 Chapire 2 : Tableau 2.1 : Ensemble des soluions permean une synchronisaion oale Tableau 2.2 : Ordonnancemen des impulsions d un ensemble onduleur AFE de la plus large à la plus fine Tableau 2.3 : Condiions nécessaires e suffisanes pour le confinemen dans la période de découpage des moifs de synchronisaion issus de l associaion d un moif de base (B1, B2, B3) à un moif de confinemen (C1, C2, C3) Tableau 2.4 : Aribuion des ordonnancemens des impulsions des différens moifs de synchronisaion confinés dans la période de découpage issus de l associaion d un moif de base (B1, B2, B3) à un moif de confinemen (C1, C2, C3) Tableau 2.5 : Aribuion des douze soluions de synchronisaion aux moifs de base de synchronisaion Tableau 2.6 : Conraines pour le confinemen dans la période de découpage avec Min apparenan à l AFE Tableau 2.7 : Conraines pour le confinemen dans la période de découpage avec Min apparenan à l onduleur Tableau 2.8 : Condiions nécessaires e suffisanes pour l imbricaion des impulsions du converisseur n 2 des moifs de synchronisaion issus de l associaion d un moif de base (B1, B2, B3) à un moif de confinemen (C2, C22) Tableau 2.9 : Aribuion des ordonnancemens de largeur d impulsions pour l imbricaion des impulsions du converisseur n 2 des moifs de synchronisaion issus de l associaion d un moif de base (B1, B2, B3) à un moif de confinemen (C2, C22)... 8 Tableau 2.1 : Aribuion des douze soluions de synchronisaion en foncion des moifs de confinemen C2 e C Tableau 2.11 : Calcul des modulanes pour le placemen des impulsions avec uilisaion de la soluion n Chapire 3 : Tableau 3.1 : Type de commuaion en foncion du signe du couran e de l ordre de commande logique appliqué à T Tableau 3.2 : Effe de la variaion du jier uniquemen Tableau 3.3 : Pene K des ensions commuées en foncion du couran Tableau 3.4 : Résumé des différenes méhodes de modélisaion des commuaions Tableau 3.5 : Dénombremen des résidus de commuaions pour les deux configuraions: 2p1n e 2p1n

17 xv Tableau 3.6 : Dénombremen des résidus de commuaions par période de découpage pour deux converisseurs dans les configuraions 2p1n e 2p1n Tableau 3.7 : Dénombremen des résidus de commuaions par période de découpage pour deux converisseurs dans les configuraions 2p1n e 1p2n Tableau 3.8 : Dénombremen des résidus de commuaions par période de découpage avec uilisaion de la ST Tableau 3.9 : Nombre de résidus DT DT pour chaque soluion e pour chaque combinaison de couran Tableau 3.1 : Exemple de recensemen de résidus issus de la maximisaion de synchronisaions de ype DT sans conraine de confinemen Chapire 4 : Tableau 4.1 : Récapiulaif des délais de propagaion pour chaque ransisor de chaque bras de la srucure onduleur AFE pour les deux ypes de commuaion Tableau 4.2 : Ecar relaif des délais de propagaion pour chaque ransisor de chaque bras de la srucure onduleur AFE par rappor au plus imporan exprimé en nombre de pas d horloge du DSP Tableau 4.3 : Aribuion des reards relaifs ε aux modulanes uilisées pour le placemen des impulsions de chacun des bras de l associaion onduleur - AFE Tableau 4.4 : Déerminaion des coefficiens de fiing de la foncion décrivan l évoluion du délai à mi-ension Tableau 4.5 : Déerminaion des coefficiens de fiing de la foncion décrivan l évoluion du délai à mi-ension appliqués au DSP Tableau 4.6 : Déerminaion des valeurs de capacié du câble moeur (5m e 15m) sans e avec moeur connecé

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19 Inroducion générale

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21 Inroducion générale Inroducion générale De nos jours, l uilisaion de l énergie élecrique fai parie de nore quoidien (chargeurs de éléphones, appareils élecroménagers, racion ferroviaire, ) e se décline sous différenes formes : coninue (DC) ou alernaive (AC). Cee énergie élecrique es fournie pour un niveau de ension (ou de couran) imposé e qui ne correspond pas oujours aux besoins de consommaion d énergie des récepeurs. Les converisseurs de puissance on ainsi vu le jour, pour répondre à ce besoin de conversion de l énergie élecrique. Parmi ces converisseurs, une famille perme une conversion AC-AC, pour laquelle les variaeurs de viesse son un exemple d applicaion. Leur foncion consise à conrôler le couple ou la viesse des machines polyphasées (synchrone, asynchrone, rélucance variable ). Le principe de foncionnemen des variaeurs de viesse repose sur le découpage, à des fréquences de plus en plus élevées, des grandeurs élecriques (couran ension). Cee monée en fréquence es à l origine de perurbaions élecromagnéiques qui se propagen dans l'environnemen au ravers des conduceurs de puissance ou sous la forme d ondes élecromagnéiques par effe de rayonnemen. Ces perurbaions son suscepibles d enraîner le dysfoncionnemen des appareils élecriques voisins. C es pourquoi, les équipemens élecroniques son soumis à des normes de compaibilié élecromagnéique (CEM) qui spécifien d une par des niveaux d émissions par les sources de perurbaions à ne pas dépasser générées, e d aure par des niveaux de suscepibilié (ou d'immunié) pour les vicimes de ces mêmes perurbaions. La réducion des perurbaions élecromagnéiques conduies es généralemen réalisée au ravers de filres passifs don le volume e le coû son un inconvénien majeur pour un indusriel. De plus, ces filres consiuen une soluion palliaive aux problèmes de perurbaions élecromagnéiques, e ne s aaquen pas à la source de ces perurbaions, à savoir les grandeurs élecriques découpées par les variaeurs de viesse. Il es donc inéressan d éudier d'aures méhodes de réducion des perurbaions élecromagnéiques en agissan direcemen sur la source des émissions. L objecif final éan la réducion du volume des élémens de filrage qui demeureraien nécessaire à la mise en conformié au regard des normes. C es dans cee opique que s inscri le ravail de cee hèse, iniiée au sein de Schneider Elecric Inverer 1 e au Laboraoire d Elecroechnique e d Elecronique de Puissance (L2EP) de Lille, en vue de réaliser un variaeur de viesse à faible émission élecromagnéique, dans le cadre du programme Drive Low Harmonics 2. Ce programme vise à réduire drasiquemen les harmoniques basses fréquences générées par les variaeurs de viesse sur le réseau élecrique. La spécificié du variaeur de viesse éudié dans le cadre de ce ravail es qu'il possède un redresseur MLI à absorpion sinusoïdale, aussi connu sous le nom d Acif Fron End (ou AFE). 1 E plus précisémen au sein de la branche européenne de Schneider-Toshiba Inverer, join-venure enre 2 Variaeur de viesse généran peu d harmoniques de couran sur le réseau élecrique [2]

22 Inroducion générale L uilisaion d un variaeur de viesse à AFE enraîne un découpage des ensions du réseau qui s ajoue à celui de l onduleur, e donc une polluion élecromagnéique plus imporane, en comparaison avec un variaeur de viesse uilisan un redresseur à diodes. La démarche adopée dans ce manuscri, consise en une réducion de la ension de mode commun générée par l ensemble AFE + onduleur au ravers d une sraégie de modulaion dédiée. Cee sraégie vise, enre aures, à synchroniser les frons de ension duran les commuaions de l onduleur avec ceux de l AFE. La conséquence direce es une réducion de la source des perurbaions conduies caracérisée par la ension de mode commun. L éude de cee nouvelle sraégie de modulaion es réalisée au ravers de ce manuscri qui décompose de la façon suivane. Un premier chapire es consacré à l éa de l ar des soluions de réducion des perurbaions élecromagnéiques exisanes. Dans un second chapire, la sraégie de modulaion es présenée au ravers de son algorihme décisionnel. Puis, dans un roisième chapire, les conséquences de la synchronisaion des commuaions imparfaies son éudiées à l aide de simulaions, qui uilisen de nouveaux modèles simplifiés de commuaions de ransisors. Finalemen, le dernier chapire es dédié à la validaion expérimenale de la sraégie de modulaion proposée, à l issue de laquelle des voies d amélioraion des variaeurs de viesses au regard des problémaiques CEM on éé idenifiées. [3]

23 Chapire 1 : Perurbaions élecromagnéiques dans les variaeurs de viesse

24 Chapire 1 1. Perurbaions élecromagnéiques (PEM) Définiions Généraliés sur les perurbaions élecromagnéiques Couran de mode commun e de mode différeniel Surensions en sorie des variaeurs de viesse Analyse des problèmes de PEM Source de perurbaions Couplages: chemins de propagaion Les vicimes Mesure des perurbaions conduies Proocole de mesure des PEM Normes appliquées à la variaion de viesse Méhodes de réducion des perurbaions conduies Topologie des converisseurs de puissance Filrage Filres passifs Filres acifs Conclusion sur les soluions de filrage Commuaion des inerrupeurs de puissance Acion sur les commuaions des ransisors Circuis d aide à la commuaion Commuaion douce Conclusion sur la réducion des dv/d Commande logique des inerrupeurs de puissance Applicaion à un ensemble redresseur pon de diode - onduleur Applicaion à un ensemble redresseur MLI - onduleur Conclusion sur les sraégies de modulaion Déerminaion de la srucure du converisseur du variaeur de viesse Choix de la srucure du converisseur Disorsions harmoniques sur le réseau élecrique Présenaion de la srucure reenue Commande des converisseurs Principe de commande d un onduleur MLI [5]

25 Chapire Principe de commande du redresseur MLI Eude des degrés de liberé de l'ensemble AFE onduleur La composane homopolaire Le déplacemen d impulsions Conclusion du chapire [6]

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27 Chapire 1 La variaion de viesse perme de conrôler la viesse des machines élecriques ournanes [Hippner1992]. Ce conrôle es assuré par la créaion d un sysème de ensions riphasées de fréquence e d ampliude ajusables ; alors même que le variaeur es alimené par le réseau élecrique don l ampliude e la fréquence son considérées comme fixes. La ransformaion de l énergie élecrique es opérée par un découpage des ensions e des courans. Le découpage de ces grandeurs élecriques es à l origine de perurbaions élecromagnéiques en haue fréquence, qui se propagen au ravers des conduceurs (couran) ou par rayonnemen (champ magnéique e élecrique) e peuven provoquer le dysfoncionnemen d aures équipemens élecriques voisins. Par conséquen, le niveau de ces perurbaions conduies e rayonnées es fixé par des normes de compaibilié élecromagnéique (CEM) auxquelles les indusriels doiven se conformer. La recherche de soluions pour la réducion de ces perurbaions es donc un enjeu de aille pour la variaion de viesse. Dans le cadre de ce ravail de hèse, nous nous inéresserons uniquemen aux perurbaions conduies. Dans ce chapire seron présenées les différenes perurbaions engendrées par les converisseurs saiques dans le cadre d une applicaion indusrielle de ype variaeur de viesse. Afin de réduire ces perurbaions, les différenes soluions exisanes dans la liéraure seron déaillées. Ces soluions permeen soi de se prémunir des effes négaifs engendrés par les converisseurs de puissance par une acion direcemen sur la source de perurbaion ou bien par une réducion des émissions vers le réseau d alimenaion (ou le moeur alimené) via l uilisaion de filres. Le choix de la srucure du converisseur es un élémen déerminan pour les aspecs CEM. Dans le cadre de ce ravail, une srucure de conversion composée d un redresseur MLI e d un onduleur sera éudiée, car elle nous paraî rès avanageuse en ermes de généraion de perurbaions vers le réseau élecrique. Cee srucure perme en plus une bidirecionnalié de la puissance e le conrôle de la ension du bus coninu. Ce chapire me égalemen en lumière l inérê des sraégies de modulaion (MLI) pour la réducion de perurbaions élecromagnéiques conduies e plus pariculièremen celles de mode commun. 1. Perurbaions élecromagnéiques (PEM) Un converisseur de puissance es oujours inerconnecé à différens élémens, en l occurrence une source e une charge à minima, ce ensemble forme un sysème élecrique. Dans le cas d un variaeur de viesse, le converisseur es connecé enre le réseau élecrique e le moeur élecrique. Cee inerconnexion des élémens perme la circulaion de parasies au sein du sysème élecrique sous la forme d une énergie. Cee énergie parasie es appelée perurbaion élecromagnéique. Dans ce paragraphe sera présené l origine des PEM, les différens couplages ou chemins de propagaion e les effes liés aux perurbaions élecromagnéiques dans le cas des variaeurs de viesse. Seron égalemen présenés les moyens de quanifier ces perurbaions e les limiaions normaives applicables à la variaion de viesse. [8]

28 Chapire Définiions Les perurbaions élecromagnéiques son issues de phénomènes qui peuven êre d origine naurelles (foudre, rayonnemen cosmique). En revanche, depuis les siècles derniers, l acivié humaine es à l origine de nouvelles sources de perurbaions. Les sources de perurbaions d origine humaine peuven ainsi êre divisées en rois caégories : Tou d abord, les sources liées aux moyens de communicaion (radio, éléphones porables, radar). Ces sources on ainsi éé créées dans un bu spécifique. Ensuie, les sources de perurbaion issues de la conversion de puissance (alimenaion des moeurs élecriques, éclairage fluorescen, sysèmes élecroniques). Pour ces sources, l émission de perurbaion n es qu une conséquence inrinsèque de leur foncion première. En ce sens, ces sources son indésirables. E enfin les décharges élecrosaiques Les variaeurs de viesse enren dans la seconde caégorie e en fai une source de PEM pour laquelle une connaissance e une quanificaion des niveaux des émissions qu ils génèren son nécessaires Généraliés sur les perurbaions élecromagnéiques Pour faire face, enre aures, à des conraines de réducion du volume des élémens de filrage, des peres, e des nuisances sonores, les indusriels ne cessen d augmener à la fois la viesse de commuaion e la fréquence de découpage des variaeurs des viesses. Ces augmenaions son à l origine de perurbaions élecromagnéiques haues fréquences (HF) générées par les converisseurs de puissance, on parlera de source de perurbaions. Par HF, on sous-enendra le conenu specral à parir de 15kHz. Ces perurbaions son à l origine de dysfoncionnemens des équipemens voisins comme par exemple le déclenchemen inempesif des proecions différenielles ou encore un vieillissemen prémauré des équipemens. On parle alors de vicime (Figure 1.1). Ces perurbaions von se propager via différens chemins, pour agresser la vicime. Ils peuven êre divisés en deux caégories : les perurbaions rayonnées pour lesquelles les chemins de propagaion se siuen dans l air (champ magnéique e élecrique). Selon la norme CEM (CEI 61 par exemple), les harmoniques considérés son dans une bande de fréquence comprise enre 3MHz e 1GHz 3, les perurbaions conduies pour lesquelles les chemins de propagaion son des liaisons filaires enre la source de PEM e la vicime (câbles, pises, plan de masse ). Selon la norme CEM, la bande de fréquence de ces perurbaions es comprise enre 15kHz e 3MHz. 3 Ces gammes de fréquences son données par les réglemenaions en vigueur (normes) dans le cadre de la variaion de viesse. Ces dernières seron déaillées au paragraphe [9]

29 Chapire 1 Chemins de propagaion rayonnés Source de perurbaions Conduceurs de puissance Vicime Chemins de propagaion conduis Figure 1.1 : Principe d'analyse CEM Il faudra donc se prémunir d évenuels dysfoncionnemens des équipemens à proximié des converisseurs, connaîre e maîriser ces chemins de propagaion pour assurer le bon foncionnemen du sysème, ou selon la norme, assurer la compaibilié élecromagnéique (CEM) de l ensemble. Cee compaibilié élecromagnéique se défini donc comme l ar de faire coexiser les sources de PEM e les vicimes en assuran le bon foncionnemen de ous. Si les chemins de propagaion des perurbaions son à la fois rayonnés e conduis, seul l impac e la réducion des perurbaions conduies seron éudiés dans le cadre de ce ravail de hèse. Ce choix es condiionné par la soluion de réducion des perurbaions envisagée e la difficulé à évaluer les conséquences sur les perurbaions rayonnées Couran de mode commun e de mode différeniel Les perurbaions conduies de mode commun (MC) e de mode différeniel (MD) son mesurables au ravers des grandeurs élecriques qui ranscriven les phénomènes de propagaion à ravers les conduceurs qui relien le converisseur (source de PEM) au réseau élecrique e à la charge (les vicimes) comme présené sur la Figure 1.2. Les conduceurs permeen, d une par la circulaion des courans desinés à l alimenaion des équipemens élecriques, on les nommera conduceurs de puissance ; e d aure par la proecion des personnes, ce conduceur es connu sous le nom de «fil de erre». En foncion du chemin de propagaion des PEM, on parlera de courans de mode différeniel (i MD ) si ces dernières circulen d un conduceur de puissance à un aure ; ou de courans de mode commun (i MC ) dans le cas où le chemin de propagaion comprend à la fois les conduceurs de puissance e la «erre». i1 i i 2 MD 2 imc i1 i2 (Eq 1.1) Noons que l appellaion «erre» ne comprend pas que des conduceurs au sens filaire mais aussi d aures élémens els que la carcasse des machines ournanes, le blindage de cerains câbles, les radiaeurs des converisseurs [1]

30 Chapire 1 Réseau élecrique i 1 i 2 Source de perurbaions Converisseur Charge Réseau élecrique i 1 i 2 i 3 Converisseur Charge Terre i MD i MC Terre i MD i MC (a) (b) Figure 1.2 : Chemin de propagaion des courans de mode différeniel e de mode commun - sysème monophasé (a) e riphasé (b) Dans le cas d'un variaeur de viesse riphasé (Figure 1.2.b), la définiion du couran de mode commun 4 e de mode différeniels dépend de i 1, i 2 e i 3. i i MD MC 2i1 i2 i 3 i i i (Eq 1.2) De plus, il exise différens couplages enre les chemins de propagaion de mode différeniel e de mode commun appelé ransfer de modes. Les perurbaions de mode commun son les plus difficiles à maîriser, car les liaisons à la «erre» son dans ous les cas liées à des phénomènes de couplage HF (capaciés parasies, inducances muuelles) dans l'ensemble du sysème. Dans la suie de ce ravail, les perurbaions liées à la propagaion des courans de mode commun seron éudiées en raison de difficulés évoquées e, car elles représenen la majeure parie des émissions conduies Surensions en sorie des variaeurs de viesse Oure l'appariion des courans perurbaeurs HF [Skibinski1999], une aure perurbaion es liée à la ension appliquée au moeur dans le cas d'un variaeur de viesse. Ce phénomène, di de surensions, es présen sur les moeurs lors de l uilisaion de câbles longs enre ce dernier e le converisseur saique. Les surensions qui apparaissen aux bornes des moeurs son le résula de perurbaions de mode différeniel (ension enre deux conduceurs d alimenaion), e deviennen problémaiques lors de l uilisaion de câbles de grande longueur, ypiquemen à parir de quelques dizaines de mères (Figure 1.3). Sur cee figure T p es le emps de propagaion de la ension Ve à ravers le câble. Ces phénomènes son mis en lumière par l applicaion de la héorie des lignes de ransmission [Moreira22 ; Jiangbiao211]. Une ension d ampliude E, enre phases, ransmise depuis le converisseur à ravers le câble de liaison vien se réfléchir sur le moeur avec une ampliude de E. La conséquence es l'appariion aux bornes du moeur d'une ension égale à 2E (Figure 1.3.b) soi le double de la ension d'alimenaion. 4 La définiion du mode commun adopée ici es à mere en rappor avec la mesure des courans de mode commun réalisée au chapire 4 par une mesure simulanée des courans issus des rois phases d alimenaion. [11]

31 Chapire 1 Câble long Ve Vs 2E 4T p Converisseur V e V s Charge E T p emps (a) (b) Figure 1.3 : Tensions aux bornes du câble riphasé (a) e formes d'ondes des ensions (b) Cependan, une ension deux fois plus élevée n'enraînera pas oujours une dégradaion prémaurée des isolans des enroulemens [Gupa199] e n impace pas, de ce fai, la durée de vie du moeur Analyse des problèmes de PEM Comme nous l avons vu au paragraphe 1.1.1, pour qu il y ai inerférences élecromagnéiques e dysfoncionnemen du maériel environnan, il fau l associaion conjoine de rois élémens : Une source de PEM Un chemin de propagaion Une (ou des) vicime Ces rois proagonises seron déaillés dans le cas de l uilisaion d un variaeur de viesse composé d un redresseur de ype pon de diode e d un onduleur deux niveaux de ension comme représené sur la Figure 1.4. Variaeur de viesse Redresseur Bus coninu Onduleur Réseau i 1 i 2 i 3 E/2 O E/2 A B C Câble long Moeur N Terre Source de perurbaions i MD i MC Figure 1.4 : Circulaion des courans HF dans un variaeur de viesse 5 En revanche, si le niveau de ension es plus élevé que 2E, rien ne garani que la durée de vie du moeur ne soi pas impacée. [12]

32 Ampliude (dbv) Chapire Source de perurbaions Dans le cas des variaeurs de viesse, le couran de mode commun rouve son origine dans les variaions des ensions en sorie de l onduleur A, B, C e le poin milieu du bus coninu O (Figure 1.4). Ainsi, cee ension, que l on définira comme ension de mode commun V MC, s exprime comme le iers de la somme des ensions enre phase e le poin O du bus coninu. V MC VAO VBO VCO (Eq 1.3) 3 Cee ension peu êre assimilée à celle enre le neure du moeur e le poin milieu du bus coninu. Mais du fai de la présence des élémens parasies du câble e du moeur, cee relaion ne permerai qu une évaluaion de la ension de mode commun pour des basses fréquences. A l avenir, lorsque nous parlerons de la ension de mode commun cee dernière sera définie par l équaion 1.3. De plus, le comporemen HF des converisseurs de puissance es hauemen dépendan de la fréquence de commuaion [Cosa1995]. Dans le cas de l onduleur MLI, les commuaions des inerrupeurs de puissance son source de perurbaions HF conrairemen au redresseur à diodes qui ne génère que des perurbaions basses fréquences. Ainsi, la polluion générée par l onduleur es liée à l uilisaion des composans de puissance en commuaion. La commuaion consise à passer d un éa bloqué à un éa passan (e l'inverse) don l effe dans le cas d un onduleur de ension es la généraion de ensions sous la forme d impulsions (Figure 1.5.a). E V 2E 2log - 2 db/déc - 4 db/déc E m (a) T m d 1 T 1 m Fréquence (log) (b) Figure 1.5 : Représenaion d une impulsion de ension (a) e sa réponse fréquenielle (b) Si l on suppose que la ension de mode commun es un signal carré, alors son conenu specral décroî avec une pene égale à - 2dB par décade. En réalié, la forme de ces impulsions es celle d un rapèze don les emps de monée (τ m ) e le emps de décene (τ d ) représenen le caracère non idéal des inerrupeurs de puissance (une variaion insananée de la ension es physiquemen irréalisable). Ainsi, en plus de la décroissance de - 2dB par décade, une [13]

33 seconde décroissance de - 4dB par décade a lieu au-delà d une fréquence égale à Chapire 1 (Figure 1.5.b). Une augmenaion des emps de monée diminue donc le niveau de perurbaions de mode commun. Cee acion ne va pas dans le sens de réducion des peres hermiques des converisseurs de puissance pour lesquelles, on privilégiera les commuaions les plus rapides possibles mais qui occasionneron, de ce fai, une élévaion du niveau de perurbaions élecromagnéiques. Ainsi, nous aurons à opimiser deux paramères anagonises: augmenaion du rendemen e diminuion de la polluion élecromagnéique des converisseurs. En réalié, la ension de mode commun générée par un onduleur MLI ne se limie pas à une simple impulsion de largeur fixe mais à un enchevêremen des rois impulsions générées par les rois phases de l onduleur (Figure 1.6). De plus, d une période de découpage T à l aure, la forme de cee ension varie. En revanche, le comporemen fréqueniel de cee ension de mode commun rese similaire à celui d une impulsion seule. 1 m V MC Onduleur Moeur O E/2 E/2 A B C V AO V BO V CO V MC_mo Terre vers le réseau i MC Figure 1.6 : Tension de mode commun générée par un onduleur MLI Couplages: chemins de propagaion Le couran de mode commun es dû aux capaciés parasies exciées par les variaions (dv/d) de la ension de mode commun [Son22]. Cee dernière évolue par paliers d une valeur E égale à 3. Ces capaciés son présenes sur oue la chaîne de puissance (blindage des câbles, modules de puissance, carcasse des moeurs, ) e permeen le reour du couran par le conduceur de erre (Figure 1.4). En pariculier, les capaciés parasies de l onduleur se siuen à même le composan de puissance que ce soi le ransisor ou la diode, e son de moindre imporance que les capaciés parasies liées au câble ou encore à la machine. Ainsi, on peu supposer que le couran de mode commun circule esseniellemen par les capaciés parasies enre phases e câble de erre (en absence du plan de masse). Ces capaciés peuven êre dissociées en deux caégories à savoir les capaciés enre le bus coninu e le radiaeur connecé à la erre e celles enre les phases e le dissipaeur relié à la erre (Figure 1.7). [14]

34 Chapire 1 + bus Dissipaeur Capaciés phases - erre Phases Capaciés bus - erre - bus Figure 1.7 : Représenaion des capaciés parasies pour un bras d onduleur deux niveaux Noons que du fai de la naure capaciive des chemins de propagaion, l ampliude des courans de mode commun es hauemen dépendane de la raideur des frons de ension de mode commun ainsi que de l ampliude de ces derniers. Ces courans von ensuie perurber les appareils connecés sur le même réseau élecrique que le variaeur de viesse Les vicimes Dans le cas d'un variaeur de viesse, deux vicimes son à déplorer, il s agi de la charge consiuée d un moeur élecrique e du réseau élecrique. Le moeur élecrique Au sein du moeur, une parie des courans de mode commun circule par les capaciés parasies Csc (Figure 1.8.b) enre les enroulemens e la carcasse de la machine mise à la erre. Ces «bearing currens» [Shaoang1998 ; Charoy27] peuven êre associés à des phénomènes de claquage dans les roulemens de la machine. Ces derniers son dus à la ension de l arbre moeur V r, générée par la présence de capaciés parasies Csr enre le saor e ce dernier. Cee ension augmene jusqu à un cerain niveau puis s annule violemmen par un effe de décharge élecrosaique à ravers la carcasse de la machine connecée à la erre. Les roulemens de la machine présens enre l arbre e la carcasse du moeur subiron cee décharge : on parle d «Elecric Discharge Machining» ou EDM (Figure 1.8.b). [15]

35 Chapire 1 Carcasse Phases (Enroulemens saoriques) Enroulemens S Enroulemen R V MC_mo Csc Csr Arbre Arbre mécanique Roulemens Crc V r EDM Carcasse (a) S = Saor R = Roor (b) Figure 1.8 : Représenaions d un moeur vu en coupe (a) e des capaciés parasies au sein d un moeur (b) Cee décharge dépend principalemen de la naure du lubrifian uilisé pour limier les phénomènes de fricion enre les roulemens e les paries saiques, e possède un pouvoir d isolan élecrique [ABB25] pour lequel on défini une ension minimale de claquage de la pellicule de lubrifian. Ce minimum varie en foncion de la empéraure e de l épaisseur de la pellicule de lubrifian. Si la ension d arbre, V r, dépasse cee limie un couran desrucif (qui es lié à la décharge de l énergie conenue dans Crc) raverse les roulemens. La répéiion de ce phénomène enraîne un défau de forme e une dégradaion des roulemens dûs aux froemens plus imporans ce qui enraînerai une diminuion de la durée de vie des moeurs. Il n y a pas de normes ou de recommandaions du consruceur sur le phénomène de bearing curren, mais leur réducion es vue comme un gage de qualié du variaeur quan à la proecion des moeurs. Le réseau élecrique Les courans présens dans le conduceur de erre peuven se reboucler par le réseau, par l inermédiaire des ransformaeurs (Figure 1.9). E on considèrera, par la suie, que seules les perurbaions de mode commun son problémaiques du fai de la muliude de chemins de propagaion. Les perurbaions de mode différeniel son considérées, pour leur par, comme éan plus facilemen maîrisables. Variaeur de viesse Réseau Redresseur Bus coninu Onduleur Câble long Moeur i MC Terre Figure 1.9 : Vicimes des courans de mode commun [16]

36 Chapire 1 Les PEM vues par le réseau élecrique son la source des problèmes de compaibilié élecromagnéique car plusieurs appareils élecriques peuven êre connecés à ce même réseau e les perurbaions peuven se reboucler par ces appareils. C es pour cela que des normes exisen, elles on pour objecif de limier la polluion élecromagnéique vers les réseaux élecriques Mesure des perurbaions conduies Le problème majeur pour la mesure de la polluion élecromagnéique des réseaux concerne la répéabilié de ces dernières. En effe, le niveau de couran de mode commun circulan par le réseau élecrique es dépendan de l impédance de ce dernier, ainsi un proocole de mesure doi êre uilisé afin de sandardiser la mesure des PEM conduies Proocole de mesure des PEM Dans le bu de garanir la répéabilié des mesures CEM, la norme exige l uilisaion d un filre spécifique nommé «Réseau Sabilisaeur d'impédance de Ligne» (RSIL). Ce dernier es placé enre le réseau d'alimenaion e le converisseur (Figure 1.1), e permera une mesure avec une impédance de 5Ω enre chaque phase e la erre sur oue la plage de fréquence de la bande des émissions conduies [Dan28]. Ainsi seron pris en compe les courans à haues fréquences de mode commun e de mode différeniel, nécessaires dans le cadre d une évaluaion normaive des perurbaions conduies. Variaeur de viesse Réseau RSIL Redresseur Bus coninu Onduleur Câble long Moeur Terre 3x5 Ω V CEM i MC Figure 1.1 : Disposiif de mesure de perurbaions élecromagnéiques La mesure des PEM es faie enre les bornes de chacune des résisances 5Ω à l aide d un récepeur de mesures CEM. E es réalisée sur oue la bande de fréquence correspondan aux perurbaions conduies avec une bande passane ypiquemen fixée à 9kHz. De plus, le récepeur de mesure perme l acquisiion de rois ypes de mesures. La première basée sur un déeceur crêe «peak» qui mesure l ampliude maximale sans prendre en compe si celui-ci se répèe ou s il s agi juse d un événemen poncuel sur la durée d acquisiion. [17]

37 Chapire 1 La seconde s appuie sur un déeceur moyen «average» qui a pour bu de moyenner l ampliude mesurée pour chaque fréquence pendan la durée d acquisiion. E la dernière es basée sur un déeceur quasi-crêe «quasi peak» qui perme de rendre compe du caracère répéiif d un pic d ampliude élevé à une fréquence donnée. Il s agi là d une mesure qui se siue enre la valeur moyenne e la valeur crêe. Les valeurs mesurées par le récepeur son données en décibels microvol (dbμv) e se calculen de la façon suivane : V ension de référence égale à 1μV V CEM ension mesurée par le récepeur de mesures V ( db V ) 2log V mesure CEM (Eq 1.4) D un poin de vue normaif, seules les mesures en quasi-crêe e moyen son uilisées pour la mise en conformié des variaeurs de viesse. En mode commun, l ensemble variaeur, charge e RSIL peu êre simplifié en supposan que le bus coninu peu êre assimilable à un courcircui en haues fréquences, que le câble e la charge ne son composés que de capaciés à la erre e que le RSIL es équivalen à une résisance égale à 16,7Ω, valeur approximée de 5Ω/3 (Figure 1.11). Source de perurbaions 16,7Ω V MC C phase_res-erre C bus-erre C phase_mo-erre C câble C mo Figure 1.11 : Circui équivalen simplifié de mode commun d'un variaeur de viesse à pon de diode Les capaciés C bus-erre e C phase-erre son liées aux modules de puissance e son généralemen plus faibles que les capaciés parasies du câble e du moeur. La disincion faie enre C bus-erre e C phase_res-erre n a pas lieu d êre avec l uilisaion d un redresseur à pon de diode mais nous verrons par la suie que pour les redressemens MLI, cee simplificaion ne sera plus valide. De plus, d aures élémens parasies els que des inducances peuven apparaîre e seron à l origine de résonances non prises en compe dans le modèle proposé. Pour la prise en compe de els phénomènes, des modèles plus complexes du câble [Weens26], de la charge [Schinkel26] e du variaeur [Toure26] peuven êre uilisés. [18]

38 Chapire Normes appliquées à la variaion de viesse Afin de garanir un niveau de PEM accepable pour assurer le bon foncionnemen de ous les appareils, il es nécessaire de limier les niveaux d émissions du variaeur de viesse. Les normes CEM imposen des niveaux de perurbaions maxima à ne pas dépasser. Dans l indusrie, pour la commercialisaion des produis, ceraines normes doiven êre respecées, c es le cas des marquages UL ou encore CE qui donnen le droi de vendre des produis en Amérique du Nord ou en Europe respecivemen. Saisfaire à ces normes es donc une nécessié pour la commercialisaion des variaeurs de viesse dans nore cas. Parmi ces normes, ceraines imposen des limies de PEM pour une gamme de fréquences allan de Hz à quelques cenaines de gigaherz. Dans le cadre de ce ravail de hèse, nous nous inéresserons plus spécifiquemen à la réglemenaion EN Cee norme impose, pour la variaion de viesse, un niveau maximum d émissions sur une plage de fréquences allan de 15kHz à 3MHz. Elle conrain à un respec de gabaris en foncion de l environnemen (résideniel ou indusriel) e du couran (inférieur ou supérieur à 1A) absorbé par le variaeur. Le gabari représené à la Figure 1.12, e qui sera uilisé dans ce mémoire, es issu de la classe indusrielle pour des appareils consomman moins de 1A. Ce gabari défini les limies de PEM mesurées à l aide du récepeur de mesure CEM pour une mesure en déeceur quasi-peak. Niveaux de perurbaion (dbµv) k 5k 5M 3M Fréquences (Hz) Figure 1.12 : Gabari de la norme classe 3 pour une mesure avec un déeceur quasi-peak Si la norme EN618-3 es spécifiée pour les haues fréquences (15kHz 3MHz), la norme EN concerne les basses fréquences (de 1Hz à 2kHz). Cee dernière sera éudiée plus avan lors du choix de la srucure de conversion du variaeur de viesse. S ajoue à ces normes, des recommandaions pour lesquelles la mise en conformié n es pas obligaoire. Dans le cas des surensions appliquées aux moeurs, la Naional Elecrical Manufacurers Associaion (NEMA) fourni des informaions sur les niveaux de surension maximum applicables à un moeur élecrique. Typiquemen, pour un moeur de 4V eff alimené par un variaeur de viesse, le niveau de ension maximum aux bornes du moeur varie enre 1kV e 2kV selon la qualié de fabricaion. Ainsi, il n es pas rare de renconrer des [19]

39 Chapire 1 moeurs élecriques de qualié médiocre, pour lesquels il sera imporan de ne pas dépasser les niveaux de surensions spécifiés. De plus, à l heure acuelle, il n exise pas de normes spécifiques à la variaion de viesse enre 2kHz e 15kHz, mais cee absence de réglemenaion ne perdurera pas éernellemen puisque les harmoniques liées au découpage des variaeurs de viesse se siuen dans cee gamme de fréquences. 2. Méhodes de réducion des perurbaions conduies La mise en conformié des variaeurs de viesse au regard des normes CEM en vigueur es un enjeu imporan. Dans l opique de saisfaire aux crières normaifs, des soluions on éé développées afin de réduire les niveaux des PEM Topologie des converisseurs de puissance Comme indiqué précédemmen, les PEM haues fréquences son liées à la forme impulsionnelle des ensions découpées. L ampliude de ces perurbaions éan foncion de celle des ensions en sorie du converisseur, une soluion consise à diminuer les échelons de ension en inercalan des sous niveaux (Figure 1.13) dans la généraion des ensions de chaque phase de sorie, car la ension de mode commun V mc es foncion de V AO, V BO e V CO (Figure 1.22.a). E V 2E 2log 2E 2log 2 V (db) E/2 ΔE ΔE/2 m1 Figure 1.13 : Représenaion de l impac des échelons de ension (a) sur la représenaion specrale asympoique (b) de la ension Il apparaî que, plus l ampliude de la ension découpée es faible, plus les niveaux de perurbaions le son égalemen. Cee réducion du conenu specral es consane enre la fréquence de découpage 1 T e la fréquence de cassure de pene liée au emps de monée m1. Cee réducion es foncion du nombre de niveaux de ension mis en jeu N. Le passage de deux (Figure 1.14.a) à rois niveaux de ension (Figure 1.14.b) perme une réducion de 6dB du conenu specral dans la plage de fréquences décrie précédemmen. Enre les fréquences décries par les emps de monée m1 e m2, la différence se rédui jusqu à obenir la même signaure specrale au-delà de T (a) m2 1 m2 1 T (b) sous l hypohèse de dv/d ideniques. 1 1 m m1 2 f (log) [2]

40 Chapire 1 L ajou de niveaux de ension inermédiaires passe par l uilisaion de opologies dies muli niveaux qui génèren un nombre de niveaux de ension N > 2 [Bhagwa1983], conrairemen aux opologies uilisées généralemen dans les variaeurs de viesse acuels (deux niveaux: N = 2). Parmi les opologies muli-niveaux uilisées dans la variaion de viesse, on peu cier noammen le NPC [Nabae1981], le «flying capacior» [Carrere1996], ou encore la mise en parallèle de converisseurs avec enrelacemen [Vafakhah211]. E E Tension découpée Fondamenal E/2 U AB U AB -E/2 -E Temps (ms) (a) (b) Figure 1.14 : Tension enre phases fournie par un onduleur à deux (a) e rois (b) niveaux de ension L uilisaion de opologies muli-niveaux perme aussi une réducion des surensions appliquées au moeur, car les échelons de ension enre les phases de la machine son réduis. Par exemple, le passage de deux à rois niveaux de ension perme de réduire d un faceur deux l ampliude des frons de ension générés par l onduleur. Finalemen, une acion sur la opologie du converisseur perme une réducion des perurbaions haues fréquences [Belramini21 ; Rasoanarivo21] au dérimen d une complexificaion suie à l ajou de composans de puissance (ransisors e diodes) e/ou d élémens passifs els que des bobines. C es pourquoi, ce ype d acion es raremen uilisé pour les variaeurs de viesses basse ension (réseau 23V e 4V) [Couraul1999] Filrage -E Temps (ms) Un filre perme la maîrise des chemins de propagaion des PEM e peu êre composé : d élémens passifs els que des bobines, des condensaeurs, ou encore des résisances don les peres par effe Joule limien l uilisaion. On parle alors de filrage passif. Cee soluion es largemen employée dans le domaine indusriel du fai de sa robusesse. Ou d élémens acifs els que des ransisors, on parle alors de filrage acif. Cee soluion nécessie un conrôle dédié ce qui complexifie sa mise en œuvre dans un sysème. Cee soluion es efficace en basses fréquences. Ces deux ypes de filrage peuven êre envisagés pour la réducion des PEM, avec pour chaque perurbaion sa soluion de filrage. [21]

41 U AB (V) Gain linéaire U AB (V) Chapire Filres passifs Ces soluions de filrage on pour foncion la réducion de l ampliude des harmoniques par un filre «passe bas». En somme, ces filres on pour foncion de réduire les harmoniques indésirables e ne laisser passer que ceux correspondan à la source d'alimenaion. Typiquemen, ces filres son de ype LC pour le filrage des perurbaions HF, e se caracérisen par une fréquence de résonance f res donnée par l équaion 1.5. f res 1 (Eq 1.5) 2 LC Au-delà de cee fréquence de résonance, les harmoniques se rerouven réduies par un faceur de 4dB par décade. Par exemple, pour le filrage des ensions découpées à 4kHz (Figure 1.15.a), seul le fondamenal es un harmonique désiré, les aures son à aénuer Fondamenal Harmoniques non désirées Résonnance 1 (a) 1 1 Gain uniaire k 1k 1k Fréquence (Hz) 1/1 1/1 1/1 Aénuaion d un faceur 1 par décade (4dB/déc) 1/ k 1k 1k Fréquence (Hz) (b) (c) Figure 1.15 : Conenu specral simulé d une ension enre phases sans filre (a) e avec filre (b) aénuaion du filre (c) Ainsi un filre, don la fréquence de résonance es correcemen calculée (Figure 1.15.c), permera d aénuer les harmoniques liés au découpage (Figure 1.15.b) Filres pour les surensions Le filre sinusoïdal : ce filre perme d obenir une ension enre phases sinusoïdale (Figure 1.16) en aénuan les harmoniques liés au découpage de la ension [Hanigovszki27]. Il a ainsi l avanage de supprimer les surensions appliquées au moeur, ou en gardan le fondamenal. Oure le fai que ce filre soi excessivemen onéreux, il ne résou pas les aures problèmes liés aux PEM. Le filre dv/d : ce filre limie les surensions moeur comme le filre sinusoïdal mais ne filre pas ous les harmoniques, son bu éan de limier les dv/d [Mar_ro211 ; Acharya21]. Il es dimensionné pour une fréquence de résonance supérieure à la fréquence de découpage. Le choix de cee fréquence perme de réduire le volume du filre, mais nécessie l ajou de résisances pour amorir les oscillaions aux fréquences de résonance. Dans nore cas, il es uilisé par Schneider Elecric pour ses avanages principalemen dans le [22]

42 Chapire 1 cas de câbles de quelques dizaines de mères. Cee soluion ne fai que ralenir les dv/d e ne peu êre uilisée indépendammen de la longueur du câble moeur. Par exemple, avec un câble de plusieurs cenaines de mères la limiaion des dv/d deviendrai si imporane que les ensions appliquées par l onduleur ne seraien plus en adéquaion avec le conrôle des ensions du moeur. Dans ce cas, seul un filre sinus pourra donner des résulas probans pour le filrage du mode différeniel. Onduleur Filre sinus Câble long Moeur A B C U AB Figure 1.16 : Uilisaion d'un filre sinusoïdal Filres de mode commun Un filre de mode commun es composé d une bobine, où les rois phases son bobinées sur un même noyau magnéique de elle sore que chaque phase crée un flux oriené dans le même sens. En revanche, comme son nom l indique, une elle bobine ne voi pas les courans de mode différeniel (annulaion du flux dans ce cas), en dehors des fuies qui créen une peie inducance de mode différeniel d environ 5% de la valeur oale de l inducance de mode commun. Pour réaliser un filre LC, des condensaeurs de filrage, qu on connece enre les phases e la erre, son ajoués à la bobine de mode commun [Heldwein211]. Ces condensaeurs, appelés C y, on la paricularié de faire ransier un faible couran, pour des raisons de proecions des personnes. Le filre de mode commun consiué d une bobine e de condensaeurs (3 C X en éoile e en série avec 1 C y ) diminue l ampliude du couran de mode commun vu par les vicimes, e peu êre placé en sorie ou en enrée du variaeur de viesse, ou même sur le bus coninu. Suivan l'emplacemen de ce filre, la proecion de la vicime (moeur ou réseau élecrique) peu varier comme expliqué ci-après. Sur le réseau élecrique: ce filre es la soluion de prédilecion uilisée dans les variaeurs de viesse acuels avec en éage d enrée un pon à diodes [Hedayai213]. Il perme, avec l ajou de condensaeurs relian chaque phase à la erre, de créer un chemin de circulaion des courans de mode commun (Figure 1.17). En revanche, le moeur n es pas proégé des courans HF qui se refermen par la erre. Voir même, du fai de la faible impédance des condensaeurs du filre HF, le couran de circulaion dans le conduceur de erre (provenan du variaeur) peu êre plus imporan que dans le cas sans la présence du filre. Une augmenaion du couran dans le conduceur de erre enraînera des problèmes de PEM rayonnées ainsi qu un risque accru de décharges élecrosaiques dans les roulemens des machines. [23]

43 Chapire 1 Variaeur de viesse Réseau élecrique RSIL Filre mode commun Redresseur Onduleur Bus coninu C y Terre i MC Figure 1.17 : Filre de mode commun sur le réseau Sur le bus coninu: cee soluion es une exension du filre de mode commun en enrée du variaeur de viesse. Elle consise à mere en œuvre un filre de mode commun sur le bus coninu pour reboucler les courans de mode commun circulan enre le variaeur e le moeur [Lei211 ; Vrankovic29]. Cee soluion es uilisée dans les variaeurs de viesses composés d un pon de diode en enrée qui ne génère quasimen pas de perurbaions HF vers le réseau. Le gain par rappor à la soluion précédene es l économie d un enroulemen sur la bobine de mode commun. En sorie du variaeur: ce filre exploié par [Palma22 ; Acharya21] perme, en fixan le poeniel du poin commun des condensaeurs de filrage à la erre (Figure 1.18). Cee soluion limie ainsi l ampliude des courans HF circulan dans le câble e le moeur, ou en proégean ce dernier. Ce filre de mode commun en sorie de l onduleur perme de soulager le filre en enrée du variaeur (nécessaire pour la proecion du réseau élecrique). Onduleur Filre mode commun Câble long Moeur C y Terre vers le réseau i MC Figure 1.18 : Filre de mode commun en sorie de l onduleur Ces filres son desinés à réduire les perurbaions de mode commun dans la bande des PEM conduies. En réalié, au-delà de quelques mégaherz, l efficacié des filres passifs es réduie du fai d élémens parasies propres aux élémens qui composen le filre. L inducance es [24]

44 Chapire 1 supplanée par les capaciés parasies iner spires (EPC) e les inducances série (ESL) deviennen prépondéranes au-delà de quelques mégaherz pour les condensaeurs. Le design opimal d un filre pour oue la bande de fréquence des émissions conduies es, de ce fai, rès complexe Filres acifs Filres pour les surensions: ces soluions meen en jeu un circui auxiliaire composé d inerrupeurs de puissance, mais aussi d élémens passifs de faible volume, dans le bu de réduire l ampliude des surensions [Orega24]. Ils son généralemen moins volumineux que les filres passifs, mais nécessien un conrôle spécifique qui complexifie leur applicaion indusrielle pour des conraines de fiabilié noammen. Filres de mode commun: cee soluion consise à inroduire une source en parallèle à la source principale de perurbaions grâce à l inroducion, enre aures, d inducances de mode commun e d inerrupeurs de puissance supplémenaires pour la généraion de frons de ensions (Figure 1.19) [Julian1999]. V MC1 Source de perurbaions Z Réseau V MC C phase_res-erre C bus-erre C phase_mo-erre C câble C mo Figure 1.19 : Représenaion simplifiée de mode commun d une mise en opposiion de sources de perurbaions L objecif de cee soluion éan que les deux ensions de mode commun s égalisen V MC V MC1. Par exemple, l ajou d un 4 ème bras à l onduleur [Aizawa21] perme de générer deux niveaux de ension à opposer à une ension de mode commun qui en compe E E E E quare,,, Le résula es une compensaion parielle des variaions de la ension de mode commun. Une amélioraion de cee soluion consise à complexifier la srucure, jusqu à la mise en opposiion d un second onduleur, éudié par [JiangYS29 ; Rajeevan213 ; Shuo21], don la âche es uniquemen de créer une ension de mode commun qui es l exac opposé de celle crée par l onduleur qui ser à alimener le moeur. [25]

45 Chapire Conclusion sur les soluions de filrage Le filre passif es, du fai de sa simplicié, la soluion indusrielle la plus courammen uilisée pour la réducion des PEM. Touefois, bien que robuse, il n en demeure pas moins volumineux e nécessie, pour chaque ype de perurbaions (surensions, courans de mode commun, courans de mode différeniel), une srucure de filrage adéquae muliplian de ce fai le nombre de composans passifs e augmene le volume global du variaeur de viesse. Noons ou de même, qu une augmenaion de la fréquence de découpage des ransisors réduirai le volume des élémens passifs car la fréquence de résonance du filre es plus élevée. En conreparie, cee augmenaion des fréquences de découpage décalera les harmoniques de découpage (d ampliude élevée) vers les plages de fréquence concernées par des resricions d ordre normaif. Le filre devra donc êre d auan plus efficace pour permere l aénuaion de ces harmoniques. Il y a donc un anagonisme enre la réducion du volume des soluions de filrage e le niveau de perurbaions à filrer [Meynard213] Commuaion des inerrupeurs de puissance Les soluions de filrage e de modificaion de la opologie du converisseur enraînen une augmenaion du volume global du variaeur de viesse e une complexificaion de la commande des converisseurs (plus de ransisors à commander). Alors que, la réducion du volume es, dans l indusrie, un enjeu de aille puisque les soluions de filrages représenen environ un iers de l espace occupé dans un variaeur de viesse. C es pour cee raison que d aures soluions permean de réduire les PEM sans l'augmenaion du nombre de composans on éé éudiées. E V m2 m1 2E 2log V (db) -2dB/déc -4dB/déc ΔE m1 T (a) 1 T 1 1 m 2 m1 (b) f (log) Figure 1.2 : Représenaion de l impac des viesses de commuaion (a) sur la représenaion specrale asympoique (b) d une ension rapézoïdale On consae que l augmenaion du emps de monée des frons de ensions (le emps de descene es considéré égal), perme de décaler la fréquence de cassure de l aénuaion des perurbaions vers les basses fréquences (Figure 1.2). De ce consa découlen les echniques de réducion de la viesse des commuaions, qui permeen une aénuaion plus rapide du conenu harmonique des ensions découpées (Figure 1.13) e, a foriori, des PEM générées. [26]

46 Chapire 1 D aure par l acion de «coucher» les frons de ension aura un effe bénéfique sur les perurbaions rayonnées. Les inerrupeurs de puissance majoriairemen uilisés dans les converisseurs des variaions de viesse son de ype IGBT (Insulaed Gae Based Transisor). Ces ransisors peuven êre vus comme l associaion d un ransisor bipolaire commandé par un MOSFET. Ils présenen des propriéés en commuaions que l on peu différencier pour la mise en conducion (urn-on) e le blocage (urn-off). Un exemple de commuaion d un IGBT sur une charge inducive es donné Figure 1.21.a. R g V ge C gc g C ge i c + c C V CE ce e i charge E - (a) V ce, i c, V ge V ce, i c, V ge i RM E i charge i charge E V ge (h) (b) V cesa Figure 1.21 : Srucure du converisseur abaisseur(a) formes d'ondes des courans e ensions d'un IGBT duran la commuaion urn ON (b) e urn-off (c) Phases de commuaion à la mise en conducion d'un IGBT (c) à 1 : la ension de grille V ge croi jusqu à aeindre la ension de seuil V ge (h). 1 à 2 : le couran augmene linéairemen (vision simplifiée) dans l IGBT jusqu au couran de recouvremen inverse de la diode de roue libre i RM + i charge. Pendan ce emps, la V cesa 4 [27]

47 Chapire 1 ension V ce décroi légèremen par exciaion des inducances parasies au sein de la maille de commuaion (non représenées). 2 à 3 : la ension V ce diminue foremen lorsque la diode rerouve son pouvoir de blocage puis V ce décroî plus lenemen alors que la ension V ge es à peu près consane (effe Miller). Au-delà de 3 : le ransisor es en conducion. Phases de commuaion au blocage d'un IGBT (simplifiées) à 1 : la ension V ge décroi jusqu au palier Miller. 1 à 2 : la ension V ce mone en s accéléran par la charge de C gc don la valeur diminue avec l augmenaion de la ension V ce (l effe Miller). 2 à 3 : le couran décroî brusquemen lorsque la ension V ce aein la ension d alimenaion E. Cee décroissance rapide du couran correspond à l ouverure de la «parie MOSFET» de l IGBT. 3 à 4 : les poreurs minoriaires qui n on pas éé évacués se recombinen. Ce couran à décroissance exponenielle es appelé "couran de queue". Au-delà de 4 : le ransisor es bloqué Acion sur les commuaions des ransisors Augmenaion de la résisance de grille: les ransisors son mis en conducion à parir de la charge e la décharge de la capacié C ge enre «émeeur» e «grille» dans le cas d un IGBT. Ainsi, une idée simple pour ralenir les commuaions consise à augmener la résisance de grille R g pour limier le couran de grille (Figure 1.21). Ainsi, des frons de ension plus lens permeraien, au même ire que le filre dv/d, la réducion des surensions aux bornes de la machine. En revanche, cee méhode paie sa simplicié par des peres par commuaion supplémenaires qui se raduiron par un échauffemen plus imporan des ransisors e donc par la mise en œuvre de moyens d évacuaion de ces peres (refroidissemen à eau, radiaeur plus volumineux, ). Acion sur la capacié Miller: lors de la charge e la décharge de la capacié C ge s ajoue la charge e la décharge de C gs (Figure 1.21.a) appelée aussi capacié de Miller. Cee capacié pendan qu elle se charge limie la charge de la capacié C ge enrainan ainsi le ralenissemen de la commuaion. Ainsi, une soluion pour ralenir les emps de monées de la ension V CE consise à augmener le emps de charge de cee capacié de Miller pour rearder au plus la charge de C ge. Ce procédé a éé mis au poin à ravers une soluion de circui de piloage acif [Kagerbauer27]. Comme pour la précédene, cee soluion génère égalemen des peres supplémenaires. Acion sur la ension de grille : Cee soluion, mise en œuvre par [Idir26], consise à inroduire à la ension commande des ransisors à grille isolée, V ge, des paliers de ension lors de la mise en conducion e au blocage de ces derniers. Cee acion sur V ge perme de conrôler les variaions des courans e des ensions commués dans le bu de réduire, à la fois, les surinensiés e les surensions respecivemen. Cee soluion rend possible, par un conrôle des commuaions, la réducion des PEM conduies e rayonnées. [28]

48 Chapire Circuis d aide à la commuaion La réducion des variaions de ensions par une acion sur la résisance de grille es limiée par les peres par effe Joule qu elle génère. D aures echniques de réducion des variaions des grandeurs élecriques (couran, ension) aux bornes des ransisors exisen. Elles nécessien l uilisaion de circuis d aide à la commuaion (CALC). Ces soluions, permeen noammen de limier les fores valeurs des dv/d à l origine des problèmes de surensions e de réduire ainsi les PEM liées aux harmoniques de la ension de mode commun. Mais conrairemen aux soluions précédenes (acions sur R g ), les peres peuven êre limiées par des circuis de réinjecion de l énergie accumulée dans le condensaeur (ou l inducance) [Divan1991] Commuaion douce La commuaion douce es un procédé qui perme l obenion de commuaions sans peres. Le principe consise à amener la ension à commuer à zéro avan que le ransisor ne se mee à conduire (augmenaion du couran). On parle alors de «Zéro Volage Swiching» (ZVS) [Jang25]. Il es aussi possible d amener le couran à commuer à zéro avan que le ransisor ne se bloque (augmenaion de la ension), ainsi la puissance consommée pendan les commuaions es nulle [Moneiro24 ; DongbingZ1996]. On parle alors de «Zéro Curren Swiching» (ZCS) [Iannello22]. Dans le domaine de la variaion de viesse, des onduleurs uilisen la commuaion douce pour la réducion des peres par commuaions e la réducion des PEM. Ce monage pore le nom d Auxiliary Resonan Commuaed Pole ou ARCP [Rize21 ; Nakamura23 ; Turpin23]. Bien que la commuaion douce résonnane semble inéressane, l augmenaion de emps de moné e de descene limie la fréquence de découpage des converisseurs e nécessie l emploi d inducances e de condensaeurs pour la mise en œuvre de ces commuaions, augmenan la complexié srucurelle du variaeur de viesse Conclusion sur la réducion des dv/d Cee éude mone que l acion sur les dv/d perme une amélioraion en haue fréquence des niveaux PEM (à parir de quelques mégaherz) par une augmenaion des emps de commuaion ypiquemen quelques cenaines de nanosecondes (Figure 1.5) voir plus si des CALC son uilisés. En revanche, cee acion sur le dv/d (limiée à 5kV/µs par des consruceurs de variaeurs) ne perme généralemen pas une réducion des PEM dans la plage de fréquence allan de 15kHz à quelques MHz Commande logique des inerrupeurs de puissance 6 Les courans de mode commun rouven leur origine dans les variaions de la ension de mode commun, elle-même issue des ensions découpées par l'onduleur. Ces ensions son issues de la commande logique des IGBT basée sur la modulaion de largueur d impulsion (MLI). 6 Toues les dénominaions uilisées dans ce paragraphe seron déaillées en [29]

49 Chapire Applicaion à un ensemble redresseur pon de diode - onduleur Dans le cas d un variaeur de viesse composé à l'enrée d un redresseur à diodes, la ension de mode commun s exprime comme la moyenne des ensions de sorie de l onduleur V AO, V BO, V CO. Dans ce qui sui, nous allons présener les différenes méhodes de réducion de la ension de mode commun en agissan sur le moif issu de la MLI Sraégie Fla op Le fla op es une sraégie de modulaion qui consise à bloquer pendan oue une période de commuaion un des rois bras de l onduleur par acion sur la composane homopolaire [Holmes2]. Elle perme une réducion par deux, du nombre oal de variaions de la ension de mode commun (Figure 1.22). La ension de mode commun ainsi obenue es d ampliude globale plus faible que celle sans fla op. Cee réducion de l excursion de la ension de mode commun permerai aussi de limier les risques de décharges élecrosaiques dans les roulemens du moeur. La réducion de la ension de mode commun a éé développée au ravers d'aures sraégies de modulaion élaborées par [JianS213 ; Ning213 ; Dehghani215] pour des converisseurs à deux niveaux de ension, e [Ahmed214 ; Payami214 ; Oleschuk214] pour des converisseurs avec un nombre de niveaux de ension supérieur. E/2 -E/2 E/2 -E/2 T E/2 E/6 -E/6 -E/2 T Période de découpage (T) (a) E/2 -E/2 E/2 Bras bloqué -E/2 T E/2 E/6 -E/6 -E/2 T Période de découpage (T) (b) V AO V BO V CO V MC Figure 1.22 : Tension de mode commun sans (a) e avec (b) fla op Le nombre rédui de commuaions par période de découpage perme aussi une réducion non négligeable des peres par commuaion des inerrupeurs de puissance de l onduleur. En revanche, bien que deux variaions aien éé annulées, il en rese oujours quare qui pariciperon à la généraion du couran de mode commun. De plus, aucune amélioraion n a éé porée aux surensions car les variaions de ension ΔV e les dv/d resen inchangés. [3]

50 Chapire Synchronisaion des frons de ension Une aure possibilié de réducion du couran de mode commun consise à procéder à une annulaion des variaions de la ension de mode commun (Figure 1.23.a) par une mise en opposiion des frons de ension présens sur les rois ensions en sorie de l onduleur (Figure 1.23.c). La synchronisaion de deux frons de ension es aussi appelée double commuaion [Zizelsberger26 ; YenS24]. Elle perme, en héorie, une annulaion de la ension résulane. Dans la praique, les commuaions ne son pas idéales (Figure 1.21.b e Figure 1.21.c.) e donneron lieu à des résidus dis de synchronisaion 7. De plus, l uilisaion des doubles commuaions es synonyme d augmenaion des variaions de ensions enre les phases de l onduleur (A, B, C) d un rappor deux. Ainsi, des surensions bien plus élevées seron appliquées au moeur lors de l uilisaion avec de longs câbles, e pourron êre desrucives pour les moeurs. V E/2 -E/2 E/2 -E/2 E/2 -E/2 T V AO V BO V CO V (b) V AO V BO V AO + V BO E/6 V MC V AO -E/6 V BO -E/2 T Période de découpage (T) Résidu de commuaion V AO + V BO (a) (c) Figure 1.23 : Tension de mode commun avec synchronisaion de deux frons de ension (a), résulane de deux frons de ension sans (b) e avec (c) synchronisaion La liéraure regorge de sraégies de modulaion qui meen en œuvre des doubles commuaions pour la réducion des variaions de la ension de mode commun [BenAbdelghani22]. Parmi ces sraégies, ceraines permeen de synchroniser ous les frons de ensions d un onduleur à deux niveaux de ension [Cacciao1999]. La réducion des variaions de la ension de mode commun V MC enraînerai une réducion de l'ampliude du fondamenal de ension enre phases applicables au moeur [Cacciao1999] e l'augmenaion des surensions qui apparaissen aux bornes du moeur dans le cas d'un câble long. Pour pallier à ces deux inconvéniens, le même ype de synchronisaions es appliqué à des onduleurs à rois niveaux de ension [HaoranZ2 ; Rodriguez24], voir plus 7 Une éude déaillée des résidus de synchronisaion es réalisée au chapire 3 [31]

51 Chapire 1 [Bodo213]. En effe, l uilisaion de opologies muliniveaux, donne accès à des degrés de liberés 8 inexisans avec l uilisaion de converisseurs deux niveaux Associaion fla op e synchronisaion de frons de ension L uilisaion du fla op e d une double commuaion perme d économiser chacune deux ransiions sur la ension de mode commun. L idée consise à appliquer la sraégie fla op sur un des bras de l onduleur e une double commuaion aux deux bras resans, non bloqués [Vide28]. Le fla op perme de passer à quare variaions, e l acion conjoine de la double commuaion rédui à deux variaions complèes, e un résidu de la ension de mode commun sur une période de découpage. Cee soluion me en avan les avanages offers par le fla op (réducion des peres par commuaion) en y associan une double synchronisaion. Elle perme, conrairemen à la synchronisaion de ous les frons par doubles commuaions, d alimener la charge sous sa ension nominale avec un onduleur deux niveaux. En revanche, les surensions son présenes lors des doubles commuaions. Ces dernières peuven êre maîrisées avec l uilisaion d un onduleur de ype NPC [Vide29] Applicaion à un ensemble redresseur MLI - onduleur Lors de l uilisaion d un redresseur MLI 9, les ensions en enrée du variaeur son elles aussi découpées. Les rois phases en enrée du variaeur de viesse (côé réseau élecrique) seron nommées: X, Y, e Z. Dans ce cas, ce redresseur paricipera à la créaion des couran HF e dans le cas du mode commun, la source sera vue comme éan la différence de poeniel des poeniels moyens de ensions en enrée e en sorie du variaeur de viesse. L équaion représenaive de ce généraeur de ensions es donnée par Eq V V MC MC V V AO MCond VBO V 3 V MCred CO V XO V 3 YO V ZO (Eq 1.6) Pour réduire les variaions de cee ension de mode commun (Figure 1.24.a), qui compe, désormais douze variaions (soi deux fois plus qu un onduleur seul) différenes soluions exisen. Il es possible d appliquer les différenes sraégies définies pour l onduleur seul e de les éendre aux deux converisseurs indépendammen [Hou213 ; Dong212] l une de l aure avec les inconvéniens e avanages de chacune d enre elles. Mais, il es aussi possible de réduire les variaions de V MC par la synchronisaion de deux frons de ension de même naure (fron monan ou descendan) issue de l onduleur e du redresseur MLI (Figure 1.24.c) 8 La noion de degrés de liberés sera expliquée au paragraphe Les avanages e les dénominaions uilisées pour le redresseur MLI seron donnés au paragraphe Les hypohèses derrière cee formulaion de la ension de mode commun seron fournies au paragraphe [32]

52 Chapire 1 E/2 -E/2 V XO V YO V A O E/2 -E/2 V ZO V AO V X O V AO - V XO V BO (b) V CO E/2 -E/2 E/2 -E/2 E/3 V MCred V MCond V MC V A O V X O V AO - V XO - E/3 T (c) (a) Figure 1.24 : Tension de mode commun généré par un ensemble redresseur MLI onduleur (a), résulane de deux frons de ension sans (b) e avec (c) synchronisaion Il n exise que peu d éudes auour de ce ype de synchronisaions. On peu néanmoins cier deux sraégies de modulaions pour la réducion des variaions de V MC. Il es possible de faire correspondre les frons de ensions de l un des bras de l onduleur avec ceux du redresseur [HyeounD2]. Cee égalisaion es assurée par l uilisaion de la composane homopolaire (degré de liberé) pour laquelle, un exemple es donné Figure 1.25.a. Ici, la composane homopolaire es uilisée afin de faire correspondre l impulsion du bras X avec le bras A. Remarquons que l on aurai rès bien pu appliquer la composane homopolaire au bras Y ou Z (pour les faire correspondre à B ou C). La seule conraine éan que l ajou de cee composane homopolaire ne permera pas, par exemple, d effecuer un fla op sur l onduleur e l AFE. Une aure sraégie pour effecuer des synchronisaions au sein d une associaion redresseur MLI - onduleur es issue de [Thiam29] qui a fai l obje d un breve déposé par Schneider Elecric [Vide21b]. Cee sraégie de modulaion perme de synchroniser, enre eux, ous les frons de ension des deux converisseurs (Figure 1.25.b). La ension de mode commun serai alors réduie à six résidus de commuaion sans pour auan amplifier les surensions aux bornes du moeur puisque, a priori, il n y a pas de double synchronisaions comme cela a éé le cas pour l onduleur seul. [33]

53 Chapire 1 E/2 -E/2 V XO V YO V ZO E/2 -E/2 V AO V BO E/2 -E/2 E/2 -E/2 E/3 - E/3 V CO V MCred V MCond V MC T (a) T (b) Figure 1.25 : Sraégie de synchronisaion parielle (a) e oale (b) des frons de ension d un ensemble AFE onduleur. En revanche, bien que possible, les mécanismes permean l uilisaion de cee sraégie de modulaion n on pas éé déerminés (conraines d alimenaion des moeurs, ). Par la suie, cee sraégie sera qualifiée de «synchronisaion oale» car elle permerai, en héorie, une annulaion de la ension de mode commun Conclusion sur les sraégies de modulaion L uilisaion d'une sraégie de modulaion pour la réducion des perurbaions de mode commun résou le problème à sa source par le jeu de synchronisaions de frons de ension. Dans le cas d un variaeur de viesse à redressemen de ype pon de diode, l onduleur es la seule source de PEM. Or les sraégies de modulaion pour ces converisseurs présenen des inconvéniens à moins d uiliser des opologies muli-niveaux qui apporen elles-mêmes de nouveaux inconvéniens (augmenaion du nombre de composans à commander). Un aure ype de variaeurs de viesse uilisen un redresseur MLI à l'enrée don la opologie es idenique à celle de l onduleur pour deux niveaux de ension. A cause du découpage indui par le redresseur MLI, de nouvelles synchronisaions des commuaions son possibles enre l onduleur e le redresseur MLI. Elles permeraien, a priori, d uiliser des opologies à deux niveaux de ension avec moins de conraines sur les aures perurbaions (surensions esseniellemen). Finalemen, l objecif de cee hèse consisera à mere en œuvre la synchronisaion oale dans le cas d'un variaeur de viesse uilisan une opologie redresseur MLI e onduleur afin de réduire les perurbaions de mode commun. [34]

54 Chapire 1 3. Déerminaion de la srucure du converisseur du variaeur de viesse Les variaeurs de viesses son des converisseurs de puissance qui permeen la maîrise de la viesse des moeurs élecriques au ravers d une conversion AC/AC. De els disposiifs de conversion peuven se présener sous différenes familles : les converisseurs de puissance à source de couran, les converisseurs de puissance à source de ension. Les converisseurs à source de ension son prépondérans dans les applicaions indusrielles du fai de leur rendemen e de leur sockage d énergie plus imporan dans un condensaeur du bus coninu. Les converisseurs à source de couran nécessien l'uilisaion d'une bobine pour socker de l'énergie qui serai plus volumineuse en comparaison avec un condensaeur pour la même énergie emmagasinée. Il exise différenes srucures de puissance qui perme une conversion AC-AC. Les converisseurs mariciels son des srucures enièremen commandées. Ces srucures permeen une conversion AC-AC qu il es possible de diviser en deux familles : o les converisseurs mariciels direcs [Kolar211], o les converisseurs mariciels indirecs [Klumpner28]. Les converisseurs à sockage d énergie inermédiaire qui découplen la conversion AC-AC en sous-sysèmes [Kolar211]. o Une conversion AC-DC où la ension riphasée fournie par le réseau es redressée pour obenir une ension coninue. Cee srucure peu êre enièremen commandée (redresseur MLI) ou non (à diodes). [Kolar1999 ; Borgonovo23] o Puis, l énergie en provenance du réseau es sockée dans un condensaeur qui a pour bu de lisser la ension e qui consiue le bus coninu. o E enfin une conversion DC-AC où la ension coninue es découpée pour créer les ensions alernaives nécessaires au foncionnemen du moeur. Dans l indusrie, on rouve majoriairemen des converisseurs avec sockage inermédiaire, qui se composen généralemen d un onduleur, d un bus coninu e d un redresseur de ype pon à diodes ou d un redresseur MLI (Figure 1.26) que l on nommera AFE (Acif Fron End). Le choix des soluions à sockage inermédiaire perme une robusesse aux creux de la ension du réseau élecrique car l énergie emmagasinée dans l élémen de sockage permerai d alimener le moeur. Dans le cas de l AFE, une bobine enre le redresseur MLI e le réseau élecrique es nécessaire au foncionnemen de la srucure. En praique, pour réduire le volume, cee bobine es remplacée par un filre LCL de volume global moins imporan [Lixiang27]. Même si ce poin semble défavoriser l AFE, nous verrons par la suie que d aures crières enren en ligne de compe e minimisen ce inconvénien. [35]

55 Chapire 1 Variaeur de viesse Redresseur : pon de diode + X Réseau N R Y Z Redresseur : AFE - + Bus coninu + - E/2 O E/2 Onduleur A B C Câble long Moeur N X Y Z Source de perurbaions - Figure 1.26 : Srucure de conversion pour la variaion de viesse 3.1. Choix de la srucure du converisseur Ce choix concerne esseniellemen le redresseur, puisque, à moins d uiliser des opologies muli-niveaux, les choix de la srucure de l onduleur resen limiés Disorsions harmoniques sur le réseau élecrique Le redresseur, direcemen connecé au réseau élecrique, es soumis à des réglemenaions (EN e IEEE519) vis-à-vis des harmoniques générés. Ces harmoniques son esseniellemen basses fréquences, de mode différeniel, e couvren une plage de fréquences allan de 1Hz à quelques kiloherz. Dans le cas d un pon à diodes, l absorpion des courans es impulsionnelle (Figure 1.27.a) e enraîne des anomalies sur le réseau qui se raduisen par la déformaion des ensions à l origine sinusoïdales. Cee déformaion des ensions par le couran es due à l impédance du réseau, e es à l origine de perurbaions sur les aures appareils connecés au même réseau élecrique. En revanche, le couran absorbé par le redresseur MLI es sinusoïdal. Cee différence se radui dans le domaine fréqueniel par la présence d harmoniques basses fréquences (5 e, 7 e, 11 e ) d ampliude équivalene au fondamenal fixé à 5Hz pour le pon à diodes (Figure 1.27.b). Alors que, le redresseur MLI ne génère que le fondamenal dans la plage de fréquences observées. Dans le cas de perurbaions basses fréquences, la norme EN es uilisée. Celle-ci es basée sur un quanificaeur appelé Taux de Disorsion Harmonique (THD). Il correspond aux disorsions présenes sur les grandeurs élecriques (couran dans nore cas) en prenan pour base un signal puremen sinusoïdal consiué uniquemen de son fondamenal. [36]

56 Couran réseau (A) Couran (A) Chapire 1 i k l ampliude de l harmonique au rang k i 1 l ampliude du fondamenal 2 4 i k THDi (Eq 1.7) k2 i1 La norme EN es applicable dans le cas d appareils connecés au réseau public qui absorben un couran compris enre 16 e 75A. Cee norme impose aux appareils élecriques un THD de couran inférieur à 48%, en enan compe des quarane premières harmoniques du couran (k = 2, 4) Pon de diode AFE Temps (ms) (a) Fréquence (Hz) (b) Figure 1.27 : Simulaion de courans absorbés par un redresseur à diodes (a) e son conenu specral (b) Par exemple, pour un redresseur connecé à un réseau 38V eff e absorban une puissance de 15kW, les courans prélevés avec le pon à diodes on une forme impulsionnelle, alors que le redresseur MLI prélève un couran sinusoïdale d une ampliude de 35A. Ces résulas se raduisen par un THDi de plus de 2% pour le pon à diodes, alors que le redresseur MLI son THDi es inférieur à 1%. Des soluions exisen pour la réducion des disorsions sur le couran absorbé par un redresseur à diodes. Par exemple, le C-less [Saren25 ; Kim1993 ; Usugi212 ; Yoo27], l injecion d harmonique 3 [Bird1969 ; Pejovic2 ; Lawrance1992], ou encore l uilisaion de circuis acifs [Li27 ; Erl25] son des soluions qui permeen la réducion du THDi en deçà des 48% imposés par la norme. Malgré oues les amélioraions apporées au redresseur à diodes, il devien difficile à aeindre le même niveau de polluion harmonique BF que celui du redresseur MLI. Dans le domaine indusriel, l absorpion de courans sinusoïdaux devien une conraine qui pèse de plus en plus car les gesionnaires des réseaux élecriques qui exigen une réducion des niveaux harmoniques en BF. De plus, le redresseur MLI perme un ransfer de puissance bidirecionnel e une maîrise de la ension du bus coninu 11, choses que le redresseur à diodes 11 Il es possible d élever la ension du bus coninu pour alimener la charge à sa ension nominale même si la ension du réseau es insuffisane. [37]

57 Chapire 1 ne peu réaliser. Pour oues ces raisons le variaeur éudié dans le cadre de cee hèse se composera d un AFE e d un onduleur à deux niveaux de ension Présenaion de la srucure reenue Pour les raisons évoquées précédemmen, la srucure pour le variaeur de viesse reenue dans le cadre de cee hèse se compose d un AFE e d un onduleur. L uilisaion d un AFE enraînera le découpage des ensions en enrée ce qui induira une source de polluion élecromagnéique HF supplémenaire. Ainsi, des courans de mode commun son générés à la fois par l onduleur e par l AFE (Figure 1.28). Variaeur de viesse Réseau N R N R RSIL X Y Z AFE Onduleur Bus coninu A B C Câble long Moeur N Terre i MC généré par le redresseur i MC généré par l onduleur Figure 1.28 : Circulaion des courans de mode commun dans un environnemen composé d un ensemble AFE - onduleur Tou comme l onduleur, l AFE es source d une ension de mode commun V MCred qui s exprime comme le iers de la somme des ensions phase (X, Y, Z) e un poin du bus coninu. Cee ension V MCred peu êre assimilée à celle enre le neure du réseau (que l on peu siuer au niveau des ransformaeurs) N R e le poin milieu du bus coninu. Mais comme pour l onduleur, du fai d élémens parasies des câbles de connexion au réseau élecrique cee définiion de la ension de mode commun n es valable qu'en basse fréquence. Nous pouvons donc, comme pour le variaeur avec un redresseur à diodes, représener l ensemble variaeur, câble, moeur e RSIL sous une forme simplifiée d'un schéma élecrique de mode commun (Figure 1.29). Les inducances en enrée du redresseur seron considérées comme couplées en mode différeniel, ce qui perme de négliger leurs appors en mode commun. La généraion des perurbaions de mode commun es due à l associaion conjoine de deux généraeurs de ension découplés par la présence de capaciés parasies de mode commun enre le bus coninu e la erre. Ces capaciés seron considérées par la suie comme négligeables 12 devan les capaciés du câble e du moeur. Sous cee hypohèse, la ension de mode commun générée par le variaeur es simplifiée e peu êre représenée par une source de ension égale à la différence des ensions V MCond e V MCred. V MC V V (Eq 1.8) MCond MCred 12 Une évaluaion de l impac réel de ce chemin capaciif sera déaillée au chapire 4 [38]

58 Chapire 1 V MC V MCred V MCond 16,7Ω C phase_res-erre C bus-erre C phase_mo-erre C câble C mo i MC généré par le redresseur i MC généré par l onduleur Figure 1.29 : Modèle de mode commun avec uilisaion d un AFE Les sraégies de synchronisaion de frons de ension enre onduleur e AFE vues au paragraphe ne son valides qu à la condiion d exprimer la ension de mode commun sous la forme d un généraeur global de perurbaions. Dans les chapires suivans, lorsqu il sera fai éa de la ension de mode commun, il s agira de cee formulaion Commande des converisseurs Principe de commande d un onduleur MLI Grandeurs à conrôler : Le bu d un onduleur dans un variaeur de viesse es d'alimener une machine riphasée avec des ensions alernaives sinusoïdales. Ces ensions corresponden à celles mesurées enre les phases du moeur (A, B, C) e le neure de la machine (ficif si la machine es couplée en riangle ou physiquemen présen si elle es couplée en éoile). V V V V AN AN BN CN V V V V BN M M M V CN sin( ) sin sin (Eq 1.9) V M correspond à l ampliude des ensions simples (enre phases e neure) désirée aux bornes de la machine. Les ensions de références peuven êre obenues en boucle ouvere par une simple loi U/f, si l objecif n es pas de conrôler les grandeurs de la machine (couple, basse viesse, ). Ces ensions son propres au moeur alors que l onduleur fourni quan à lui rois ensions par rappor au poin milieu du bus coninu. Les grandeurs à conrôler V kn e les grandeurs sur lesquelles une acion es possible V ko e k = {A, B, C}, son liées par la ension enre le poin milieu du bus coninu e le neure de la machine. Or cee ension es égale à la ension de [39]

59 Chapire 1 mode commun BF générée par l onduleur V MCond. Ainsi, on défini une relaion qui lie les valeurs moyennes de V ko e les V kn elle que : Modulaion de largeur d impulsions : A, B, C, Vk O Vk N VMCond k (Eq 1.1) Les ensions V ko son obenues par le découpage des inerrupeurs de puissance, ces derniers foncionnen de façon complémenaire. En foncion de la configuraion des inerrupeurs K 1A e K 2A, la ension V AO varie (Figure 1.3). Onduleur K 1A Moeur O E/2 E/2 A B C i A i B i C N K 2A Figure 1.3 : Onduleur deux niveaux De plus en foncion du signe du couran de la charge, le ransisor ou la diode en aniparallèle se me à conduire (Tableau 1.1). Tableau 1.1 : Conducion des inerrupeurs de puissance d un bras d onduleur i A posiif i A négaif V AO K 1A commandé Transisor de K 1A Diode de K 1A condui + E/2 condui K 2A commandé Diode de K 2A condui Transisor de K 2A - E/2 condui Le foncionnemen des inerrupeurs es assuré par des ordres logiques issus de la modulaion de largeur d impulsion (MLI). On disingue deux ypes de modulaion : La modulaion vecorielle: basée sur le diagramme vecoriel qui défini l ensemble des éas possibles des rois couples d inerrupeurs présens pour un converisseur à deux niveaux de ensions. Cee modulaion offre un conrôle de la gesion du emps à l éa passan (ransisors en conducion) des inerrupeurs de puissance e perme noammen la minimisaion de l ondulaion du couran [Long214 ; Krishna212] aussi appelée Space Vecor Pulse Widh Modulaion (SVPWM). En revanche, sa mise en œuvre expérimenale es complexe e [4]

60 Chapire 1 nécessie un microconrôleur puissan pour réaliser ous les calculs nécessaires à chaque période de découpage. La modulaion inersecive: cee méhode es basée sur l uilisaion de modulanes, image des ensions V ko, comparée à une poreuse qui peu êre soi un signal riangulaire, soi une den de scie (Figure 1.31). Typiquemen la poreuse es comprise enre -1 e 1, d où la nécessié d inroduire des grandeurs réduies h ko, h kn, e h NO des ensions V ko, V kn, e V MC don les variaions son égalemen comprises enre -1 e 1. k A,B,C h h h ko kn NO V V V ko kn MC 2 E 2 E 2 E (Eq 1.11) La grandeur réduie h NO sera nommée par la suie composane homopolaire car elle es appliquée de façon idenique sur les rois phases de l onduleur e n aura pas d impac sur les ensions appliquées au moeur. A ce ire, cee grandeur es un degré de liberé don les limies son imposées par les h ko qui varien enre -1 e 1 pour permere la comparaison à la poreuse. +1 poreuse poreuse poreuse h AO h BO h CO -1 E/2 - E/2 V AO V BO V CO T (a) (b) (c) T Figure 1.31 : Modulaion inersecive avec uilisaion d une poreuse riangulaire (a) den de scie descendane (b) e den de scie ascendane (c) Quel que soi le ype de poreuses uilisé, la largeur des impulsions αt créée es égale e proporionnelle à h ko. Ce déplacemen des impulsions sur la période de découpage n es pas une conraine vis-à-vis de la reproducion des ensions réduies h ko. Il s agi donc là d un second degré de liberé. Ce degré de liberé es borné dans son uilisaion par h ko car il ne peu qu êre compris enre - 1 e 1. Auremen di, la largeur d impulsion αt es confinée enre e 1 (lorsque α = 1, l impulsion es aussi large que la période de découpage) e donc : T 1 h kn h NO 1 min( h 1, kn ) h NO k A,B,C 1 max( h kn ) (Eq 1.12) Or, [41]

61 Chapire 1 han r sin( ) hbn r sin hcn r sin r VM E (Eq 1.13) r correspond à l ampliude réduie des ensions phases neure de référence appliquée au moeur. Cee grandeur sera appelée par la suie profondeur de modulaion. Ainsi, une acion sur la largeur des impulsions es donc possible par le biais de la composane homopolaire pour l applicaion de ype Fla op par exemple Principe de commande du redresseur MLI La commande des redresseurs MLI es similaire à celle de l onduleur puisque leurs opologies son ideniques. Nous pouvons donc définir, pour ce converisseur, une aure composane homopolaire définie enre le neure du réseau N R e le poin milieu du bus coninu, h NRO. Cee composane es un degré de liberé offer par redresseur MLI, e es indépendane de la composane homopolaire de l onduleur. Tension du bus Tensions réseau Mesures Couran réseau Références de ension V XNR, V YNR, V ZNR E PLL θ (Angle réseau) Id abc dq Iq θ abc dq Référence de ension de bus - + Conrôle en ension Id_ref Iq_ref = Conrôle en couran Vd_ref Vq_ref Figure 1.32 : Conrôle d AFE par imbricaion de régulaion de ension e de couran Conrairemen à l onduleur pour lequel les ensions de référence peuven êre obenues en boucle ouvere, l AFE nécessie un conrôle de la ension du bus coninu pour foncionner. Ce conrôle peu se limier à deux boucles de régulaions imbriquées les unes dans les aures (Figure 1.32). La régulaion des grandeurs élecriques (ension du bus e le couran de ligne) es assurée par l uilisaion de deux correceurs de ype proporionnel inégral. Afin d assurer le conrôle dans le domaine de Park (ransformées abc dq) e le foncionnemen de l AFE à faceur de puissance uniaire (courans e ensions phases neure de réseau en phase), une PLL basée sur la mesure des rois ensions du réseau élecrique es uilisée [Mussa24] Eude des degrés de liberé de l'ensemble AFE onduleur Une fois les ensions de références calculées, h kn, des opéraions sur les ensions enre les phases e le poin milieu du bus coninu h ko resen possibles. Ces possibiliés son données par les degrés de liberé qui son: la composane homopolaire e le déplacemen d impulsions. [42]

62 Chapire 1 Dans ce paragraphe, les noaions choisies son celles de l onduleur, mais elles son ransposables direcemen à l AFE La composane homopolaire La composane homopolaire, h NO, es un degré de liberé qui perme de modifier la largeur des impulsions [Holmes1996] (Figure 1.33). De plus, comme la charge se voi appliquer les ensions composées U AB, U BC e U CA foncions de V AN, V BN e V CN ; il en résule que la ension de mode homopolaire V NO appliquée aux ensions dans le repère de l onduleur (bus e phases) n a pas d impac dans le repère de la machine (phases neure de la machine). h AO h BO h CO V AO V BO V CO h NO h NO h NO +1-1 E/2 - E/2 E U AB T Figure 1.33 : Applicaion de la composane homopolaire On saisfai bien au même objecif pour la ension enre phases e garani ainsi l alimenaion du moeur avec des ensions moyennes ideniques. De plus, on mainien une symérie des impulsions V AO, V BO, V CO qui resen cenrées sur la période de découpage. Ce effe de symérie perme de réduire l ondulaion du couran sur les différenes phases, comme pour la SVPWM. Cependan l uilisaion de la composane homopolaire enraîne une augmenaion de l ondulaion de couran par rappor aux cas où elle n'es pas uilisée Le déplacemen d impulsions Le déplacemen d impulsions consise, comme son nom l indique, à placer l impulsion sur la période de découpage sans en modifier sa valeur moyenne (on ne modifie pas la largeur de l impulsion). Le déplacemen d impulsions peu se faire par l uilisaion de différenes poreuses qui permeen rois posiions des impulsions (cenrée, en débu e en fin de période de découpage) (Figure 1.31). Mais, il es possible d êre encore plus fin sur le déplacemen des impulsions e de posiionner ces dernières n impore où sur la période de découpage. [43]

63 Chapire 1 Le déplacemen d impulsions avec la modulaion inersecive (Figure 1.34.b) es réalisable par l uilisaion de deux modulanes h ko1 e h ko2, pour lesquelles il suffi de respecer l équaion Par ailleurs, l uilisaion de deux modulanes pour la créaion des impulsions issues de la MLI es facilemen réalisable par des microconrôleurs de ype DSP (Digial Signal Processor). A, B,C, h k O2 h k O1 2 k k (Eq 1.14) Les sraégies de modulaion don l objecif es la synchronisaion de frons de ension uilisen le déplacemen d impulsions. En conreparie, ce dernier es source de dissyméries des courans qui on, à la fois, un impac sur l ondulaion du couran de chacune des phases en sorie du converisseur, mais aussi des disorsions sur le fondamenal. +1 h CO1 h CO1 2α C 2α C h CO2 h CO2-1 α C E/2 - E/2 α C V CO T (a) T (b) Figure 1.34 : Impulsion cenrée (a) e déplacée sur la gauche (b) par uilisaion d une modulaion inersecive Ces disorsions auron, dans le cas de d AFE, un impac négaif sur le THDi. Touefois, il es possible de limier ces disorsions en appliquan une compensaion prédicive [Vide21a]. [44]

64 Chapire 1 4. Conclusion du chapire L uilisaion de converisseurs de puissance, dans le cadre de la variaion de viesse, es largemen uilisée pour son rès bon rendemen. En conreparie, elle es source de perurbaions élecromagnéiques à l origine d une usure prémaurée des moeurs e de la polluion des réseaux élecriques. Cee dernière es limiée par des normes qui imposen, aux fabricans de variaeurs de viesse, des niveaux des émissions à ne pas dépasser, e ce pour oue une gamme de fréquences allan de 15kHz à 3MHz pour les perurbaions conduies. Dans le cadre de cee hèse, nous nous inéresserons plus spécifiquemen aux perurbaions conduies de mode commun don la maîrise es rès difficile. Ce ravail concerne un variaeur de viesse composé d un onduleur e d un redresseur MLI. Ce dernier perme l absorpion de courans sinusoïdaux, la bidirecionnalié du ransfer de puissance e une maîrise de la valeur de la ension du bus coninu. La mise en conformié des variaeurs de viesse, au regard des normes CEM, se fai généralemen à l'aide de filres passifs don l objecif es la réducion des niveaux des émissions conduies. Mais, le durcissemen e la muliplicaion des normes à respecer nécessien des filres don le volume e le prix ne cessen d'augmener, si bien, que d aures soluions de réducion des PEM son envisagées. Par exemple, l uilisaion de srucures de conversion muli-niveaux (NPC, flying capacior, ) perme une réducion des PEM au prix d une augmenaion du nombre de composans de puissance (diode e ransisors) qui complexifien la commande e diminue la fiabilié des variaeurs de viesse. D aure par, l acion sur la commande de grille des ransisors perme de s aaquer à la source des PEM en diminuan les viesses des commuaions (di/d e dv/d). En conreparie, cee soluion n a d effe qu au-delà de quelques mégaherz, or le dimensionnemen du filre de mode commun es effecué, en parie, à 15kHz. Une aure soluion de réducion des PEM uilise des sraégies spécifiques de commande MLI dans le bu de réduire le nombre de variaions de la ension de mode commun. Ces sraégies on éé largemen éudiées dans le cas d un onduleur e se révèlen inéressanes lorsqu elles son associées à des srucures muli-niveaux. En revanche, la réducion des PEM au ravers d une associaion onduleur redresseur MLI, es à ce jour peu éudiée. Dans la suie de ce mémoire, nous nous inéresserons au développemen, à la mise en œuvre, e à l évaluaion des performances d une sraégie de modulaion don le bu es une annulaion "héorique" des variaions de la ension de mode commun générée par une associaion redresseur MLI-onduleur. [45]

65 Chapire 2 : Sraégie de modulaion développée

66 Chapire 2 1. Présenaion de la sraégie de modulaion Principe de réducion des variaions de la ension de mode commun générée par un variaeur de viesses avec redresseur AFE Eude de la sraégie de modulaion développée Degrés de liberé liés à la synchronisaion oale Influence de la largeur des impulsions sur la ension du bus coninu Uilisaion de la composane homopolaire Applicaion de l injecion d harmonique 3 à la synchronisaion oale Conséquences sur le raio des ensions enrée-sorie Conséquences sur la ension du bus coninu E Différenes soluions de synchronisaion oale Cas d associaion de frons de ension impropres à la synchronisaion oale Eude des soluions pour une synchronisaion oale Placemen des impulsions sur une période de découpage Mise en œuvre d un algorihme décisionnel Crière de choix Respec du crière en foncion du poin de foncionnemen e des différenes soluions de synchronisaion Définiion des poins de foncionnemen du variaeur de viesse Conraine de confinemen dans une période de commuaion Conraine d imbricaion des impulsions Conclusion de l éude héorique Validaion de l algorihme décisionnel Validaion du principe de la synchronisaion oale Jusificaion du choix de confinemen des impulsions dans la période de découpage Conclusion du chapire [47]

67 Chapire 2 Les soluions de réducions des perurbaions conduies e noammen celles du mode commun son souven onéreuses (en erme de volumes e de poids) e/ou source de peres par commuaions complémenaires. Cependan, il exise une echnique inéressane de réducion des PEM de mode commun qui consise à agir sur la sraégie de modulaion (Pulse Widh Modulaion ou PWM) du converisseur pour réduire les variaions de la ension de mode commun. Dans ce chapire seron présenées la sraégie de modulaion reenue pour la réducion des PEM émises par un ensemble redresseur MLI (AFE) + onduleur, ainsi que les condiions nécessaires pour la mise en œuvre de cee sraégie. De plus, les condiions d applicaion on éé confronées aux problémaiques indusrielles de design pour les variaions de viesse. Pour cela, un algorihme décisionnel pour l applicaion de cee sraégie de modulaion a éé développé. Il perme noammen une minimisaion des dégradaions apporées sur des aspecs aures que les perurbaions de mode commun. 1. Présenaion de la sraégie de modulaion La srucure reenue es celle d un variaeur de viesse composé d un onduleur à deux niveaux de ension e d un éage de redressemen MLI (qui sera noé par la suie AFE : Acive Fron End), lui aussi à deux niveaux de ension (Figure 2.1). Variaeur de viesse Redresseur : AFE Bus coninu Onduleur Réseau Câble long Moeur N R N R X Y Z E/2 O E/2 A B C N Figure 2.1 : Srucure d un variaeur de viesse éudiée L onduleur e le redresseur génèren chacun une ension de mode commun. Ainsi, les sources de perurbaion de mode commun du variaeur peuven êre représenées sous la forme de deux généraeurs de ension. Sous l hypohèse que les capaciés parasies C bus_erre enre le radiaeur du variaeur connecé à la erre e le bus coninu son négligeables devan les aures (cf. chapire 1 paragraphe 1.2.2), il es possible de simplifier la source des perurbaions de mode commun de l ensemble AFE - onduleur à un seul généraeur de ension, V MC (Figure 2.2). [48]

68 Chapire 2 V MC V MCred V MCond Z réseau C phase_res-erre C bus-erre C phase_mo-erre C câble C mo i MC généré par le redresseur i MC généré par l onduleur Figure 2.2 : Modèle élecrique équivalen simplifié de mode commun du variaeur de viesse éudié Il es ainsi possible de définir une ension de mode commun globale comme la différence des ensions de mode commun fournies par l onduleur e l AFE, respecivemen V MC_ond e V MC_red. V V MC MC V V MCond AO V V 3 BO MCred V CO V XO V 3 YO V ZO (Eq 2.1) 1.1. Principe de réducion des variaions de la ension de mode commun générée par un variaeur de viesse avec redresseur AFE L onduleur e l AFE génèren chacun une ension de mode commun qui varie six fois par période de découpage. Dans le cas où ces fréquences de découpage son égales e synchrones, on peu définir une période de découpage unique T, dans laquelle la ension de mode commun globale du variaeur de viesse (Eq 2.1) es composée de douze variaions (Figure 2.3.a). Pour réduire les variaions de cee ension (Figure 2.3.b), une des soluions décrie au chapire 1 consise à synchroniser les frons de ensions des deux converisseurs (Figure 2.3.c). Pour ce faire, il es nécessaire de modifier les insans de commuaion des différenes phases de l onduleur e de l AFE. Cee possibilié es donnée par les degrés de liberé offers par la Modulaion de Largeur d Impulsions (MLI). Ces degrés de liberés son: la composane homopolaire e le déplacemen des impulsions. La composane homopolaire perme un élargissemen/rérécissemen de oues les impulsions d un même converisseur (onduleur ou AFE) dans des proporions égales. Le déplacemen des impulsions perme quan à lui un placemen libre 13 des impulsions issues de la MLI sur la période de découpage T. Ce dernier nous donne donc, a priori, une marge de manœuvre plus grande pour la synchronisaion de frons de ension, que la composane homopolaire. 13 Sauf conraines expliciées chapire 1 paragraphe [49]

69 Chapire 2 E/2 -E/2 V XO V YO V AO V ZO V XO E/2 -E/2 V AO V AO - V XO V BO (b) V CO E/2 -E/2 E/2 -E/2 V MCred V MCond V AO V XO E/3 V MC V AO - V XO - E/3 T (c) (a) Figure 2.3 : Tension mode commun simplifié d un variaeur de viesse composé d un AFE (a) ension résulane de la différence de V AO e V XO (b) principe d annulaion des variaions (c) 1.2. Eude de la sraégie de modulaion développée La sraégie de modulaion développée repose sur le déplacemen d impulsions pour égaliser les ensions de mode commun induies par l onduleur V MCond e le redresseur V MCred. La résulane d une elle opéraion es l annulaion "héorique" des variaions de la ension de mode commun à chaque période de découpage (Figure 2.4). Cee sraégie de modulaion sera nommée par la suie synchronisaion oale (ST). Une première condiion pour que cee annulaion soi effecive à chaque période de découpage es que, cee période soi idenique pour l onduleur e l AFE. En praique, cee égalié es possible par l uilisaion de poreuses en phase par exemple. Cee conraine d applicaion de la synchronisaion oale n es pas sans conséquences pour le variaeur de viesses. Généralemen, les fréquences découpages des deux converisseurs ne son pas liées car les conraines générées sur l environnemen du variaeur son différenes. Pour l onduleur, la fréquence de découpage peu êre réglable afin de: Limier le brui acousique du moeur par une variaion de la fréquence de découpage de quelques cenaines d Herz. Cee variaion rese faible devan la fréquence de découpage qui peu êre de plusieurs kiloherz. On parle d éalemen specral [ElKhamlichi23]. [5]

70 Chapire 2 Evier les résonnances mécaniques liées aux vibraions du moeur qui peuven êre exciées par les fréquences de découpage des ensions. Réduire les peres générées par les modules de puissance. Déplacemen des impulsuions V XO E/2 -E/2 E/2 -E/2 V YO V ZO V AO E/2 -E/2 E/2 -E/2 V BO V CO E/2 V CMred -E/2 E/6 V CMond -E/6 E/6 -E/2 -E/6 V CM T (a) T (b) Figure 2.4 : Tension mode commun obenue avec la SPWM (a) e la synchronisaion oale (b) D aure par, pour l'afe, on cherchera à fixer la fréquence de découpage afin de : Maîriser les peres par commuaion car celles-ci son foncion de la fréquence de découpage. Or pour des opologies à deux niveaux de ensions à base d IGBT, les peres par commuaions évoluen rapidemen avec la fréquence du fai des haus niveaux de ension e de couran commué. Il es donc préférable pour l'afe, mais aussi pour l onduleur de foncionner à une fréquence de découpage faible (quelques kiloherz). Le dimensionnemen du filre placé enre l'afe e le réseau dépend égalemen de la fréquence de découpage. Ce filre es généralemen composée d une associaion inducance condensaeur inducance, on parle égalemen de filre LCL. Parmi ces élémens, l inducance placée au plus près de l AFE es dimensionnée en parie à parir de la valeur de la fréquence de découpage de l AFE. Plus cee dernière es élevée, plus cee inducance verra ses dimensions réduies. Touefois, la densié volumique de peres sera plus élevée e aura pour conséquences une élévaion de la empéraure de l inducance. Il y a donc un compromis enre réducion des dimensions e augmenaion des peres hermiques. [51]

71 Chapire 2 Ceraines de ces conraines indusrielles peuven cependan êre prises en compe lors de l uilisaion de la synchronisaion oale. L éalemen specral peu aussi êre appliqué à l AFE dans la mesure où les variaions de fréquences de découpage resen faibles. Les résonnances mécaniques peuven êre éviées par des variaions de quelques cenaines de Herz de la fréquence de découpage pour réduire les conraines sur l AFE. Pour les résonnances de mode commun, puisque l objecif de la ST es la réducion des PEM de mode commun, cee conraine es ainsi rendue caduque. Le filre d enrée peu quan à lui êre dimensionné hermiquemen pour permere son uilisaion dans une plage de fréquence plus large. Une soluion pour la réducion des peres par commuaions consiserai à uiliser des srucures muliniveaux pour lesquelles les ensions ou courans commués son plus faibles. Ainsi l égalié des fréquences de découpage (onduleur - redresseur), bien qu elle semble pénalisane, rese compaible avec la plupar des conraines indusrielles pour la variaion de viesse. En revanche, ous les mécanismes liés à l applicaion de la ST ne son pour l insan pas expliciés. Dans les secions suivanes, les degrés de liberés ainsi que les condiions nécessaires à l applicaion de la ST seron déaillés. 2. Degrés de liberé liés à la synchronisaion oale La méhode de synchronisaion oale me en relaion l onduleur e l AFE jusqu alors indépendans. Cee relaion se radui par des ensions de mode commun ideniques à chaque période de découpage e aura une incidence sur les degrés de liberé offers non plus par la MLI mais par cee srucure composée d un onduleur e d un AFE commandée par la méhode de synchronisaion oale Influence de la largeur des impulsions sur la ension du bus coninu Oure la synchronisaion des fréquences de découpage, la ST n es possible que sous ceraines condiions sur les largeurs des impulsions onduleur e AFE. Les largeurs des impulsions son issues des références de ension d une par enre les phases de l AFE e le neure du réseau N r e d aure par enre les phases de l onduleur e le neure du moeur N. Ainsi, les rappors cycliques des impulsions α k e α k1, son foncion des ensions de références réduies h kn e h k1nr avec k {A, B, C}, k 1 {X, Y, Z} e des composanes homopolaires 14 h NO e h NrO. Les relaions lian les ensions réduies e les composanes homopolaires son données par l équaion 2.2. k ( h kn ( h h 2 h NO 2 ) 1 ) 1 k k1nr NrO k k 1 1 A,B,C X,Y, Z (Eq 2.2) Pour obenir une synchronisaion oale de ous les frons de ension de l AFE e de l onduleur, le moif de synchronisaion doi décrire un cycle. Ce cycle décri dans l exemple de la Figure 2.6 se radui par un ensemble de synchronisaions des frons de ension de l onduleur de l AFE don le poin de dépar e le poin d arrivée son associés à la même 14 Ces grandeurs on éé exprimées au chapire 1 paragraphe 3.2 [52]

72 Chapire 2 impulsion (Figure 2.5). Ici, il s agi de l impulsion liée au bras X de l AFE don le fron descendan (FD) es synchronisé avec celui du bras C de l onduleur, e le fron monan (FM) es synchronisé avec celui du bras B de l onduleur. X FD C FD ; C FM Y FM ; Y FD A FD ; A FM Z FM ; Z FD B FD ; B FM X FM Figure 2.5 : Synchronisaion des frons monans (FM) e descendan (FD) permean une synchronisaion oale Ce cycle peu aussi se raduire par une égalié de la somme des largeurs d impulsions de l onduleur (α A, α B, α C ) e de la somme des largeurs des impulsions de l AFE (α X, α Y, α Z ) comme représené sur la Figure α X T - α C T + α Y T - α A T + α Z T - α B T T Figure 2.6 : Représenaion d un moif de synchronisaion sous forme d une somme algébrique des largeurs d impulsions La relaion d égalié des sommes de largeurs d impulsions es donnée par l équaion 2.3 ABCT XYZT (Eq 2.3) Par applicaion des équaions 2.2 e 2.3, une relaion enre ension réduies e composanes homopolaires de l onduleur e de l AFE apparai : h AN hb N hc N hno hx Nr hy Nr hz Nr 3 3 h (Eq 2.4) Or les ensions réduies phases neure moeur ou réseau son sinusoïdales alernaives. Ainsi leurs sommes respecives son égales à zéro. Cee propriéé sur les h kn e h knr perme de déduire une relaion enre les composanes homopolaires des deux converisseurs selon la relaion (Eq 2.5). NrO [53]

73 Chapire 2 hno h NrO (Eq 2.5) Finalemen, la condiion d égalié des largeurs d impulsions se radui comme une égalié des composanes homopolaires uilisables par l onduleur e l AFE. Ainsi, les composanes homopolaires appliquées à l onduleur e à l AFE devron êre ideniques que ce soi en ampliude ou en fréquence. On parlera à l avenir d une seule composane homopolaire h NO pour l ensemble onduleur + AFE don les limies d uilisaion resen à définir. On peu noer que cee égalié des composanes homopolaires aurai pu se déduire de l équaion 2.1 de la ension de mode commun enre l onduleur e l AFE. D après cee équaion, l applicaion de la sraégie de la synchronisaion oale permerai une annulaion de la différence des ensions moyennes de mode commun de l onduleur e de l AFE selon la relaion (Eq 2.6). V V (Eq 2.6) MCond Or ces ensions son foncion des composanes homopolaires des deux converisseurs (cf chapire 1 paragraphe 3.2.1) e donc leur égalié es nécessaire pour l'uilisaion de la méhode de synchronisaion oale. MCred Uilisaion de la composane homopolaire Au cours du chapire 1, nous avons monré que la composane homopolaire pouvai êre uilisée pour la réducion des peres par commuaion (Fla op). Cee composane es aussi appliquée afin d'uiliser pleinemen la ension du bus coninu dans le cas d un onduleur par une augmenaion de l ampliude des ensions de référence réduies h AN, h BN, h CN, aussi connue sous le nom de profondeur de modulaion 15 (r ond ), au-delà des limies normalisées [-1, 1]. En revanche, dans le cas d une modulaion inersecive, les ensions réduies délivrées par le converisseur h AO, h BO, h CO doiven êre comprises enre -1 e 1 pour êre comparées à la poreuse. Ainsi, oue augmenaion des niveaux de ension fournis par le converisseur audelà des limies normalisées imposées par la MLI se radui par l uilisaion de la composane homopolaire. C es le cas, par exemple, des sraégies de modulaion avec injecion de roisième harmonique [Holmes2]. Uilisaion de la composane homopolaire en variaion de viesse Dans le cas de l AFE, l exension de linéarié es uilisée pour ajuser la ension du bus coninu E. Cee dernière es foncion de l ampliude des ensions efficaces du réseau élecrique U e de la profondeur de modulaion r red. Cee relaion es donnée par l équaion U E r 3 red hk N rred sin(2f red ), k X, Y, Z (Eq 2.7) 15 La noion de profondeur de modulaion a éé définie au chapire 1 paragraphe [54]

74 Chapire 2 L exension de linéarié perme donc, dans le cas de l AFE, de réduire la ension du bus coninu ce qui es bénéfique quan au choix de condensaeurs avec des enue en ension plus faibles, e poeniellemen de dimensions réduies. Pour l onduleur, l exension de linéarié perme, pour une même ension de bus coninu E, de fournir de ensions simples au moeur V kn d ampliude plus élevée (Eq 2.8) que dans le cas où l exension de linéarié ne serai pas appliquée. E V k N rond sin(2 f ond ), k A, B, C (Eq 2.8) 2 Pour la variaion de viesse, l uilisaion de l exension de linéarié perme donc d une par la réducion de la ension du bus coninu e d aure par de délivrer des ampliudes de ension plus élevées à la charge. Or, dans l indusrie, une réducion des ensions du bus coninu on une imporance significaive car cee grandeur élecrique condiionne le choix des condensaeurs uilisés (limiés par la ension qu ils olèren). Cependan l égalié des composanes homopolaires avec la synchronisaion oale ne perme pas de profier libremen de ces deux effes recherchés à la fois pour l onduleur e le redresseur. Limiaion héorique en cas d égalié des composanes homopolaires : On suppose que l exension de linéarié es appliquée au redresseur. Cee exension correspond à une augmenaion "ΔR" de l ampliude des ensions simples réduies h knr du redresseur, aussi appelée profondeur de modulaion r red (Eq 2.9). rr ed 1 R (Eq 2.9) L ampliude maximale de la composane homopolaire es donc égale à ΔR (Eq 2.1). hno R (Eq 2.1) max Or, les ensions réduies appliquées par l onduleur h AO, h BO, h CO doiven êre comprises enre -1 e 1 : h ond 1 k A,B,C (Eq 2.11) ko D après les équaions définies au chapire 1 paragraphe enre les ensions réduies de référence h kn e celles générées par le converisseur h ko, on doi avoir : A,B, C e h R h h 1 k (Eq 2.12) ond kn NO E noammen le cas le plus défavorable pour lequel h kn es maximale (= r ond ) e h NO es égale à ΔR d après l équaion 2.1, ce qui impose la conraine suivane : r ond 1 R (Eq 2.13) NO [55]

75 Chapire 2 En remplaçan ΔR par son expression issue de l équaion 2.9, on en dédui une limiaion que peuven prendre les profondeurs de modulaion de l AFE e de l onduleur. r 2 (Eq 2.14) ond r red Ce qui ne perme pas, par exemple, d éendre la profondeur de modulaion au-delà de 1 à la fois pour l onduleur e l AFE. Plus spécifiquemen, oue exension au-delà de 1 sur un converisseur (par exemple : r 1 R ) doi même s accompagner d une réducion red équivalene de la profondeur de modulaion admissible pour l aure converisseur ( rond 1 R selon l équaion 2.14). En héorie, l exension de linéarié perme d augmener la profondeur de modulaion jusqu à une valeur de 2 3 1, 15 [Holmes2]. Ainsi, en supposan que r red es égal à cee valeur, cependan, r ond es limiée à : 2 r ond 2,85 (Eq 2.15) 3 Nous verrons dans la secion suivane que cee limiaion héorique n es pas aeine pour oues les sraégies de modulaion qui uilisen l exension de linéarié Applicaion de l injecion d harmonique 3 à la synchronisaion oale L injecion de 3 e harmonique consise à appliquer une composane homopolaire sinusoïdale à rois fois la fréquence f red des h kn. Supposons comme précédemmen que cee composane homopolaire es calculée pour l AFE. L équaion de la composane homopolaire dans le cadre de l injecion de l'harmonique 3 es donnée ci-après. Ainsi, l applicaion de l injecion de 3 e (f red = 5Hz, r red = 3 h 1 f (Eq 2.16) red 6 NO rred sin(3 ) 2 harmonique, iniialemen calculée pour l AFE 2 ) ne pourra 3. pas êre appliquée à l onduleur (f ond = 4Hz, r ond = 3 [56] 2 ) sans induire de dépassemens des ensions réduies de l onduleur (Figure 2.7). Il faudra donc réduire r ond pour que la comparaison des ensions réduies de l onduleur soi possible. Il rese cependan à déerminer la valeur de cee réducion. Pour l uilisaion de la 3 e harmonique, l ampliude de la composane homopolaire es donnée par l équaion rred R H 3 (Eq 2.17) 6 D après l équaion 2.12, la profondeur de modulaion maximale des ensions de l onduleur es donnée par : r ond Lim rred 1 (Eq 2.18) 6

76 Tensions réduies (pu) Chapire 2 2 Ainsi pour r red 1, 15, on obien comme profondeur de modulaion maximale de 3 l onduleur : 1 r ond (Eq 2.19) Lim 3 3 1, Comparaison avec la poreuse impossible h kn h NO Temps (ms) (a) 1 h ko Temps (ms) (b) Figure 2.7 : Exension de linéarié d un AFE (a) e d un onduleur par applicaion d une composane homopolaire calculée pour l AFE Le même raisonnemen peu êre uilisé pour déerminer r red_lim don la valeur es foncion de r ond. Noons que cee limie de profondeur de modulaion es plus faible que celle obenue de façon héorique (Eq 2.13). Ce résula s explique par le fai que l ampliude de la ension h ko obenue avec l injecion de 3 e harmonique n es pas maximale lorsque la composane homopolaire l es (Figure 2.8). Il es possible de réduire l ampliude du h NO d une valeur ΔH que l on peu exprimer en foncion de ΔH e ΔH H3 calculés respecivemen par les équaions 2.7 e H R (Eq 2.2) R H 3 2 Ainsi pour r red 1, 15, on obien la valeur maximale de ΔH: H max 1 1,37 (Eq 2.21) [57]

77 Tensions réduies (pu) Chapire 2 1 h NO h ko 1 h ko H Temps (ms) 3 1 H h NO Temps (ms) Figure 2.8 : Poenialié de réducion de l ampliude de la composane homopolaire pour une exension de linéarié à 2 3 Finalemen, la nouvelle limie de profondeur de modulaion de l onduleur (on a choisi l AFE comme éan le converisseur à profondeur de modulaion maximale) es réduie à : red rond 1 Hmax Lim_NEW r (Eq 2.22) 6 Cee équaion peu se simplifier à l aide des équaions 2.7, 2.17 e 2.2 à : rond 2 rred Lim_NEW (Eq 2.23) Par opimisaion de la composane homopolaire issue de l injecion de l'harmonique 3, on rerouve bien le résula héorique obenu à l'aide de l équaion Ainsi, suivan le ype de composane uilisée (H3, fla op ) la limiaion sur les profondeurs de modulaions peu êre encore plus resricive. Par la suie, lorsqu il sera fai éa de limie de profondeur de modulaion, celle ci se réfèrera à l équaion Conséquences sur le raio des ensions enrée-sorie Nous venons de monrer qu'il n es pas possible d appliquer l exension de linéarié aux deux converisseurs. Il n es néanmoins pas impossible d uiliser l exension de linéarié sur un seul des deux converisseurs, mais cee acion pourrai enrainer une limiaion de la profondeur de modulaion appliquée à l aure converisseur. Pour rendre compe de ce effe, un quanificaeur basé sur le raio des ensions de sorie par rappor à celles d enrée du variaeur de viesse sera uilisé. Ce raio représene le rappor des ensions fournies par le réseau élecrique en enrée du variaeur e les ensions fournies au moeur en sorie du variaeur. Par exemple, pour un réseau de ension efficace enre phases de 4V, alimener un moeur avec des ensions enre phases égales à 4V signifie que le raio G es égal à 1. En revanche dans [58]

78 Chapire 2 le cas d un réseau plus faible (38V par exemple) ce raio augmene à 1.5 e nécessiera d augmener la ension du bus coninu. Par exension, le raio des ensions enrée-sorie es donc égal à celui des profondeurs de modulaion des deux converisseurs (Eq 2.24). G max( V max( V ond ond (Eq 2.24) red ) ) Si l on remplace, r red e r ond par l équaion 2.13 on en dédui deux équaions qui reranscriven la limiaion sur les profondeurs de modulaion appliquées à chaque converisseur en cas d égalié des composanes homopolaire en foncion du raio des ensions G. r r red 2 r red (Eq 2.25) G 1 2G rond (Eq 2.26) 1 G Il rese cependan à déerminer pour quelles valeurs de G ces équaions son valides. Le domaine de validié des équaions 2.25 e 2.26 se dédui des cas pour lesquels, la valeur maximale des profondeurs de modulaion 2 3 es applicable à l onduleur ou à l AFE. Si Si 2 G 3 1 rred & rond G rred (Eq 2.27) rond G rond & rred (Eq 2.28) G Les équaions 2.26 e 2.27 son aussi valides lorsque les composanes homopolaires de l onduleur e de l AFE ne son pas égales (cas des commandes classiques) puisque aucune conraine n es appliquée aux profondeurs de modulaions. Ainsi, l égalié des composanes homopolaires ne limiera pas les profondeurs de modulaion pour le raio G définis aux équaions 2.27 e En revanche, lorsque G es compris enre les limies données à l équaion 2.28, les relaions définies par l équaion 2.25 son appliquées à r red e r ond. Si 1 2G 2 1 G rond & r (Eq 2.29) G G 1 3 red La représenaion des profondeurs de modulaion de l onduleur e de l AFE es possible en foncion de G pour le cas où les profondeurs de modulaion son indépendanes e pour le cas de la ST (Figure 2.9.a). De plus, une aure représenaion, cee fois-ci de la profondeur de modulaion de l onduleur par rappor à celle de l AFE perme de rendre compe des conraines appliquées au variaeur de viesse pour l exension de linéarié (Figure 2.9.b). [59]

79 Profondeur de modulaion (pu) Chapire 2 r ond Limies sans l égalié des h NO Exension de linéarié Limies avec l égalié des h NO G > 1 r red conrain r ond conrain r red G < 1 r ond G = G 3 1 (a) (b) r red Figure 2.9 : Limiaion des profondeurs de modulaion en foncion du rappor des ensions enrée/sorie du variaeur de viesse (a) Limiaion de r red en foncion de r ond (b) 2 Ainsi, lorsque la profondeur de modulaion de l onduleur excède 2, il n es plus possible 3 de mainenir la pleine exension de linéarié sur le redresseur. Ainsi, la profondeur de modulaion de l AFE diminuera e enraînera une augmenaion de la ension du bus coninu Conséquences sur la ension du bus coninu E L élévaion de la ension du bus coninu es normalisée par rappor à la valeur crêe de la ension enre phases du réseau élecrique e exprimée en foncion du raio G. A parir de l équaion 2.14, on peu déerminer la ension normalisée en foncion de la profondeur de modulaion de l AFE. 2 Enorm (Eq 2.3) r 3 Ainsi, E norm peu êre exprimée en foncion de G avec e sans l égalié des composanes homopolaires de l AFE e de l onduleur à parir des équaions 2.27, 2.28 e red Avec conraine sur h NO : 2 Si G 3 1 rred Enorm 1 3 Si G r red 2 3G E norm G [6]

80 V bus (pu) Chapire 2 Si G rred Enorm 3 1 G 1 3 G 1 Sans conraine sur h NO : Si G 1 Enorm 1 Si G 1 Enorm G Au final, pour des valeurs de G inférieures à 3 1 e supérieures à la conraine sur la ension du bus coninu es idenique que les composanes homopolaires soien égales ou non. En revanche, enre ces valeurs, les évoluions son différenes e l égalié des h NO enrainera une élévaion de la ension du bus coninu par rappor au cas où les h NO son indépendans (Figure 2.1) Sans égalié des h NO Avec égalié des h NO Augmenaion de V bus ,5 3 1 G Figure 2.1 : Augmenaion relaive de la ension du bus coninu par applicaion de la conraine d égalié des composanes homopolaires Cee élévaion es maximale lorsque le rappor des ensions enrée/sorie es égal, ou auremen di, lorsque l ampliude des ensions V XNr, V YNr, V ZNr fournies par le réseau élecrique son égales aux ensions V AN, V BN, V CN d alimenaion du moeur. Imposer l égalié des composanes homopolaires a comme conséquence une élévaion de 15% de la ension du bus coninu si le raio maximal G vau 1, e moindre au delà. Cee augmenaion a des conséquences sur le design des variaeurs de viesse car elle nécessie d uiliser des condensaeurs don la enue en ension es plus imporane. A ire d exemple, les condensaeurs uilisés pour les variaeurs de viesse connecés au réseau élecrique 4V eff (ension efficace enre deux phases) on une enue en ension de 8V au oal (associaion en [61]

81 Chapire 2 série de deux condensaeurs 4V). Ces variaeurs peuven êre connecés sur des réseaux élecriques pour lesquels la ension enre phases peu aeindre 528V (réseau 48V + 1% de olérance). Dans ces condiions, la ension du bus coninu aein 747V si l exension de linéarié es uilisée, cee valeur es inférieure à la enue en ension des condensaeurs. Alors que, pour une profondeur de modulaion uniaire appliquée à l'afe, la ension du bus coninu aeindra 862V e sera desrucrice pour les condensaeurs. Il faudra donc, revoir le dimensionnemen des condensaeurs uilisés pour le bus coninu. Puisqu une élévaion de la ension du bus coninu es nécessaire lors d un rappor de ensions uniaire (G=1), le choix simplificaeur a éé fai, par la suie, de ne pas uiliser la composane homopolaire. Ainsi la ension du bus coninu es, pour ou G, supérieure de 15% à ce qu il serai avec l exension de linéarié, mais peu êre régulé à une valeur consane (simplificaion de l algorihme de conrôle). Par ailleurs, l absence de gesion de h NO simplifiera la mise en œuvre expérimenale de la sraégie de modulaion 16. Cependan, la composane homopolaire rese un degré de liberé bien qu elle soi limiée dans l exension de linéarié dans le cas d applicaion de la ST. Ce degré de liberé sera uilisé pour répondre à des spécificaions aures que la réducion des perurbaions de mode commun (paragraphe 3.2.2) Différenes soluions de synchronisaion oale Le moif de synchronisaion présené au paragraphe 1.2 relève d un choix puremen arbiraire sur les frons de ension synchronisés. Il es ou à fai possible d associer les commuaions de différenes manières afin d'obenir une synchronisaion oale. Par exemple, le fron descendan (FD) de V XO peu êre synchronisé avec le fron descendan de V CO (Figure 2.11.a), mais il pourrai aussi êre synchronisé avec le fron descendan de V BO (Figure 2.11.b), créan ainsi un nouveau moif de synchronisaion. V XO (Max_red) V YO (In_red) V ZO (Min_red) V AO (Max_ond) V BO (In_ond) V CO (Min_ond) V MC T (a) (b) T Figure 2.11 : Muliplicié des soluions de synchronisaion oale 16 Se référer au chapire 4 [62]

82 Chapire 2 C es pourquoi, une éude du degré de liberé qui perme la muliplicié des soluions de synchronisaion oale es nécessaire. Une représenaion pour le dénombremen des soluions de synchronisaions es basée sur la largeur des impulsions 17. Elles son ainsi définies pour chaque converisseur : l impulsion la plus large : Max, l impulsion la plus fine : Min, l impulsion de largeur inermédiaire : In. De plus, pour chacune de ces impulsions, il exise un fron monan FM e un fron descendan FD, soi un oale de douze frons de ension à synchroniser. Une représenaion simplifiée d un moif de synchronisaion basée sur l associaion des frons monans e descendans es donnée à la Figure 2.12.b. Cee représenaion fourni pour chacune des impulsions des deux converisseurs, les associaions de frons (monan e descendan) effecuées pour la réalisaion de la synchronisaion oale. On peu remarquer que cee associaion réalise un cycle el qu il a éé monré à la Figure 2.5. E/2 -E/2 Max red In red Impulsions onduleur Max Impulsions redresseur Max E/2 -E/2 Min red Max ond In ond In FD FM FD In T (a) FM FD Min ond V MC Min FM FD FM (b) Min Figure 2.12 : Cas de synchronisaion oale (a) e représenaion simplifiée du moif de synchronisaion (b) Cee représenaion sera uilisée par la suie pour le dénombremen des soluions qui permeen une synchronisaion oale Cas d associaion de frons de ension impropres à la synchronisaion oale Chaque converisseur possède, par période de découpage T, six frons de ension à associer enre eux. Ces frons de ension son décomposés en rois frons monans (FM) e rois frons descendans (FD) pour chaque converisseur. Or, la ST impose la synchronisaion de frons de même naure (FM avec FM e FD avec FD). Soi un oal de rene six soluions possibles 18, 17 Ce choix de dénominaion des impulsions permera une sysémaisaion de l algorihme 18 Le dénombremen des rene six cas es décri à l annexe 1 [63]

83 Chapire 2 don ceraines nécessien l égalié d impulsions de l onduleur e de l AFE (Figure 2.13.a). Ces cas d égalié d impulsions onduleur AFE peuven êre obenus à chaque période de découpage de deux manières. La première consise à uiliser la composane homopolaire afin de synchroniser une impulsion de l AFE avec une impulsion de l onduleur 19. Cee soluion implique une non-égalié des composanes homopolaires appliquées à chaque converisseur e ne permerai donc pas de saisfaire à oues les condiions nécessaires à l applicaion de la ST. Une seconde soluion es un foncionnemen "by pass" qui me en jeu des ensions ideniques en enrée e en sorie du variaeur, e a foriori des largeurs d impulsions égales enre l onduleur e l AFE. Ces cas son exrêmemen rares car les converisseurs foncionnemen, la plupar du emps, de façon indépendanes l un de l aure, c es pourquoi ils ne seron pas pris en compe par la suie. Max_red Impulsions onduleur Impulsions redresseur In_red Min_red Max FM FD Max Max_ond In FM In In_ond FD FD Min_ond Min FM Min V MC T (a) (b) Figure 2.13 : Cas de synchronisaion oale avec égalisaion de deux impulsions (a) e représenaion simplifiée du moif de synchronisaion (b) Eude des soluions pour une synchronisaion oale Les cas permean la ST son ceux pour lesquels deux frons de ension d une impulsion d un converisseur, à savoir le fron monan (FM) e le fron descendan (FD), son synchronisés avec deux frons issus de deux impulsions disinces de l aure converisseur. Par exemple (Figure 2.14), en paran arbirairemen du fron monan de l impulsion liée au bras de l onduleur, Max ond, rois choix d associaion son possibles : les FM des bras du redresseur liés à Max red, In red, ou Min red. Le FM associé au bras Max red es choisi, pour lequel, on va mainenan chercher à synchroniser son FD. Sachan qu'on ne peu sélecionner Max ond, car cela reviendrai à omber sur un cas pariculier d égalié des impulsions, il ne rese plus que In ond, ou Min ond. Le choix se pore sur In ond, pour lequel il fau associer son FM à In red ou Min red. Ici, In red es sélecionné pour lequel le FD de Min ond es associé, faue d une aure possibilié. A ce niveau, la soluion de synchronisaion es définie, il s agira de la soluion 19 Cee soluion a éé décrie au paragraphe 4.1 du chapire 1. [64]

84 Chapire 2 don la déerminaion es faie par les rois premiers choix d associaions de frons de ension (Figure 2.14). Les aures soluions qui découlen de cee approche son résumées dans le Tableau 2.1. Tableau 2.1 : Ensemble des soluions permean une synchronisaion oale Soluions n Associaion de frons 1 Max red In ond In red 2 Max red Min ond Min red 3 Min red Min ond In red 4 Min red In ond Max red 5 In red In ond Min red 6 In red In ond Max red 7 In red Min ond Min red 8 In red In ond Max red 9 Min red In ond In red 1 Min red Min ond Max red 11 Max red In ond Min red 12 Max red Min ond In red Dépar arbiraire Impulsions onduleur Max FM Impulsions redresseur Max Impulsions onduleur Max FM Impulsions redresseur Max Impulsions onduleur Max FM FD Impulsions redresseur Max In In Choix In FD In Choix In FM In Min Min Min Min Min Min 3 possibiliés 2 possibiliés 2 possibiliés Impulsions onduleur Max FM Impulsions redresseur Max Impulsions onduleur Max FM Impulsions redresseur Max Choix In FD FM In Plus de choix In FD FM In Soluion {Max_red In_ond In_red} FD FD Min Min Min FM Min 1 possibilié FD Figure 2.14 : Dénombremen des soluions de synchronisaion oale exemple de la soluion n 1 [65]

85 Chapire 2 Il exise donc, dans le cas de six impulsions de largeurs différenes les unes des aures, douze associaions possibles permean l obenion d une synchronisaion oale 2. Pour cela, il sera nécessaire de mere en œuvre un algorihme décisionnel afin de sélecionner une, ou plusieurs soluions parmi les douze Placemen des impulsions sur une période de découpage Dans la représenaion faie de la ST présenée à la Figure 2.3, l ensemble des impulsions es confiné dans la période de découpage une fois les synchronisaions effecuées. L objecif de la ST éan la synchronisaion de l'ensemble des frons de ension des différenes phases onduleur e redresseur, le placemen de la période de découpage relève d un choix arbiraire. Ainsi, il es possible de placer la période de découpage T 1 de elle sore que l ensemble des impulsions soi consiué d une succession d éas «bas hau bas» (Figure 2.15), on parlera alors d impulsions posiives. Ces éas corresponden aux niveaux des ensions V ko avec k = {A, B, C, X, Y, Z}, pour lesquels on définira l éa hau comme éan le niveau de ension E/2 e l éa bas le niveau de ension -E/2. La période de découpage T 2, peu aussi êre posiionnée de elle sore que l ensemble des impulsions soien consiuées d une succession d éas «hau bas hau», on parle alors d impulsions négaives. Un dernier cas peu apparaire si l ensemble d impulsions compris dans la période de découpage (T 3 ) son à la fois posiives e négaives. V XO V YO V ZO V AO V BO V CO T 1 T2 T 3 Figure 2.15 : Degré de liberé sur le posiionnemen de la période de découpage Ainsi le placemen de la période de découpage auour d un moif de synchronisaion es un degré de liberé sur le ype d impulsions renconrées. Généralemen, les impulsions son représenées sous leur forme posiive. Pour cee raison, l éude de cee sraégie de modulaion sera faie principalemen avec des impulsions posiives. Il n empêche que des cas de coexisence avec des impulsions négaives peuven apparaire comme nous l avons vu ciavan. Il s avère que la présence d impulsions posiives e négaives es une source de dégradaion de l ondulaion du couran e sera de ce fai un crière de choix des soluions de synchronisaion oale qui sera approfondi à la secion suivane. 2 Une représenaion sous la forme simplifiée d associaion de frons es fournie en annexe n 1 [66]

86 Chapire 2 3. Mise en œuvre d un algorihme décisionnel La présence des différens degrés de liberé offers par la ST, e noammen les douze soluions de synchronisaions, amènen à prendre en considéraion des crières aures que la réducion des perurbaions de mode commun Crière de choix Oure les perurbaions élecromagnéiques qu il génère, un variaeur de viesse es aussi évalué, enre aures, sur la qualié de la ension appliquée au moeur (limiaion des surensions), mais aussi sur l ondulaion de couran (limiaion des variaions de couples du moeur) [ShamsiN25]. Le crière sélecionné es l ondulaion du couran, puisque, à priori, la synchronisaion de commuaions iner-converisseurs ne génère pas plus de surensions. Max_red In_red Min_red Max_ond In_ond Min_ond T (a) (b) Figure 2.16 : Moif de synchronisaion oale avec confinemen dans la période de découpage (a) e sans (b) En l absence d une composane homopolaire, la sraégie de modulaion naurelle es la SPWM 21. Elle perme d'obenir des impulsions cenrées sur la période de découpage e imbriquées les unes dans les aures. Cee imbricaion des impulsions perme noammen de réduire l ondulaion du couran des phases moeur e réseau. Ainsi, nous chercherons à obenir cee imbricaion des impulsions lors de l uilisaion de la synchronisaion oale. Or, dans le cas de la ST, du fai du déplacemen des impulsions, ces dernières ne peuven pas êre cenrées mais le confinemen rese oujours possible (par exemple les impulsions du redresseur Figure 2.16.a son confinées). Il exise même des cas de chevauchemen, c es-àdire des impulsions qui ne son pas imbriquées mais qui ne dépassen pas la période de découpage (par exemple les impulsions de l onduleur Figure 2.16.a décriven un chevauchemen). Ces cas de chevauchemen se produisen à chaque période de découpage sur au moins un des deux converisseurs e auron un impac sur l ondulaion du couran. En effe quand bien même les impulsions de l un des converisseurs seraien imbriquées, le jeu des synchronisaions enre FM e FD créerai inélucablemen un chevauchemen. Enfin, un dernier cas peu subvenir, il s agi de la «sorie» hors de la période de découpage de ceraines T 21 Cf. chapire 1 paragraphe [67]

87 Chapire 2 impulsions (impulsions grisées à la Figure 2.16.b) ; cela revien à faire coexiser des impulsions posiives e négaives comme cela a éé vu au paragraphe Ces cas que l on appellera par la suie "basculemen des impulsions" son nuisibles pour l ondulaion du couran car l excursion de la ension enre phases es maximale [Vide212]. Mais, conrairemen au chevauchemen, ces cas peuven êre éviés. Par la suie, les cas de chevauchemen e d imbricaion seron privilégiés, une éude a donc éé menée pour l idenificaion des condiions permean d évier les cas de basculemen. De plus, le confinemen dans la période de découpage se limiera à des impulsions posiives exclusivemen Respec du crière en foncion du poin de foncionnemen e des différenes soluions de synchronisaion Les cas de basculemen son foncion de la soluion de synchronisaion choisie, mais aussi de la largeur des impulsions des ensions de l AFE e de l onduleur. Par exemple, si les impulsions liées à In_red e Max_ond avaien éé plus fines, le cas de basculemen des impulsions présené à la Figure 2.16.b ne se serai pas produi. De plus, le crière de confinemen des impulsions au sein de la période de découpage doi aussi êre valide pour ou poin de foncionnemen du variaeur de viesse. Par la suie, nous ne parlerons plus d'onduleur e de redresseur, mais de converisseur n 1 e n 2 afin de généraliser les conceps présenés Définiion des poins de foncionnemen du variaeur de viesse Puisque la largeur des impulsions influence le confinemen, elle sera aussi uilisée pour la déerminaion des poins de foncionnemen du variaeur de viesse. Comme nous l avons vu au paragraphe 2.1, un formalisme basé sur la largeur des impulsions perme de mere en évidence, pour chaque converisseur, rois ypes d impulsions : Max, In e Min. L ensemble des poins de foncionnemens de la srucure onduleur AFE son donc conenues dans l ordonnancemen des six impulsions générées de la plus large à la plus fine. Ce ordonnancemen es soumis à des conraines imposées par la modulaion de largeur d impulsion. Ces conraines son les suivanes : La plus large impulsion d un converisseur (Max) es oujours plus grande que la plus. peie (Min) de l aure, soi Max Min 2 e Max Min 1 1 La somme des largeurs d impulsions son égales. Ainsi, le cas Max 1 Max 2 In 1 In 2, Min 1 Min 2 2, e sa réciproque ne son pas possibles, puisque cela reviendrai à admere que la somme des largeurs d impulsions d un converisseur soi supérieure à l aure. L éliminaion des cas qui ne respecen pas ces conraines perme de définir dix ordonnancemens des impulsions pour l'ensemble onduleur AFE que l on appellera 22 L équivalence en impulsions négaive sera donnée en annexe [68]

88 Chapire 2 «ordres» par la suie. Ces ordres son séparés en deux groupes de cinq (I, II, III, IV, V) définis par l indice 1 e 2 correspondan aux deux converisseurs. L apparenance aux groupes 1 e 2 es définie, quan à elle, par la plus fine des impulsions Min. Si cee impulsion apparien au converisseur n 1 alors l indice des ordres sera «1», e vice-versa pour l apparenance au converisseur n 2. De plus, la définiion des ordres au sein de chaque groupe es effecuée à parir de la posiion des impulsions inermédiaires dans l ordonnancemen des largeurs d impulsions. Par exemple, pour le groupe n 1, l ordre I 1 es qui serai la seconde plus large impulsion de défini pour une impulsion In 1 l ordonnancemen. L ordre II 1 es défini pour In 1 roisième impulsion la plus large e ainsi de suie pour les ordres III e IV. Seul l ordre V es une excepion à cee règle mais il s idenifie par sa plus large impulsion qui n apparien pas au même converisseur que la plus peie largeur d impulsion. L ensemble des ordres issus de l ordonnancemen des rois impulsions générées par chacun des deux converisseurs es donnée au Tableau 2.2 Tableau 2.2 : Ordonnancemen des impulsions d un ensemble onduleur AFE de la plus large à la plus fine In Ordres Plus large impulsion Plus fine impulsion I 1 Max 1 In 1 Max 2 In 2 Min 2 Min 1 II 1 Max 1 Max 2 In 1 In 2 Min 2 Min 1 III 1 Max 1 Max 2 In 2 In 1 Min 2 Min 1 IV 1 Max 1 Max 2 In 2 Min 2 In 1 Min 1 V 1 Max 2 Max 1 In 1 In 2 Min 2 Min 1 I 2 Max 2 In 2 Max 1 In 1 Min 1 Min 2 II 2 Max 2 Max 1 In 2 In 1 Min 1 Min 2 III 2 Max 2 Max 1 In 1 In 2 Min 1 Min 2 IV 2 Max 2 Max 1 In 1 Min 1 In 2 Min 2 V 2 Max 1 Max 2 In 2 In 1 Min 1 Min 2 Cependan, l éude peu se limier aux cinq premiers ordres, puisque les cinq suivan ne son qu une permuaion des rôles enre les converisseurs n 1 e n Conraine de confinemen dans une période de commuaion Pour chacun des cinq ordres, il faudrai mainenan déerminer, pour les douze soluions de synchronisaion, les condiions de confinemen dans la période de découpage. Ces condiions nécessaires e suffisanes reposen comme cela sera démonré par la suie sur la valeur de la composane homopolaire. Cee secion es donc une généralisaion par rappor au choix fai précédemmen de conserver h NO égal à zéro. [69]

89 Chapire Sysémaisaion du procédé de confinemen Une première simplificaion de l éude es possible car l ensemble des soluions de synchronisaion oale répond à un ensemble de deux impulsions d un converisseur synchronisées sur la plus fine des impulsions des deux converisseurs 23. Par la suie, cee impulsion sera nommée Min e les impulsions synchronisées qui lui son synchronisées seron par définiion plus larges (Figure 2.17). Ce ensemble des rois impulsions synchronisées défini une largeur minimale du moif de synchronisaion lors de l applicaion de la ST pour laquelle nous pourrons déerminer les condiions nécessaires e suffisanes à son confinemen dans la période de découpage. a) Moifs de base de synchronisaion e moifs de confinemen L ensemble des synchronisaions auour de Min sera nommé par la suie moif de base de synchronisaion. Remarquons que la largeur de ce moif de synchronisaion λ ne varie pas en permuan les synchronisaions de frons monan (FM) e descendan (FD) de l impulsion Min (Figure 2.17). FM λ FD FM λ FD Max 1 In 1 Min 1 FM FD FM FD Min = Min 2 FM (a) FD FM FD (b) Max 1 In 1 Min 1 Figure 2.17 : Moif récurren à oue soluion de synchronisaion pour une synchronisaion oale L éude du confinemen peu se réduire à un seul des deux cas (on choisira arbirairemen celui de la Figure 2.17.a). Ainsi, si Min = Min 2 cee impulsion peu êre confinée enre Max 1 e Min 1, ou Max 1 e In 1, ou encore enre In 1 e Min 1. Puis les rois aures impulsions son associées à ce moif de base de synchronisaion. Prenons l exemple d un moif de base de Min enre Max 1 e Min 1 alors les rois impulsions resanes son Max 2, In 1 e In 2. Ces rois dernières impulsions peuven êre soi conenues dans le moif de base obenu avec Min (Figure 2.18.a) soi en déborder (Figure 2.18.b e Figure 2.18.c). La largeur d impulsion minimale défini qui es le converisseur n 2 (Min 2 ). 23 La représenaion des 12 soluions de synchronisaion par rappor à ce moif de synchronisaion es donnée en annexe. [7]

90 Chapire 2 λ FM FD Max 1 Moif de base de synchronisaion FM FD Min = Min 2 FM FD Min 1 λ ou ou ou λ λ Moifs de confinemen Max 2 In 1 In 2 (a) (b) (c) Figure 2.18 : Moif de confinemen à rois impulsions (a) dans une impulsion d un converisseur (b) ou de l aure (c) Chacun des rois moifs de base de synchronisaion avec la plus peie impulsion inercalée enre deux aures peu donc donner rois moifs de confinemen par la synchronisaion des rois aures impulsions. Les rois aures impulsions formen un moif confiné dans le moif de base (Figure 2.18.a). Une impulsion déborde d un côé seul des limies de confinemen imposées par les rois impulsions composées de la plus peie des impulsions (Figure 2.18.b). Une impulsion déborde des deux côés des limies de confinemen imposées par les rois impulsions composées de la plus peie des impulsions (Figure 2.18.c). L associaion d un moif de base de synchronisaion e d un moif de confinemen forme ensemble un moif de synchronisaion. b) Condiions nécessaires e suffisanes de confinemen dans la période Les rois moifs de confinemen représenen l ensemble des soluions possibles pour le confinemen de l'ensemble des impulsions issues d un moif de synchronisaion oale. Les cas de confinemen dans une seule impulsion (Figure 2.18.b e Figure 2.18.c) nécessien que cee dernière soi une des deux impulsions les plus larges (Max 1 ou Max 2 ). De plus, il fau qu elle soi la plus large de oues les impulsions de elle sore à oues les «englober». Ce cas es inéressan puisqu il perme, a foriori, un confinemen dans la période de découpage sans conraines supplémenaires. En revanche, les cas de confinemen dans un ensemble de rois impulsions doiven saisfaire à des conraines sur la composane homopolaire pour permere le confinemen dans la période de découpage. [71]

91 Chapire 2 - Cas de confinemen dans un moif de base Prenons le cas pour lequel l ensemble des impulsions es confiné dans un moif de base de synchronisaion avec la plus fine impulsion apparenan au converisseur n 2. Cee impulsion es synchronisée de par e d aure avec Max 1 e Min 1 (ce cas correspond à l associaion des moifs de base B2 e de confinemen C1 du Tableau 2.3). Il es ainsi possible de quanifier la largeur de ce moif de base λ en foncion des largeurs des impulsions synchronisées (Eq 2.31). Ainsi, nous avons : T T T T Max 1 Min 2 Min 1 (Eq 2.31) Cee largeur λ doi êre inférieure à la période de découpage T pour permere le confinemen (Eq 2.32). T T T T (Eq 2.32) Max 1 Min 2 Min 1 En remplaçan les largeurs d impulsion αt par leur expression foncion des ensions réduies (Eq 2.2), nous en déduisons l équaion 2.33 : h h h 1 h (Eq 2.33) Max 1 Min 1 De plus, la somme des ensions réduies de référence h Max, h In, h Min es égale à zéro, d où : Min 2 NO h Max 1 h Min 1 h In 1 (Eq 2.34) Finalemen, l équaion 2.33 peu se simplifier à l aide de l équaion Nous déduisons ainsi une condiion sur la composane homopolaire h NO en foncion des ensions réduies : - Cas de confinemen dans (Max) 1 ou (Max) 2 h Min 2 In 1 h NO 1 h (Eq 2.35) Reprenons le cas du moif de base de synchronisaion B2 du Tableau 2.3, pour lequel on associe le moif de confinemen C2 (confinemen dans (Max) 2 ). Comme il a éé explicié en débu de secion, il fau que (Max) 2 soi la plus large des impulsions. De plus, il fau que la largeur de (Max) 2 soi supérieure à λ qu il es possible d exprimer en foncion des largeurs d impulsion du moif de confinemen (Eq 2.35). T T T T T Max 2 In 1 In 2 Max 2 (Eq 2.36) Cee équaion peu se simplifier e une simple relaion enre deux largeurs d impulsions apparai. In 2 In 1 (Eq 2.37) [72]

92 Chapire 2 Au final, le respec de l équaion 2.37 e (Max) 2 plus large de oues les impulsions suffisen à assurer un confinemen du moif de synchronisaion issu de l associaion B2 C2 au sein de (Max) 2. En revanche, dans le cas où l on souhaierai associer le moif de base B2 au moif de confinemen C3, il faudrai que (Max) 1 soi la plus large de oues les impulsions e que λ soi inférieur à (Max) 1. Par uilisaion de l équaion 2.31, on dédui une condiion sur les largeurs d impulsions donnée par la relaion suivane. Min 1 Min 2 (Eq 2.38) Or, nous avons défini dans les hypohèses de dépar que (Min) 2 éai la plus fine de oue les impulsions. De ce fai, le moif de synchronisaion issu de l associaion B2 C3 es un cas irréalise. Synhèse Il es ainsi possible de procéder de la même façon pour déerminer les condiions de confinemen dans la période de découpage pour l ensemble des cas de confinemen pour les rois moifs de base de synchronisaion (B1, B2, B3) e des rois moifs de confinemen (C1, C2 e C3). Les condiions qui découlen de cee éude son résumées au Tableau 2.3. Tableau 2.3 : Condiions nécessaires e suffisanes pour le confinemen dans la période de découpage des moifs de synchronisaion issus de l associaion d un moif de base (B1, B2, B3) à un moif de confinemen (C1, C2, C3) Hypohèse : Min = (Min) 2 B1 B2 B3 λ λ λ (In) 1 (Max) 1 (In) 1 (Min) 2 (Min) 2 (Min) 2 (Max) 1 (Min) 1 (Min) 1 C1 ( ) 1 λ (Max) 2 h Min 2 Min 1 h NO 1 h Min 2 h In 1 h NO 1 h Min 2 h Max 1 h NO 1 h (In) 2 C2 λ (Max) 2 ( ) 1 In 2 Min 1 Max 1 Max 2 In 2 In 1 Max 1 Max 2 In 2 Max 1 Max 1 Max 2 (In) 2 C3 λ (Max) 2 ( ) 1 Cas irréalise Cas irréalise In 1 In 2 Max 2 Max 1 (In) 2 [73]

93 Chapire 2 Les cas de confinemen au sein de (Max) 1 e (Max) 2 (moifs de confinemen C2 e C3) son déerminés par des relaions enre les largeurs des impulsions e ne son pas soumis à une conraine sur la composane homopolaire aure que l égalié définie au paragraphe Ces mêmes largeurs on permis de définir plus ô les ordonnancemens des impulsions (Tableau 2.2) qui définissen l ensemble des poins de foncionnemen du variaeur de viesse. c) Déerminaion des ordonnancemens pour chaque moif de synchronisaion Les ordonnancemens (I 2, II 2, III 2, IV 2, V 2, ) associés aux moifs de synchronisaion B1 - C2, B2 - C2, B3 - C2 e B3 - C3 se déduisen aisémen des condiions de confinemen (Tableau 2.3). Pour les moifs de synchronisaion issus de l associaion de B1 C1, B2 C1, e B3 C1, les ordonnancemens associés à ces moifs son ceux ne saisfaisan pas aux condiions précédenes. Par exemple, pour le moif de base de synchronisaion B1, les condiions définies pour le moif de confinemen C2 permeen d associer l ordre IV 2. Par déducion, les ordres I 2, II 2, III 2, e V 2 son associés au moif de confinemen C1 e son soumis à une conraine sur la composane homopolaire. L apparenance d un moif de synchronisaion à un ordre es symbolisée par un dans le Tableau 2.4. Tableau 2.4 : Aribuion des ordonnancemens des impulsions des différens moifs de synchronisaion confinés dans la période de découpage issus de l associaion d un moif de base (B1, B2, B3) à un moif de confinemen (C1, C2, C3) Hypohèse : Min = (Min) 2 B1 B2 B3 λ λ λ (In) 1 (Max) 1 (In) 1 (Min) 2 (Min) 2 (Min) 2 (Max) 1 (Min) 1 (Min) 1 C1 C2 C3 λ (Max) 2 ( ) 1 (In) 2 λ (Max) 2 ( ) 1 (In) 2 λ (Max) 2 ( ) 1 Ordre I 2 Ordre I 2 Ordre I 2 Ordre II 2 Ordre II 2 Ordre II 2 Ordre III 2 Ordre III 2 Ordre III 2 Ordre IV 2 Ordre IV 2 Ordre IV 2 Ordre V 2 Ordre V 2 Ordre V 2 Ordre I 2 Ordre I 2 Ordre I 2 Ordre II 2 Ordre II 2 Ordre II 2 Ordre III 2 Ordre III 2 Ordre III 2 Ordre IV 2 Ordre IV 2 Ordre IV 2 Ordre V 2 Ordre V 2 Ordre V 2 Cas irréalise Cas irréalise Ordre I 2 Ordre II 2 Ordre III 2 (In) 2 Ordre IV 2 Ordre V 2 [74]

94 Chapire 2 En revanche, une modificaion de la valeur de la composane homopolaire appliquée à l ensemble onduleur AFE ne modifie par l ordonnancemen des impulsions. De plus, pour chaque moif de base de synchronisaion, on peu définir les soluions de synchronisaion (Tableau 2.1) qui leur son associées par aribuion des rôles des converisseurs n 1 e 2 (voir Annexe 3). Cee aribuion des soluions de synchronisaion aux moifs de base de synchronisaion es donnée au Tableau 2.5. Converisseur n 2 = onduleur Tableau 2.5 : Aribuion des douze soluions de synchronisaion aux moifs de base de synchronisaion B1 B2 B3 Soluions : Converisseur n 2 = AFE Soluions : Soluions : Soluions : Soluions : Soluions : Il es désormais possible de définir pour chaque soluion de synchronisaion e pour chaque ordre les condiions nécessaires e suffisanes au confinemen dans la période de découpage de l ensemble des impulsions onduleur AFE. Les ableaux 2.6 e 2.7 résumen l ensemble des conraines de confinemen en foncion que Min apparienne à l onduleur ou à l AFE respecivemen. Tableau 2.6 : Conraines pour le confinemen dans la période de découpage avec Min apparenan à l AFE Soluions de synchronisaion I RED II RED III RED IV RED V RED h h h 1 NO Min_OND Min_ RED h h h 1 NO Max_OND Min_ RED h h h 1 NO hno In_OND Min_ RED [75]

95 Chapire 2 Tableau 2.7 : Conraines pour le confinemen dans la période de découpage avec Min apparenan à l onduleur Soluions de synchronisaion I OND II OND III OND IV OND V OND h h h 1 NO Min_RED Min_ OND h h h 1 NO Max_RED Min_ OND h h h 1 NO hno In_RED Min_ OND Suivan la soluion de synchronisaion, les conraines sur la composane homopolaire (h NO ) pour le confinemen diffèren. De plus, le h NO devrai êre recalculé à chaque période de découpage pour saisfaire aux conraines de confinemen ce qui complexifierai e augmenerai le emps de calcul nécessaire à l algorihme. Pour ces raisons, nous chercherons à fixer cee composane homopolaire Soluions à conraine minimale D après les ableaux 2.6 e 2.7, les soluions 7 e 11 son applicables aux dix ordres avec seulemen deux ordres (I OND e I RED ) pour lesquels une conraine sur la composane homopolaire es imposée. Cependan, cee conraine sur le h NO peu êre saisfaie si ce dernier es nul. - Démonrons la validié de la condiion sur le h NO : On souhaie borner la conraine de confinemen liée à l associaion des moifs de base B3 e de confinemen C1 (Tableau 2.3). h Min 2 Max 1 h NO 1 h (Eq 2.39) Par définiion, l impulsion (Max) 1 es de largeur plus grande que le iers de la somme des largeurs de (Max) 1, (In) 1, (Min) 1 : Max 1 1 Max 1 In 1 Min 1 (Eq 2.4) 3 [76]

96 Chapire 2 Or d après l équaion 2.2, nous avons : D où par associaion des équaions 2.4 e 2.41 : 3 Max 1 In 1 Min 1 NO (Eq 2.41) 2 (1 h ) 1 Max 1 NO (Eq 2.42) 2 (1 h ) Par sousracion de (α Min ) 2 e remplacemen des α par leur équivalen en h (Eq 2.2), on en dédui l équaion 2.43 : Or Donc : h Max h Min 2 11 h Min 2 1 (Eq 2.43) 11 h Min 2 (Eq 2.44) h 1 h h (Eq 2.45) Max 1 Min 2 1 Min 2 Ainsi pour une composane homopolaire nulle, la conraine (Eq 2.39) es validée puisque le h NO doi êre inférieur à un erme posiif (2.45). Finalemen, les soluions 7 e 11 permeen pour une composane homopolaire nulle de saisfaire au confinemen dans la période de découpage quelque soi le poin de foncionnemen du variaeur de viesse Conraine d imbricaion des impulsions La synchronisaion oale es suscepible de générer rois ypes de posiionnemen des impulsions (imbricaion, chevauchemen, e basculemen). Nous avons déerminé qu il éai possible d éliminer les cas de basculemen d impulsions. Il ne rese donc plus que les cas d imbricaion e de chevauchemen pour lesquels les cas d imbricaion permeen de minimiser l ondulaion du couran. Or, le dimensionnemen du filre en enrée du variaeur de viesse (l inducance au plus près de l AFE principalemen) es déerminé, enre aures, pour une ondulaion maximale du couran. Il es donc inéressan de maximiser les cas d imbricaion des impulsions générées par le redresseur afin de ne pas avoir à surdimensionner cee inducance vis-à-vis du cas pour lesquels une sraégie à MLI cenrée (SPWM 24 ) es uilisée. 24 Sinus Pulse Widh Modulaion [77]

97 Chapire 2 Du fai des synchronisaions de oues les impulsions, les cas d imbricaion n apparaissen pas à chaque période de découpage. Suivan la soluion e le poin de foncionnemen envisagé, on peu avoir : L imbricaion des impulsions onduleur mais pas celles de l AFE L imbricaion des impulsions de l AFE mais pas celles de l onduleur Aucune imbricaion, c es-à-dire un chevauchemen pour les deux converisseurs On désire connaîre les cas d imbricaion des impulsions de l AFE pour lesquels les conraines de l ondulaion de couran jouen un rôle imporan sur le THDi. Une première condiion à l imbricaion des impulsions de l AFE es que la plus large de oues les impulsions soi celle de l AFE. De nombreux moifs de confinemen son donc éliminés (C1 noammen) e on sai d ores e déjà que ce crière d imbricaion ne pourra pas êre respecé pour ou poin de foncionnemen. - Exemple d imbricaion pour le moif de base B2 : Considérons le moif de la Figure 2.18 dans le cas d un confinemen dans Max 2 (moif C2). Ce cas es suscepible de permere une imbricaion des impulsions de l AFE si le converisseur n 2 es l AFE. De plus, pour obenir l imbricaion, deux cas se disinguen pour le moif de base de synchronisaion B2 suivan la synchronisaion des frons de ension enre ce moif de base e le moif de confinemen C2 : soi le FD de In 2 es synchronisé avec le FD de Min 1 (Figure 2.19.a), on appellera le moif de confinemen C2. soi le FM de In 2 es synchronisé avec le FM de Max 2 (Figure 2.19.b), on appellera le moif de confinemen C22. En revanche, les moifs de confinemen C1 e C3 ne peuven pas donner lieu à une imbricaion des impulsions de l AFE. Cee observaion es valable quelque soi le moif de base. Dans le cas du moif de synchronisaion consiué de l associaion des moifs B2 C2, il fau que (α In ) 2 > (α Min ) 1 afin d'obenir un confinemen des impulsions du converisseur n 2. Alors que l associaion des moifs B2 C22, il fau que (α In ) 2 > (α Max ) 1. Ces condiions se déduisen de la représenaion graphique des associaions moifs de base moif de confinemen. [78]

98 Chapire 2 FM FM Max 1 Min = Min 2 FD FD Min 1 FM FD Max 2 In 1 FD FM In 2 (a) (b) Figure 2.19 : Soluions de synchronisaion issues d un même moif de base Les condiions d imbricaion des moifs de confinemen C2 C22 pour les moifs de base (B1, B2, B3) es donné au Tableau 2.8. Tableau 2.8 : Condiions nécessaires e suffisanes pour l imbricaion des impulsions du converisseur n 2 des moifs de synchronisaion issus de l associaion d un moif de base (B1, B2, B3) à un moif de confinemen (C2, C22) Hypohèse : Min = (Min) 2 B1 B2 B3 λ λ λ (In) 1 (Max) 1 (In) 1 (Min) 2 (Min) 2 (Min) 2 (Max) 1 (Min) 1 (Min) 1 C2 λ (Max) 2 ( ) 1 (In) 2 In 1 In 2 Min 1 In 2 Min 1 In 2 C22 ( ) 1 (Max) 2 (In) 2 λ Max 1 In 2 Max 1 In 2 In 1 In 2 A parir des condiions nécessaires pour l imbricaion des impulsions du converisseur n 2 (Tableau 2.8), on dédui les ordonnancemens des impulsions permean cee imbricaion pour chacune des différenes soluions de synchronisaion oale (Tableau 2.9). [79]

99 Chapire 2 Tableau 2.9 : Aribuion des ordonnancemens de largeur d impulsions pour l imbricaion des impulsions du converisseur n 2 des moifs de synchronisaion issus de l associaion d un moif de base (B1, B2, B3) à un moif de confinemen (C2, C22) Hypohèse : Min = (Min) 2 B1 B2 B3 λ λ λ (In) 1 (Max) 1 (In) 1 (Min) 2 (Min) 2 (Min) 2 (Max) 1 (Min) 1 (Min) 1 C2 C22 λ (Max) 2 ( ) 1 (In) 2 λ (Max) 2 ( ) 1 (In) 2 Ordre I 2 Ordre I 2 Ordre I 2 Ordre II 2 Ordre II 2 Ordre II 2 Ordre III 2 Ordre III 2 Ordre III 2 Ordre IV 2 Ordre IV 2 Ordre IV 2 Ordre V 2 Ordre V 2 Ordre V 2 Ordre I 2 Ordre I 2 Ordre I 2 Ordre II 2 Ordre II 2 Ordre II 2 Ordre III 2 Ordre III 2 Ordre III 2 Ordre IV 2 Ordre IV 2 Ordre IV 2 Ordre V 2 Ordre V 2 Ordre V 2 Tou comme les cas de confinemen dans la période de découpage, on idenifie les soluions de synchronisaion liées à l associaion des moifs de confinemen e des moifs de base de synchronisaion. Cee idenificaion des douze soluions de synchronisaion es donnée au Tableau 2.1 pour un confinemen dans (α Max ) 2. Tableau 2.1 : Aribuion des douze soluions de synchronisaion en foncion des moifs de confinemen C2 e C22 C2 Soluions : 9 12 C22 Soluions : 4 6 B1 B2 B3 Soluions : 1 3 Soluions : 8 1 Soluions : 7 11 Soluions : 2 5 Finalemen, si l on se base sur l uilisaion de la soluion n 7 qui perme un confinemen au sein de la période de découpage à ou poin de foncionnemen. Cee soluion permerai une imbricaion des impulsions de l AFE pour deux des dix ordres qui regroupen l ensemble des poins de foncionnemen de l associaion onduleur AFE Conclusion de l éude héorique Toues les inceriudes liées à la conraine de confinemen éan levées, le choix d uilisaion des soluions de synchronisaion oale peu êre réalisé. Ce choix privilégiera les soluions pour lesquelles la conraine sur la composane homopolaire es la plus faible. De plus, pour une simplificaion d implémenaion de l algorihme décisionnel, il serai souhaiable que ce dernier soi composé d une soluion unique. Or, il apparai que les soluions 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 1, e 12 demanden une gesion de la composane homopolaire alors que les soluions 7 e [8]

100 Chapire 2 11 permeen, quan à elles, un confinemen dans la période de découpage pour une composane homopolaire nulle. Finalemen, le choix s es poré sur la soluion 7, même si la soluion 11 aurai éé ou aussi saisfaisane. De plus, la soluion n 7 maximise les cas d imbricaion des impulsions de l AFE ou de l onduleur mais pas pour ous les ordres (Tableau 2.4). Ainsi, la minimisaion de l ondulaion du couran de l AFE ne peu êre reenue pour le dimensionnemen du filre d enrée du variaeur de viesse, puisqu il aurai fallu que ce crière soi applicable pour ous les ordres. 4. Validaion de l algorihme décisionnel Afin de valider la méhode de synchronisaion oale, une comparaison avec une sraégie de modulaion à impulsions cenrée es réalisée. Pour ce faire, une simulaion d un ensemble AFE onduleur es effecuée. Le redresseur es alimené par un réseau 23 V eff, 5Hz e le bus coninu es régulé à 53V (r red =.7). La charge de l onduleur se compose d un moeur asynchrone consomman 15kW, e es alimenée sous une ension enre phases, U AB, de 151V eff (r ond =.4) à la fréquence de 2Hz. La fréquence de découpage des deux converisseurs es fixée à 4kHz. Les emps mors 25 ne seron pas pris en compe pour ces simulaions e les commuaions seron idéalisées Validaion du principe de la synchronisaion oale La méhode de synchronisaion oale es mise en œuvre par une MLI inersecive e l uilisaion de deux poreuses 26 pour le placemen des frons monans e descendans. Dans le cas d uilisaion de la soluion n 7 e pour une composane homopolaire nulle, deux configuraions son possibles pour le placemen des impulsions. Soi oues les impulsions son confinées dans la plus grande (Figure 2.2.a). Ce placemen es valide pour les ordres II, III, IV, V. Soi les impulsions son confinées dans une associaion de rois impulsions (Figure 2.2.b). Ce placemen es quan à lui valide pour l ordre I. T T In 1 Min 2 Min 1 Max 2 Max 1 Tm2 Tm1 Tm3 Tf2 Tf1 Tf3 (a) Tm2 Tm1 Tm3 Tf2 Tf3 (b) Tf1 In 2 Figure 2.2 : Insans de commuaion pour un cas de confinemen dans l associaion de rois impulsions (a) e dans Max (b) 25 Les emps mors seron abordés au chapire 3 paragraphe Cf. chapire 1 paragraphe [81]

101 V MC (V) Chapire 2 Les insans T m1, T m2, T m3 corresponden aux frons monans des phases liées à Max 1, In 1, e Min 1 respecivemen. Tandis que les insans T f1, T f2, T f3 corresponden aux frons descendans des phases liées à Max 1, In 1, e Min 1. Par l associaion des frons de ensions lors de l uilisaion de la soluion n 7, on en dédui l assignaion de T m1, T m2, T m3 à Max 2, In 2, e Min 2. Cependan, le placemen de ces différens insans de commuaion es à définir. Le ableau 2.5 fourni le calcul de T m1, T m2, T m3, T f1, T f2, T f3 en foncion du ype de confinemen (dans une ou rois impulsions) pour l uilisaion de la soluion n 7. Insans de commuaion Tableau 2.11 : Calcul des modulanes pour le placemen des impulsions avec uilisaion de la soluion n 7 Fron converisseur n 1 Fron converisseur n 2 Placemen pour l ordre I Placemen pour les ordres II, III, IV, V T m1 FM Max FM In Max T Max T T 2 1 m2 Max T Max T T 2 1 m2 T f1 FD Max FD Max Tm1 Max T T T 1 m1 Max 1 T m2 FM In FM Max T T T In 1 Min 2 Min 1 ( Max ) 2 T f2 FD In FD Min T T Tm2 In 1 Tm2 In 1 T m3 FM Min FM Min In T Min T T 1 2 m2 In T Min T T 1 2 m2 T f3 FD Min FD In T m3 Min 1 T m3 Min 1 Seul le placemen de T m2 es conrain puisqu il correspond à la première synchronisaion, les aures insans de commuaion se déduisen par la synchronisaion des frons de ension e la durée des impulsions αt. Le placemen des impulsions éan défini, on peu procéder à la validaion de la soluion n 7 pour l annulaion de la ension de mode commun générée par une associaion AFE onduleur. La comparaison es faie enre une sraégie de ype MLI classique (SPWM) e la ST appliquée aux deux converisseurs sur une période égale à 1ms. Cee valeur correspond à la plus peie période commune à l onduleur (2ms) e à l AFE (25ms) e peu êre ainsi vue comme une période globale de foncionnemen du variaeur de viesse. 353 MLI cenrée 353 Synchronisaion oale Temps (s) (a) Temps (s) (b) Figure 2.21 : Résulas de simulaion pour une ension de mode commun obenue par MLI cenrée (a) e par uilisaion de la méhode de synchronisaion oale (b) [82]

102 V MC (V) Tensions redresseur Tensions onduleur Chapire 2 La ension de mode commun générée par la MLI classique peu aeindre une ampliude de 2E/3 (Figure 2.21.a) alors que la ST annule complèemen la ension de mode commun (Figure 2.21.b) pour les condiions de simulaions choisies (frons de ension idéaux e emps mors inexisans). L'observaion de la ension de mode commun V MC à chaque période de découpage monre que l applicaion d une MLI cenrée pour les deux converisseurs donne lieu à une ension composée de douze variaions (Figure 2.22.a). Alors que pour la ST l ensemble des frons de ension son synchronisés (Figure 2.22.b). La ST es ainsi uilisable, au ravers de la soluion n 7 à ous poins de foncionnemen définis par l ensemble AFE onduleur V AO V BO V CO V XO V YO V ZO Temps (ms) (a).25.5 Temps (ms) (b) V MC Figure 2.22 : Zoom sur deux périodes de découpage des ensions de mode commun obenues par une MLI cenrée (a) e par uilisaion de la ST (b) Dans ce cas, l annulaion de la ension de mode commun résulane es puremen héorique. En praique, les commuaions des inerrupeurs de puissance (dv/d) son différenes selon le poin de foncionnemen e d'aures phénomènes peuven induire une désynchronisaion des frons de ension qui se raduira par des résidus de commuaion. Ces poins seron déaillés au chapire 3, puisque ces imperfecions apporeron du conenu specral à la ension de mode commun. Les avanages de cee méhode son: une régulaion de la ension du bus coninu (Figure 2.23.a) e un foncionnemen à faceur de puissance uniaire de l AFE (Figure 2.23.b). Des disorsions son visibles (Figure 2.23.b) sur le couran de ligne qui son à l origine de perurbaions basses fréquences qui enraineron une dégradaion du THDi. Cependan, comme cela a éé abordé au cours du chapire 1, ces disorsions son compensables via l uilisaion d une méhode prédicive. La ST es donc applicable à un ensemble AFE onduleur sans porer aeine à la foncionnalié essenielle de ce dernier. [83]

103 V bus (V) V XNr (V) I X (A) Chapire Passage en Synchronisaion oale 2 1 Passage en Synchronisaion oale V XNr I X Temps (s) (a) Temps (s) (b) Figure 2.23 : Tension du bus coninu (a), ension e couran de ligne (b). (Simulaion) 4.2. Jusificaion du choix de confinemen des impulsions dans la période de découpage Dans ce paragraphe, nous allons démonrer l inérê du confinemen dans la période de découpage de l ensemble des impulsions synchronisées. Pour ce faire, nous comparerons les courans absorbés par le moeur pour deux soluions de synchronisaions : la soluion n 7 pour laquelle nous savons que le confinemen pour une composane homopolaire nulle es assuré à ous poins de foncionnemen ; la soluion n 4 pour laquelle nous n avons pas de ceriude d un confinemen dans la période de découpage des impulsions synchronisées. Avec l applicaion de la soluion n 4 (Figure 2.24.b), l ondulaion du couran absorbé par le moeur es deux fois plus imporane qu avec la soluion n 7 (Figure 2.24.c). Cee élévaion es à mere en rappor avec l augmenaion de l excursion de la ension enre phases U AB. De plus, l ondulaion du couran obenue avec la soluion n 7 es d ampliude similaire à celle générée par la SPWM (Figure 2.24.a). Cee observaion confirme que le confinemen des impulsions dans la période de découpage perme de limier l ondulaion du couran e valide les développemens effecuées en secion 3.2. [84]

104 V ko (V) Ondulaion de couran (A) Ondulaion couran (A) Chapire 2 (a) (b) c) Figure 2.24 : Couran e ension enre phases avec uilisaion de la SPWM (a), ST + sol. 4 (b) e ST + sol. 7 (c). (Simulaion) En effe, avec l uilisaion de la SPWM, les impulsions liées aux ensions simples V AO, V BO, e V CO son imbriquées e cenrées (Figure 2.25.a). Dans le cas de nore exemple, ce posiionnemen limie l ondulaion du couran à 2A crêe-crêe e es similaire au cas d imbricaion sans cenrage des impulsions (Figure 2.25.b) E/ E/2 -E/2 -E/2 V ko E/2 E/2 -E/ Temps (µs) 25 5 Temps (µs) -E/ Temps (µs) 25 5 Temps (µs) (a) (b) (c) (d) Figure 2.25 : Ondulaion de couran e ension simples délivrées par l onduleur dans le cas d impulsions imbriquées e cenrées (a) obenue avec la SPWM, d imbricaion non cenrée (b), de chevauchemen (c) e de basculemen (d) obenus avec la ST. (Simulaion) Le cas de chevauchemen des ensions simples (Figure 2.25.c) engendre, quan à lui, une augmenaion de l ondulaion du couran (environ 35 A crêe-crêe ). Alors que, pour le cas de basculemen (Figure 2.25.d), l ondulaion du couran peu aeindre 45 A crêe-crêe, soi plus du [85]

105 Chapire 2 double que dans le cas d impulsions imbriquées. Le crière de minimisaion de l ondulaion du couran es ainsi respecé par le confinemen des impulsions dans la période de découpage, e jusifie de ce fai son uilisaion. [86]

106 Chapire 2 5. Conclusion du chapire Dans ce second chapire, a éé présenée une sraégie de réducion des variaions de la ension de mode commun d une associaion redresseur MLI onduleur par une synchronisaion de ous les frons de ension générés par ces deux converisseurs. Cee sraégie repose sur l uilisaion d un degré de liberé offer par la MLI e qui perme le déplacemen des impulsions de elle sore à synchroniser ous les frons de ension générés par l onduleur avec ceux du redresseur MLI. Cee sraégie a éé ainsi nommée synchronisaion oale (ST). Une éude des degrés de liberé offers par la méhode de synchronisaion oale a permis de mere en lumière la possibilié de synchroniser des impulsions «posiives» e/ou «négaives». De plus, une muliplicié des soluions de synchronisaion exise e un dénombremen a permis d en idenifier douze différenes. Par ailleurs, l égalié des composanes homopolaires e des fréquences de découpage des deux converisseurs on éé idenifiées comme des prérequis à l uilisaion de la ST. Vis-à-vis d une sraégie classique, de ype MLI cenrée (SPWM), pour laquelle ces variables son indépendanes, l uilisaion de la ST impose de nouvelles conraines de dimensionnemen sur le variaeur de viesse els que : la enue en ension des condensaeurs du bus coninu ou encore le dimensionnemen du filre LCL placé enre le réseau élecrique e le variaeur de viesse. Afin de limier la déérioraion apporée par la ST sur l ondulaion du couran, un algorihme décisionnel a éé développé dans le bu de minimiser cee dernière par un confinemen des impulsions dans la période de découpage. L algorihme décisionnel ainsi développé es basé sur l uilisaion de l une des douze soluions qui permeen la synchronisaion oale avec comme conraine le confinemen des impulsions dans la période de découpage pour une composane homopolaire nulle. Ces choix on éé définis par soucis de facilié d implémenaion de l algorihme lors de la validaion expérimenale. Ce algorihme a permis de valider la possibilié d une synchronisaion oale à ous poins de foncionnemen ainsi que l inérê du confinemen des impulsions au sein de la période de découpage pour la minimisaion de l ondulaion du couran (moeur / réseau) Il fau noer que cee annulaion de la ension de mode commun es puremen héorique. En praique, des faceurs exérieurs peuven enrainer la désynchronisaion el que: les emps mors e les emps des commuaions des ransisors de puissance... Ces élémens son à l origine d une dégradaion prévisible des performances de cee sraégie de modulaion. Une éude déaillée de ces aspecs sera présenée au chapire suivan. [87]

107 Chapire 3 : Approfondissemen de la sraégie de synchronisaion

108 1. Influence des imperfecions sur la ension de mode commun L origine des résidus de commuaions : les commuaions des ransisors Sensibilié au synchronisme des commuaions (Δτ) Reards dans la chaîne de commande des ransisors Défau de synchronisme lié à l éablissemen du couran dans le canal lors de la mise en condiion d'un ransisor Similiude des frons de ension dv/d Résidus liés à deux commuaions de ype ransisors vers diode (TD) Résidus liés à une synchronisaion des deux ypes de commuaion Modélisaion réalise des commuaions Modèles de commuaion Modélisaion simplifié des phénomènes de commuaion : méhode Modélisaion plus fine des phénomènes de commuaion : méhode Injecion de formes d onde mesurées : méhode Récapiulaif des différenes méhodes de modélisaion des frons de ension Comparaison des modèles proposés Deux commuaions diode-ransisor Deux commuaions ransisor-diode Une commuaion TD e une DT commuaion mixe Impac des résidus sur la synchronisaion oale Résidus présens à chaque période de découpage Effes de la compensaion des emps mors Effes de la charge appliquée au variaeur de viesse Voies d opimisaion du conenu specral de la ension de mode commun Augmenaion des viesses de commuaion Maximisaion des résidus DT DT Opimisaion de la symérie des résidus de commuaions Conclusion du chapire

109 Chapire 3 La sraégie de modulaion proposée perme la réducion des perurbaions élecromagnéiques de mode commun par une synchronisaion oale de l'ensemble des frons de ension issus du redresseur MLI e de l onduleur. En élecronique de puissance, pour des raisons de emps de calcul e de convergence des simulaions, on peu êre amené à uiliser des modèles idéalisés des composans de puissance ce qui génère des ensions (e des courans) découpées idéalemen (commuaions insananées). Dans le cas de la synchronisaion oale, cee représenaion des frons de ension n es pas suffisane puisque, dans ce cas, la ension de mode commun générée par le variaeur de viesse serai nulle (- en dbµv). Alors que, en réalié, du fai des commuaions imparfaies des ransisors, deux frons de ension synchronisés donneron naissance à un «résidu» de commuaion. La modélisaion des résidus de commuaions e par exension des commuaions elles-mêmes, es donc nécessaire pour une évaluaion réalise des gains apporés par la méhode de synchronisaion oale proposée. Au cours de ce chapire, lorsqu il sera fai éa des commuaions, ces dernières seron représenées par des frons monans. Malgré ou, une modélisaion des frons descendans a aussi éé réalisée en se basan sur la même approche de modélisaion que les frons monans. Une première parie de ce chapire sera consacrée à l éude des mécanismes mis en jeu lors de la commuaion des ensions par les ransisors dans le bu d idenifier les résidus générés lors de synchronisaions. De plus, différens faceurs d une désynchronisaion des frons de ension seron présenés (emps mors, jier des circuis de commande des ransisors ). Dans une seconde parie, différenes méhodes de modélisaion des commuaions seron présenées e une validaion de ces différens modèles sera fournie. La validaion sera faie principalemen par rappor à un modèle réalise obenu par une injecion des ensions de commuaion mesurées expérimenalemen. Dans les deux dernières paries, les différens modèles seron appliqués dans le cadre de la synchronisaion oale e comparés au modèle avec injecion de frons de ension. La sensibilié de la sraégie de modulaion permean une synchronisaion oale (ST) vis-à-vis de la présence des emps mors e de la charge uilisée pour le variaeur de viesse sera éudiée. De plus, des voies d opimisaion des résidus de commuaions pour la synchronisaion oale son proposées. 1. Influence des imperfecions sur la ension de mode commun Comme nous l avons vu au chapire 1, au cours de la commuaion des ransisors, différenes phases on lieu. La commuaion des ransisors n es donc pas insananée e sera à l origine d imperfecions lors de l'applicaion de la méhode de ST. Or, l'éude par simulaion des sraégies de modulaion (SPWM e ST) es réalisée jusqu alors avec des modèles de composans idéaux. Dans le cas de la ST, l uilisaion des composans idéaux réduirai la ension de mode commun à zéro, d où un conenu harmonique qui endrai vers - s il éai exprimé en dbµv. Cee valeur n es cependan pas représenaive de la réalié car les commuaions des ransisors ne son pas insananées. Ainsi, les variaions de ension devron [9]

110 Chapire 3 respecer les phénomènes physiques liés aux différens ypes de commuaion vus au chapire L origine des résidus de commuaions : les commuaions des ransisors Dans ce paragraphe, la commuaion d'un ransisor sera représenée dans un premier emps par de simples droies. Cee linéarisaion permera de mere en avan les principaux phénomènes à l origine des différences d une commuaion à l aure. Si l on prend le bras X du redresseur MLI (AFE) possédan à ses bornes par une ension E (Figure 3.1), pour un même ordre de commande envoyé aux ransisors, la variaion de la ension V XO résulane diffère selon la valeur du couran i X. K1 {T1 D2} AFE DC bus Onduleur Réseau X Y Z i X E A B C Câble Moeur Terre K2 {T2 D1} O Figure 3.1 : Représenaion d un variaeur de viesse à redresseur MLI En effe, suivan le sens du couran i X, les composans semiconduceurs de puissance (T1, T2, D1, D2) qui se meron à conduire ne seron pas les mêmes. Ainsi, pour un même ordre de commande logique (issu du microconrôleur), on peu assiser soi à la commuaion d un ransisor vers une diode soi à la commuaion d une diode vers un ransisor. Par exemple, pour commuer le couran de l'inerrupeur K2 à K1, la ension n'évolue qu'après une durée égale au emps mor si le couran es posiif (Figure 3.2.b). Cee évoluion de la ension se fai avec un dv/d invarian en foncion du couran commué. En revanche, l'insan exac à parir duquel il y a variaion de la ension dépend de la valeur du couran par l'éablissemen du couran dans le canal du ransisor [Idir26]. Une fois seulemen que ce couran es éabli, la ension aux bornes de T1 se me à chuer e enraîne par effe de complémenarié, la monée de V XO. On parle alors de commuaion Diode vers Transisor DT. Tandis que si le couran es négaif, la ension évolue immédiaemen e sa pene dépend foremen de la valeur du couran (Figure 3.2.a). On parle alors de commuaion Transisor vers Diode TD. Ainsi, une synchronisaion de ype TD-DT génère sysémaiquemen un résidu de la durée du emps mor qu il es cependan possible de compenser [Xuning213]. Au final, les commuaions d'un bras, qu elles soien DT ou TD, on des effes différens sur l évoluion de la ension V XO. [91]

111 Chapire 3 Commuaion ransisor vers diode (T-D) Ordre de commande MLI Blocage T2 Commuaion diode vers ransisor (D-T) Mise en Conducion T1 Temps Mor i3 > i2 E V XO V XO i X < i2 > i1 i1 i X > Pene = f(i) E i1 i2 > i1 Reard = f(i) (a) (b) Figure 3.2 : Représenaion simplifiée des différens ypes de commuaion Parmi les commuaions ransisor vers diode, ceraines, soumises à de faibles courans commués (i1 à la Figure 3.2.a), son ellemen lenes qu à la fin du emps mor, la ension du bus coninu E n es oujours pas aeine. La mise en conducion de T1 va imposer la ension du bus aux bornes de T2 (Figure 3.3) e se raduira par une variaion rapide de la ension aux bornes de T2 (ransisor complémenaire à T1). Temps mor T1 V T1 Commande MLI de T1 E X i X E Commande MLI de T2 T2 V XO E V T1 O V XO Figure 3.3 : Commuaions TD de durée supérieure au emps mor commuaions à deux penes lorsque i X es faiblemen négaif Il es donc possible de déerminer, suivan le signe du couran commué e l ordre de commande donné, à quel ype de commuaion on aura à faire. Ces cas son donnés au Tableau 3.1. [92]

112 Chapire 3 Tableau 3.1 : Type de commuaion en foncion du signe du couran e de l ordre de commande logique appliqué à T1 Ordre de commande appliqué à T1 i ou > i ou < Commuaion diode vers ransisor : DT Commuaion ransisor vers diode : TD Commuaion ransisor vers diode : TD Commuaion diode vers ransisor : DT La synchronisaion de ces deux ypes de commuaion es à l origine de rois ypes de résidus que l on nommera par la suie : DT DT pour la synchronisaion de deux commuaions de ype diode vers ransisor TD TD pour la synchronisaion de deux commuaions de ype ransisor vers diode TD DT (ou DT TD) pour la synchronisaion des deux ypes de commuaions, par la suie ces résidus seron qualifiés de mixes. Remarquons que les résidus TD DT son soumis à l'influence du emps mor. Ces derniers subdivisen les résidus en deux sous ypes suivan la compensaion ou non du emps mor. Une éude spécifique de ces résidus des commuaions sera présenée au paragraphe Dans le cas de commuaions parfaiemen synchronisées, sous réserve de frons de ension linéarisés (des droies) e ideniques, la résulane serai un résidu égal à zéro (Figure 3.34.a). En revanche, avec la prise en compe des différens phénomènes physiques inhérens à la commuaion des ransisors, les résidus générés ne son pas nuls (Figure 3.34.b) E N 1 N 2 E E dv d 1 dv d 2 N 1 N 2 (Résidu) -E (a) (b) Figure 3.4 : Résidus issu des commuaions parfaiemen synchronisées (a), e de commuaions quelconques (b) [93]

113 Residu (V) Commuaion n 2 (V) Ampliude résidu (dbµv) Commuaion n 1 (V) Chapire 3 Les résidus de commuaions son liés à deux phénomènes : Des défaus de synchronisme : Δτ Des frons de ension différens : dv/d Ces poins seron éudiés dans les secions suivanes. Par ailleurs, l éude dans le domaine fréqueniel d une commuaion seule es impossible, car il ne s agi pas d un signal périodique (ampliude différene enre le débu e la fin de la commuaion). En revanche, un résidu peu se répéer d une période de découpage à l aure (Figure 3.4.b), il es donc possible d effecuer une ransformée de Fourier d'un résidu de commuaion. Dans les secions qui suivron, les résidus seron éudiés sur une fenêre de 25µs qui correspond à la période de découpage choisie pour le variaeur de viesse éudié Sensibilié au synchronisme des commuaions (Δτ) Des délais enre les ordres de commande issus du microconrôleur e la commuaion effecive des ransisors peuven subvenir. C es le cas, enre aure, des emps mors e de la nonhomogénéié des reards dans la chaîne du circui de commande des ransisors. Par la suie, les commuaions, à l origine des résidus, seron issues de deux converisseurs, numéroés 1 e 2 afin de simplifier l'éude des résidus de commuaions. Dans le cas de la ST, les converisseurs 1 e 2 corresponden à l onduleur e à l AFE Influence des emps mors sur les résidus Les emps mors son des délais appliqués enre deux commandes complémenaires d'un seul bras. L objecif éan de ne jamais se rouver dans un cas où les deux ransisors complémenaires son mis en conducion simulanémen (Figure 3.2.b). Ce cas aurai pour conséquence un cour-circui des condensaeurs du bus coninu e la desrucion des ransisors. Typiquemen, pour les applicaions liées à la variaion de viesse, les emps mors, TM, valen quelques microsecondes TM =.5µs TM = 2µs TM = 3µs TM = 4µs TM Temps (µs) 4 1k 1k 1M 1M 1M Fréquence (Hz) (a) (b) Figure 3.5 : Représenaion emporelle des résidus mixes avec e sans emps mors (a) e analyse fréquenielle pour différen TM (b) [94]

114 Chapire 3 Lors de synchronisaion de frons de ension, les emps mors son à l origine d un délai enre les commuaions de ype TD e DT (Figure 3.2). Ce délai se radui par un résidu don la largeur es égale au emps mor (Figure 3.5.a). La Figure 3.5.b monre la représenaion fréquenielle des résidus de la Figure 3.5.a. Enre 4kHz e plusieurs cenaines de kiloherz, la réducion des emps mors perme une réducion des niveaux des perurbaions. Dans le cas considéré, au-delà de 2µs, la valeur du emps mor influence rès peu le niveau de la perurbaion (Figure 3.5.b). Nous verrons par la suie que ce ype de résidus es le plus impacan sur le conenu specral de la ension de mode commun car leur durée es généralemen supérieure à celle des aures résidus. Les emps mors son néanmoins compensables comme par exemple par la connaissance du signe du couran commué (posiif ou négaif). Pour un couran de signe posiif (basé sur la convenion du signe du couran adopée à la Figure 3.3), T1 impose la ension V XO. Il fau donc pour obenir des commuaions aux insans x1 e x2, que l ordre de commande de mise en conducion ( à 1) soi avancé de la durée du emps mor (Figure 3.6.a). Alors que pour un couran de signe négaif, T2 impose la ension V XO. Le mainien des commuaions aux insans x1 e x2, nécessie donc que l ordre de commande de blocage (1 à ) soi avancé de la durée du emps mor (Figure 3.6.b). 1 Ordre de mise en conducion avancé 1 Impulsion de référence Impulsion compensée Ordre de blocage avancé Temps mor Commande MLI de T1 Temps mor E V Commande MLI de T2 E V V XO (a) X1 X2 X1 X2 Figure 3.6 : Compensaion des emps mors pour un couran de phase i X posiif (a) e négaif (b) (b) En réalié, la mesure du couran sur laquelle s appuie la compensaion des emps mors es généralemen réalisée en débu de période de découpage. La raison principale éan de limier la charge de calculs appliquée au microconrôleur. De ce fai, la déerminaion du signe du couran au passage par zéro de ce dernier es inceraine. Il en résule une compensaion imparfaie des emps mors 27 [JongW1996]. 27 Cf. chapire 3 paragraphe 3.2 [95]

115 Chapire Reards dans la chaîne de commande des ransisors Oure les emps mors, d aures délais peuven apparaîre enre le microconrôleur, qui génère les ordres de commande des ransisors ; e la mise en conducion (ou le blocage) des ransisors. Dans le cadre de cee hèse, cee éude es effecuée pour un variaeur de viesse de la gamme ATV71 : 15kW 4V de Schneider-Elecric. La chaine de commande de ce dernier es composée de : un ASIC (Applicaion Specific Inegraed Circui) pour la proecion du variaeur de viesse, un opocoupleur pour l isolaion élecrique de la commande par rappor à la puissance (commuaion des ransisors), un éage push-pull pour la commande de grille des ransisors. La commande es réalisée à l aide d une care de conrôle développée au sein de Schneider Elecric. Elle perme noammen : une connecivié avec les variaeurs de viesse ATV 71, une puissance de calcul permean l implémenaion de lois de commande sophisiquées : un DSP (Digial Signal Processor). Une représenaion simplifiée de cee srucure es donnée Figure 3.7. Driver Push pull Signal MLI Transisor à piloer DSP ASIC Opocoupleur R g V DSP V Driver Figure 3.7 : Représenaion simplifiée de la chaîne de commande des ransisors Les différens élémens présens au sein de cee chaîne de commande von inroduire différens reards. D une par des délais variables qu il ne sera pas possible de compenser. Ces délais son dus au jier esseniellemen présen au niveau des drivers 28 (Figure 3.8). D aure par des reards son liés aux délais de propagaion dans cee chaîne de commande. Ces délais peuven êre différens selon que l ordre de commande soi un fron monan FM ou un fron descendan FD. Mais ces ordres de commande son fixes e donc compensables. 28 Une minimisaion du jier es possible par le choix du circui de commande rapprochée (driver) uilisé. [96]

116 Chapire 3 V DSP V Driver T FM Jier T FD Jier Figure 3.8 : Représenaion des reards pouvan subvenir sur la chaîne de commande des ransisors Une quanificaion de ces délais es donnée dans les paragraphes suivans, pour le disposiif expérimenal uilisé lors de la validaion expérimenale de la méhode de synchronisaion oale Défaus de synchronisme liés au jier des drivers Les opocoupleurs 29 son à l origine d un reard flucuan des ordres de commande aussi connu sous le nom de jier. Il se radui par un reard variable enre l enrée e la sorie de l opocoupleur de la care de commande rapprochée. Le jier peu se caracériser par : La plage de variaion qui correspondra, dans nore cas, à la variaion maximale du reard en sorie d opocoupleur La probabilié de présence qui correspond au nombre de fois qu un reard de durée comprise dans un inervalle donné se présenera par rappor au nombre oal de commuaions. Ces deux aspecs du jier doiven êre caracérisés pour en évaluer l impac sur la synchronisaion des frons de ension Plage de variaion du Jier : Dans le bu d éudier l impac du jier sur la qualié des synchronisaions réalisées, une variaion paramérique de la plage maximale de jier a éé réalisée. Des simulaions on éé effecuées pour des commuaions oues égales à 1.5kV/µs. La désynchronisaion des commuaions es réalisée par un délai flucuan correspondan à une plage de variaion du jier. Les résulas de cee analyse son donnés au Tableau Référence des opocoupleurs uilisés : HCNW312 (fabrican : AVAGO). [97]

117 Chapire 3 Tableau 3.2 : Effe de la variaion du jier uniquemen Plage de variaion du jier ± 5ns ± 5ns ± 1ns ± 2ns ± 4ns ± 8ns Niveau de perurbaions à 15kHz 62dBµV 74dBµV 79dBµV 85dBµV 92dBµV 97dBµV Un jier élevé enraîne une dégradaion des performances du conenu specral des frons de ension synchronisés (+35dBµV pour un jier 16 fois plus imporan). Le niveau de jier es imposé par le driver (opodriver) uilisé. Ainsi, pour améliorer les performances des sraégies de réducion de la ension de mode-commun, il fau choisir des drivers avec un faible jier. Pour cela, la mesure doi êre faie à parir d un poin pour lequel il n y a pas d effe de jier. Pour cee raison, le choix s es poré sur la sorie du DSP (V DSP ), à parir de laquelle on mesure le délai enre l ordre de commande logique e la ension en sorie du driver (V Driver ) (Figure 3.7). Cee mesure es réalisée avec deux sondes différenielles (ADP 35 Lecroy ) e les résulas sur la plage de variaion du jier son donnés Figure 3.9.b. V DSP V Driver 1ns/div V Driver 3ns ± jier (a) (b) Figure 3.9 : Mesure du Jier (a) e zoom sur la plage de variaions (b) La mesure a éé réalisée avec un oscilloscope en mode persisance. Le résula obenu nous donne une plage de variaion du jier des cares uilisées esimée à 25 nanosecondes. Probabilié de présence : L évaluaion de la probabilié de présence du jier permera de déerminer la proporion des défaus de synchronismes enre les commuaions. Dans le cas du variaeur de viesse uilisé dans cee hèse, une évaluaion de la densié de présence a éé réalisée. Pour ce faire, un même signal logique issu d un DSP es appliqué à deux opocoupleurs. La différence enre les délais de ransmission de chaque opocoupleur es mesurée 3. 3 Maériel de mesure : 3 sondes passives Lecroy (1:1, 3V RMS ) avec reards enre les sondes déerminés : ΔT Sondes1 2 = <1ns E ΔT Sondes1 3 = < 1ns. [98]

118 Chapire 3 V DSP V Driver1 V Driver2 T Jier Figure 3.1 : Défaus de synchronisme occasionnés par le jier ΔT Jier Ainsi, la différence des reards ΔT Jier mesurée pour de nombreux essais perme d obenir une bonne esimaion de la densié de présence du reard dans les opocoupleurs. Les résulas saisiques 31 de la densié de présence du jier enre deux opocoupleurs son donnés à la Figure Probabilié de présence (%) ΔT Jier (ns) Figure 3.11 : Probabilié de présence du jier en foncion du défau de synchronisme ΔT Jier L écar relaif ΔT Jier prend une forme qui s apparene à une gaussienne qui concenre plus de 9% de la flucuaion liée au jier dans une plage inférieure à 2ns. Le jier, rese au final rès faible e ne devrai pas influencer la synchronisaion des commuaions don la durée es supérieure à plusieurs cenaines de nanosecondes. La réducion du jier ne semble donc pas nécessaire, mais pourrai le devenir pour des opocoupleurs à jier élevé e/ou l uilisaion de ransisors à commuaion rapide à base de carbure de silicium ou de nirure de galium pour lesquels les durées de commuaion peuven êre inférieures à 1ns. 31 Plus de 7 mesures son réalisées pour cee évaluaion [99]

119 Chapire Délais de propagaion D aures reards enre commande logique e la commuaion des ransisors inroduisen un délai de propagaion dans la chaîne de commande des ransisors. Ce délai peu êre lié : Aux délais de propagaion dans les drivers ΔT FM, ΔT FD Valeurs des composans passifs els que les résisances de grilles qui peuven êre différenes pour les commuaions TD e DT. Tolérance des composans passifs. Alimenaion des grilles des ransisors à différens niveaux de ension. Ces différens élémens von enraîner, s ils ne son pas parfaiemen ideniques, des reards de propagaion disparaes mais fixes enre les différens ypes de commuaion de chaque ransisor du variaeur de viesse. Ces délais de propagaion peuven néanmoins êre compensés pour améliorer la qualié des synchronisaions 32 moyennan une caracérisaion au préalable Défau de synchronisme lié à l éablissemen du couran dans le canal lors de la mise en condiion d'un ransisor Enre l ordre de mise en conducion d un ransisor (ordre logique) e la variaion de la ension aux bornes du ransisor (commuaion DT), vien se rajouer aux reards décris précédemmen, un délai correspondan à l éablissemen du couran dans le canal du ransisor. Ce délai peu êre considéré proporionnel à l ampliude du couran à commuer. Un exemple de cee évoluion issu de mesures pour un module de puissance à IGBT (39AC126V2 de chez Semikron ) uilisé lors de la validaion expérimenale es donné Figure 3.12.b. Malgré la présence manifese d inceriudes de mesure, cee évoluion es semblable à un polynôme du second ordre qui représene l évoluion héorique de l éablissemen du couran dans le canal d un ransisor [Yawei214]. Ce reard va êre à l origine des désynchronisaions enre deux commuaions de ype DT qui va varier en foncion des niveaux de courans commués. Ainsi, au même ire que le jier, ces reards von impacer sur la qualié des synchronisaions réalisées. Pour éudier ce phénomène, une variaion paramérique de ce reard des commuaions de ype DT (Figure 3.12.a) es réalisée pour des commuaions oues ideniques (1,5kV/µs). Les résulas de cee éude son donnés pour des reards compris enre 1 e 3ns 33. La ension commuée es égale à 5V. 32 Dans le cadre de la validaion expérimenale, une compensaion de ces délais sera proposée au chapire En praique, les reards mesurés son au maximum égaux à 8ns, mais afin de rendre l éude la plus exhausive possible, la plage de variaion des délais es augmenée à 3ns. [1]

120 Tension commuée (V) T Canal (ns) Chapire T Canal 2.62A 1.97A 1.1A.47A Mesure Tendance Temps (µs) (a) i Commué (A) (b) Figure 3.12 : Commuaion DT pour différens courans commué (a) e reard ΔT canal lié à l éablissemen du couran dans le canal du ransisor en foncion du couran commué (b) Plus le reard relaif, ΔT Canal, enre deux commuaions DT es élevé, plus l ampliude e la durée du résidu de commuaion le son égalemen (Figure 3.13.a). Mais, cee désynchronisaion liée à ce reard relaif es à mere en regard avec la durée des commuaions DT. En effe, si la durée de commuaion es supérieure au reard relaif (c'es le cas d après les mesures), l ampliude du résidu généré sera limiée alors que dans le cas conraire l ampliude du résidu es maximale 34. Au niveau fréqueniel, les reards des commuaions diode vers ransisor enraînen une dégradaion du conenu specral des résidus (Figure 3.13.b). A 15kHz, cee dégradaion sera d auan plus accenuée que la différence des reards indui par les commuaions DT (ΔT Canal ) es imporane. Plus ce reard es faible, plus le conenu specral du résidu généré es faible. Ainsi, plus les valeurs de ΔT Canal son faibles, plus le conenu specral à 15kHz es rédui. 34 Ce cas serai suscepible de se produire avec l uilisaion de composans de puissance à commuaions rapides elles que les ransisors à base de Carbure de silicium ou de Nirure de Gallium. [11]

121 Residu (V) Commuaion n 2 (V) Ampliude résidu (dbµv) Commuaion n 1 (V) Chapire T Canal = 1ns T Canal = 2ns T Canal = 1ns T Canal = 3ns ΔT Canal Temps (µs) 4 3 1k 1k 1M 1M 1M Fréquence (Hz) (a) (b) Figure 3.13 : Simulaion de résidus DT DT pour différenes durées de commuaion (a) e analyse fréquenielle (b) On observe sur les résidus, un plaeau qui correspond à la compensaion des dv/d des deux commuaions, puisque la représenaion faie des commuaions DT a éé remplacée par des droies de même pene. Nous verrons au paragraphe que ce effe de plaeau es moins marqué pour des commuaions réelles. Finalemen, ces reards pourron êre compensés à condiion de connaîre l évoluion du reard en foncion du couran commué. Ce ype de compensaion peu s avérer uile lorsque les reards son dans les mêmes ordres de grandeurs que la viesse des commuaions DT. En revanche, cee compensaion parai inuile pour des commuaions lenes (reard faible devan la durée de commuaion). Or dans nore cas d applicaion, ces reards resen rès faibles devan la durée des commuaions Similiude des frons de ension dv/d Oure les reards induis par les emps mors, e les aures reards vus jusqu à mainenan, les commuaions son elles-mêmes à l'origine de résidus car les penes engendrées par les variaions de ension aux bornes des ransisors ne son pas oujours ideniques les unes par rappor aux aures. Les commuaions de ype TD son foncion du couran commué e différenes des commuaions DT. Dans le paragraphe suivan, on supposera que ous les reards son parfaiemen compensés Résidus liés à deux commuaions de ype ransisors vers diode (TD) Les commuaions TD génèren des frons de ension qui dépenden de la valeur du couran commué. Pour des applicaions onduleur e redresseur MLI, les courans commués son différens d un converisseur à l aure car les poins de foncionnemen de ces deux 35 Nous verrons au paragraphe 4.2 l inérê de la maximisaion e de la compensaion des résidus DT DT. [12]

122 Residu (V) Commuaion n 2 (V) Ampliude résidu (dbµv) Commuaion n 1 (V) Chapire 3 converisseurs son généralemen différens (couran). Cee différence des courans commués se raduira par des commuaions TD de penes inégales généran un résidu varian suivan le dv/d des frons synchronisés. Pour déerminer l impac de la variaion de viesse de commuaion (dv/d), des résidus son générés pour différens dv/d de l une des deux commuaions TD, l aure es fixée à 1.5kV/µs pour 5V de ension commuée. Les résulas issus des simulaions pour différenes viesses de commuaion son donnés à la Figure 3.14.a dv OFF dv OFF2 =.5kV/µs dv OFF2 =.75kV/µs dv OFF2 = 3kV/µs dv OFF2 = 4.5kV/µs Temps (µs) (a) 1k 1k 1M 1M 1M Fréquence (Hz) (b) Figure 3.14 : Résidus TD TD pour différenes durées de commuaion (a) e analyse fréquenielle (b) Pour des commuaions TD de penes rès différenes, le résidu es soi de durée imporane, soi d ampliude imporane (Figure 3.14.a). Ces deux aspecs on un impac négaif sur le conenu specral. Ainsi, des viesses de commuaion plus rapides enraînen une diminuion du conenu specral de la ension de mode commun à 15kHz qui marque le débu de la bande de fréquences soumises à des réglemenaions. La synchronisaion de deux commuaions de penes similaires perme une réducion imporane du conenu specral du résidu des commuaions (Figure 3.14.b). Au-delà de quelques mégaherz, les commuaions les plus lenes permeen une meilleure réducion des perurbaions vers les haues fréquences. Finalemen, l amélioraion de la symérie des résidus issus de deux commuaions TD-TD es liée à des courans commués similaires. Or, pour des courans commués au-delà de quelques ampères (dans nore cas) la raideur de ces commuaions n évolue presque plus (Figure 3.15.b). [13]

123 Tension commuée (V) Tension commuée (V) Chapire A 14.4 A A 2.16 A 1.32 A.96 A 3.84 A 1.89 A Temps (µs) (a) Temps (µs) Figure 3.15 : Mesures expérimenales de commuaion TD pour différens courans commués (a), zoom pour les fors courans (b) Les résulas obenus monren que la réducion du nombre de commuaions effecuées sous un faible couran commué aurai un for impac sur le conenu specral de la ension de mode commun. Ainsi, les sraégies de modulaion uilisées pour la synchronisaion de frons de ension seron cerainemen plus efficaces pour des blocages rapides de ransisor (ype TD) qui génèren des frons de ension plus raides Résidus liés à une synchronisaion des deux ypes de commuaion La synchronisaion d une commuaion de ype DT avec une commuaion de ype TD génère un résidu de la durée du emps mor (Figure 3.5.a). Cependan, si ce emps mor es compensé, un résidu lié uniquemen aux commuaions es créé. Ainsi, la commuaion DT sera reardée emporellemen par défau de synchronisme (Δτ) que l on supposera consan e uniquemen due à l éablissemen du couran dans le canal (Figure 3.16.a). La commuaion TD es caracérisée par une pene (dv/d) variable. Pour évaluer l impac de ces deux variables sur le conenu specral de ces résidus, l observaion du résidu sera faie sur une fenêre oujours fixée à 25µs. Les résidus des commuaions possédan un débu de symérie (variaion posiive e négaive du résidu) son ceux qui génèren le plus faible conenu specral. Cee symérie se radui par une parie du résidu posiive e une aure négaive. En revanche, lorsque la symérie n es pas garanie, le conenu specral évolue peu. Conrairemen aux résidus issus de deux commuaions TD, l opimum ne semble pas correspondre à des penes similaires mais à une symérie des résidus des commuaions. Nous verrons au paragraphe 4.3 que cee symérie de résidus des commuaions es applicable à ous les ypes de résidus puisque quelles que soien les commuaions envisagées, des défaus de synchronisaion apparairon en réalié. L obenion de résidus symériques es donc une voie de minimisaion du conenu specral de la ension de mode commun générée par une sraégie de modulaion elle que la synchronisaion oale. (b) [14]

124 Residu (V) Commuaion n 2 (V) Ampliude résidu (dbµv) Commuaion n 1 (V) Chapire dv OFF dv OFF2 =.5kV/µs dv OFF2 =.75kV/µs dv OFF2 = 3kV/µs dv OFF2 = 4.5kV/µs Temps (µs) (a) 3 1k 1k 1M 1M 1M Fréquence (Hz) (b) Figure 3.16 : Simulaion de résidus TD DT pour différen dv/d (a) e analyse fréquenielle (b) En conclusion, on peu dire que les imperfecions générées par les commuaions des ransisors son à l origine de la non-annulaion de la ension de mode commun lors de l applicaion de la synchronisaion oale. De plus, d aures élémens son à l'origine d une désynchronisaion des commuaions, on peu cier noammen le jier dans les drivers ou encore les emps mors. Ces résidus son classés en rois caégories (TD DT, DT DT e TD TD) suivan le ype de commuaions synchronisées e von avoir un impac sur le conenu specral de la ension de mode commun générée par la synchronisaion oale. Ainsi pour quanifier les perurbaions générées par la synchronisaion oale, il es nécessaire de rendre compe de ces résidus au ravers d une modélisaion plus fine des commuaions. 2. Modélisaion réalise des commuaions Un modèle de représenaion des imperfecions des commuaions es nécessaire afin de quanifier avec précision le conenu specral des résidus de commuaions. La nécessié d'uiliser des modèles plus fins es encore plus vraie pour des sraégies de modulaion qui réduisen la ension de mode commun à des résidus seulemen, comme c'es le cas pour la méhode de synchronisaion oale Modèles de commuaion Dans la liéraure, des modèles de commuaions linéarisées par un segmen de droie exisen [Moreau29] e suffisen à la représenaion de la ension de mode commun obenue pour une sraégie de modulaion classique (SPWM). En revanche, les choix enrepris pour cee méhode de modélisaion renden cee méhode impropre à la représenaion de résidus. Ces choix son les suivans : la représenaion des commuaions TD par une pene invariane en foncion du couran commué, [15]

125 Tension commuée (V) T Canal (ns) Chapire 3 la modélisaion des commuaions DT sans prendre en considéraion les délais avan la variaion de la ension aux bornes du ransisor. En effe, dans ces condiions, les résidus issus de deux commuaions du même ype ne seraien pas représenés. Il es donc nécessaire de modéliser les commuaions plus finemen [Messaoudi214]. Dans cee opique, rois modèles on éé définis : Un modèle de commuaions par des droies pour lequel les phénomènes inrinsèques aux commuaions on éé simplifiés. Un second modèle plus fin sur la représenaion des phénomènes liés aux commuaions avec oujours une modélisaion des commuaions par des droies. Un roisième modèle basé sur une inerpolaion de ensions de commuaions mesurées expérimenalemen Modélisaion simplifié des phénomènes de commuaion : méhode 1 Afin d ajouer un peu plus de finesse aux modèles de représenaion des frons, on se propose de prendre en compe les phénomènes relaifs aux commuaions des ransisors. La méhode de représenaion des commuaions qui sera uilisée prend en compe les phénomènes liés aux commuaions des ransisors de façon simplifiée. Pour les commuaions TD on uilisera un modèle linéaire de variaion de la pene en foncion du couran commué. Pour les commuaions DT, le reard avan commuaion sera considéré comme proporionnel au couran Modélisaion de la commuaion DT Une représenaion linéaire des variaions de ension liées aux commuaions DT sera réalisée (Figure 3.17). De plus, on inroduira un reard simplifié qui évoluera linéairemen en foncion du couran commué (ΔT). L évaluaion de ces deux paramères es issue de mesures des commuaions réalisées sur un disposiif expérimenal dv d TD 2.62A 1.97A 1.1A.47A ΔT Canal Linéarisaion Temps (µs) 4 2 K L Mesure Tendance Evoluion simplifiée i Commué (A) (a) (b) Figure 3.17 : Linéarisaion des commuaions DT (a) e évoluion simplifiée du couran commué (b) [16]

126 Tension commuée (V) Tension commuée (V) Chapire 3 D après la Figure 3.12, le reard ΔT représene l éablissemen du couran dans le canal du ransisor. Ce reard peu êre approximé par une foncion du premier ordre (Eq 3.1). T K Avec : KL 8,3n s/a i Canal L (Eq 3.1) On déermine aussi la pene de la ension commuée, qui es consane : dv d DT 1,2kV/µs (Eq 3.2) Modélisaion de la commuaion TD Pour les commuaions TD, l objecif es de représener la variaion de pene de la ension commuée en foncion du couran. Afin de simplifier les modèles de commuaion, cee variaion de pene sera considérée linéaire (eq 3.3). dv d TD K P i commué (Eq 3.3) La représenaion des ensions commuées sera, quan à elle, linéarisée enre le débu e la fin de la commuaion, e ce pour chacun des courans commués (Figure 3.18) A 11.52A 2.16 A Linéarisaion A.96 A Linéarisaion Temps (µs) (a) Temps (µs) cassure (b) Figure 3.18 : Modélisaion des commuaions TD sans (a) e avec (b) cassure de pene en uilisan la méhode 1 Pour chacune des ensions commuées mesurées expérimenalemen, la pene de la ension K es mesurée (courbes en poinillés rouges à la Figure 3.18). L ensemble des résulas es donné au Tableau 3.3. [17]

127 Chapire 3 i commué [A] Tableau 3.3 : Pene K des ensions commuées en foncion du couran dv d TD [V/s] icommué K [As/V] dvoff d.32 2,4x1 8 1,5x ,6x1 8 1,5x ,2x1 9 2,3x ,75x1 9 5,5x1-9 La valeur de K es elle-même foncion du couran commué. Afin d obenir une linéarisaion du premier ordre de la pene des ensions commuées, on va prendre une valeur unique, représenaive de l ensemble des résulas issus du Tableau 3.3 (en excluan la valeur à zéro de couran). Finalemen, on en dédui une valeur K P, elle que : 9 K 31 As/V (Eq 3.4) P Ce coefficien K P peu êre vu comme la valeur d une capacié enre le colleceur e l émeeur de l IGBT que l on vien charger (e décharger) sous différens courans. Cas de la cassure de pene : La variaion de ension après cassure de pene nécessie aussi une linéarisaion. Cee variaion brusque de la ension es liée au second ransisor d un même bras qui se me à conduire après un emps mor. La déerminaion de cee pene de ension es réalisée à parir des essais expérimenaux. De plus, un emps cassure es esimé, il correspond à l insan à parir duquel a lieu la cassure de pene. Ce emps correspond approximaivemen à la valeur du emps mor fixé à 4µs 36 pour ces mesures (cee valeur peu êre modifiée). cassure dv d 4s cassure 1,2kV/ s (Eq 3.5) La valeur de la pene de la ension après emps mor n es pas sans rappeler celle de la commuaion DT puisque c es bien ce ype de ransiion qui a lieu, après emps mor, sur l aure ransisor du même bras du converisseur. Algorihme des commuaions TD à cassure de pene (E = ension du bus coninu) : Si < TM e V < E dv d TD K p i commué 36 Le emps mor uilisé pour la modélisaion des commuaions es différen de celui uilisé pour l évaluaion des performances de la ST (2µs). Cee différence es due à l anériorié de la mesure des commuaions effecuée sur un produi sandard, pour lequel le emps mor éai fixé à 4µs, alors même que la ST n éai pas implémené. [18]

128 Chapire 3 Si > TM e V < E dv d TD dv d cassure consane Cee méhode de modélisaion des commuaions perme ainsi de rendre compe des phénomènes liés aux commuaions sous ceraines hypohèses simplificarices. Ce modèle es donc une simplificaion de la réalié Modélisaion plus fine des phénomènes de commuaion : méhode 2 Afin de modéliser plus finemen les commuaions DT e TD, une aure méhode de représenaion des frons de commuaion es mise en œuvre. Cee méhode repose : Pour les commuaions TD, sur une évoluion de la pene des ensions commuées par une foncion aure qu un premier ordre. De plus, la linéarisaion des variaions de ension sera réalisée sur la pene de plus grande imporance 37 pour chaque valeur de couran commué. Pour les commuaions DT le reard lié à l'éablissemen du couran dans le canal du ransisor sera modélisé à l aide de la courbe de endance déduie des mesures réalisées sur des commuaions DT (Figure 3.17.b) Commuaions DT La représenaion des frons de commuaion DT sera idenique à celle uilisée dans la méhode 1. En revanche, la prise en compe du caracère non linéaire des reards liés aux commuaions DT es à l origine d une modificaion de la forme du résidu obenu (Figure 3.19). Afin de rendre compe de l impac de cee donnée sur la synchronisaion des commuaions DT, le couran commué es exprimé en foncion de ΔT Canal conrairemen aux courbes précédenes. Par exemple, prenons le cas d un résidu lié à la synchronisaion de deux commuaions DT issues des deux converisseurs. Chacune de ces commuaions es soumise à des courans i 1 e i 2 différens. Ainsi, le reard appliqué pour chacune des deux commuaions sera lui aussi différen suivan que la méhode 1 (Figure 3.19.a) ou bien la méhode 2 (Figure 3.19.b) soien uilisées. E donc, le résidu lié à la synchronisaion de ces deux commuaions sera lui aussi différen d une méhode à l aure. Cee différence au niveau de la forme du résidu aura un impac sur le conenu specral comme cela a éé présené précédemmen à la Figure Il s agi de la parie de la commuaion pour laquelle le dv/d es le plus grand. [19]

129 Chapire 3 2 i Commué (A) 2 i Commué (A) i i ΔT Canal (ns) Commuaions E E Résidu E E (a) (b) Figure 3.19 : Modélisaion de résidus issus de deux commuaions DT, en foncion du couran commué, avec la méhode 1 (a) e prise en compe de l évoluion endancielle de ΔT Canal (méhode 2) foncion du couran commué (b) Commuaions TD La représenaion des commuaions TD es basée, comme cela a éé évoqué au débu du paragraphe, sur la pene de plus grande imporance. Cee pene représene la parie la plus raide des frons de ensions. Ce choix permera, d une par de représener plus fidèlemen les commuaions TD. E d aure par, l uilisaion de penes plus raides permera de rendre compe des phénomènes haues fréquences 38 (au-delà du mégaherz) liés aux ransiions. De plus, la variaion des dv/d en foncion du couran commué ne sera plus approximée à un premier ordre e iendra compe de leur caracère non linéaire. 38 Cf. chapire 1 paragraphe 1.4 [11]

130 Tension commuée (V) Tension commuée (V) Chapire A 11.52A 2.16 A Linéarisaion A.96 A Linéarisaion ΔT pgi Temps (µs) (a) Temps (µs) (b) Figure 3.2 : Méhode 2 de reproducion des commuaions TD sans (a) e avec (b) cassure de pene en foncion du couran commué Pour les courbes sans cassure, la linéarisaion sur la pene de plus grande imporance ne ien pas compe du débu de la commuaion où la pene es de faible imporance (Figure 3.2.a). La conséquence éan l appariion d un reard ΔT pgi enre la variaion réelle de la ension e celle obenue avec le modèle. Afin de pallier à ces reards induis par la linéarisaion sur la pene de plus grande imporance, une quanificaion de ΔT pgi en foncion du couran commué a éé réalisée. A l issue de cee quanificaion, une compensaion de ΔT pgi es apporée par l uilisaion d une courbe de endance. En revanche, pour les courbes avec cassure de pene, la pene de la ension commuée avan cee cassure es rès faible (Figure 3.2.b). Or, d un poin de vue du conenu specral haues fréquences, seule la parie de commuaion après cassure es pénalisane. C es pourquoi ces commuaions seron par la suie modélisées comme pour la méhode 1, e n induiron pas de ce fai, de reards. En résumé, pour les deux ypes de commuaion on peu noer : Commuaions TD Si < TM e V < E dv d TD f ( i commué ) T h( i commué ) pgi Si > TM e V < E dv d TD dv d cassure consane [111]

131 Tension (V) Tension(V) Chapire 3 Commuaions DT T g( i commué ) Canal dv d DT consane Injecion de formes d onde mesurées : méhode 3 Les amélioraions apporées aux modèles présenés précédemmen ne iennen pas compe du caracère non linéaire de la commuaion (évoluion du dv/d). Afin de valider les deux méhodes de représenaion des commuaions, nous allons injecer dans nore modèle de simulaion les courbes de commuaion mesurées pour différenes valeurs de couran commué Commuaions DT Pour les commuaions de ype diode vers ransisor, la variaion de ension rese la même, e donc une seule forme d onde suffi. À cee dernière, on va appliquer un reard en foncion du couran commué en se basan sur la courbe de endance issue des mesures des commuaions DT (Figure 3.17), el que l on a pu le faire avec la méhode Commuaions TD Les commuaions ransisor-vers-diode n on pas éé mesurées pour ous les courans commués. Ainsi les commuaions manquanes son déduies par inerpolaion de deux courbes mesurées ayan les valeurs de couran commué les plus proches de celle désirée. Plus le nombre des courbes mesurées es imporan, plus l inerpolaion sera précise m inerpolaion 1 3 i 1_commué i 2_commué i nerpolé Temps (s) x Temps(s) x 1-5 (a) (b) Figure 3.21 : Inerpolaion des courbes de commuaion mesurées sans (a) e avec (b) cassure de pene De plus, cee inerpolaion ne sera pas réalisée de la même façon que l on soi en présence des commuaions avec e sans cassure de pene. Sans cassure de pene (Figure 3.21.a) : pour obenir l allure d une courbe soumise à un couran non mesuré il fau procéder à une inerpolaion enre deux courbes connues [112]

132 Chapire 3 suivan l axe emporel (inerpolaion horizonale) ; la ension commuée rese égale à E. Avec cassure de pene (Figure 3.21.b) : pour obenir l allure d une courbe soumise à un couran non mesuré, il fau procéder à une inerpolaion enre deux courbes mesurées en suivan l axe des ensions (inerpolaion vericale). Il fau donc connaire la valeur du couran commué qui donne la courbe à la limie de la cassure de pene. Dans nore cas, on la défini pour un couran commué égal à.9a, par approximaion des courbes mesurées Récapiulaif des différenes méhodes de modélisaion des frons de ension On a vu, ou au long de cee parie, différenes méhodes de modélisaion (esseniellemen linéaires) des variaions de ension en sorie d un variaeur de viesse (uilisé en onduleur pour alimener une machine asynchrone). Un résumé de ces modèles es donné au Tableau 3.4. Les méhodes 1 e 2 son simples à mere en œuvre e permeen de réduire les emps de calcul nécessaires à la reconsiuion des frons de ension issus des simulaions idéales (frons raides). Mais, la précision de ces méhodes doi êre au préalable validée pour les différens ypes de résidus de commuaions. Tableau 3.4 : Résumé des différenes méhodes de modélisaion des commuaions Méhode de modélisaion Commuaion ransisor vers diode Commuaion diode vers ransisor dv d TD K p i commué Variaion de ension linéarisée Canal K L i commué Variaion de ension linéarisée dv f i Canal gi commué d TD commué Variaion de ension linéarisée dv d TD f 2 i commué Variaion de ension linéarisée g Variaion des ensions mesurées Canal i commué Variaion des ensions mesurées 2.2. Comparaison des modèles proposés Afin de valider la précision des différenes méhodes de représenaion des commuaions, des simulaions on éé réalisées. La comparaison es faie enre la méhode 3 qui se rapproche le plus d un résula expérimenal e les deux aures méhodes. [113]

133 Tension résidu (V) Chapire Deux commuaions diode-ransisor Deux commuaions de ype DT soumises à des courans commués différens son générées puis synchronisées (Figure 3.22.a) Méhode 1 Méhode 2 Méhode Temps (µs) (a) V res (dbµv) (Méhode 1 - Méhode 3) (Méhode 2 - Méhode 3) 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (b) Figure 3.22 : Résulas de simulaions des formes d ondes emporelles (a) e enveloppes specrales (b) des «résidus» de synchronisaions de deux commuaions DT Les méhodes 1 e 2 permeen une modélisaion semblable au résidu obenu avec la méhode 3. De plus, la méhode 2 es plus précise sur l ampliude du résidu e confirme l appor d une évaluaion plus fine du reard lié aux commuaions DT. Ce résula se confirme par une comparaison fréquenielle (Figure 3.22.b). Cee comparaison se base sur la différence des conenus specraux (exprimés en dbµv) enre la méhode 1 e 3 puis 2 e 3. L objecif éan de se rapprocher au plus près de db sur oue la gamme de fréquence observée. (méhode1- méhode3) V (méhode2 - méhode3) V méhode1 méhode2 ( f ) V ( f ) V méhode3 méhode3 La méhode 2 perme de présener plus fidèlemen e dans oue la gamme de fréquence éudiée les résidus DT-DT avec un faible écar inférieur à 4dBµV jusqu à 6MHz. La méhode 1 quan à elle perme aussi une représenaion avec un écar faible mais en moyenne plus imporan que celui obenu à l'aide de la méhode 2. Ainsi, on peu noer que de 1kHz à 1MHz, la méhode 2 présene rès peu d écar avec la méhode 3 (qui es issue des relevés expérimenaux) Deux commuaions ransisor-diode Deux commuaions de ype DT soumises à des courans commués différens (donc dv/d différens) son ici modélisées puis synchronisées (Figure 3.23.a). ( f ) ( f ) [114]

134 Tension résidu (V) Tension résidu (V) Chapire Méhode 1 Méhode 2 Méhode 3 V res (dbµv) (Méhode 1 - Méhode 3) (Méhode 2 - Méhode 3) Temps (µs) (a) 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (b) Figure 3.23 : Résulas de simulaions des formes d ondes emporelles (a) e enveloppes specrales (b) de «résidus» de synchronisaion de deux commuaions TD Ici aussi, la méhode 2 perme une meilleure reproducion du résidu de commuaions que la méhode 1 (Figure 3.23.a). Ce résula se confirme dans le domaine fréqueniel par un écar plus faible sur oue la bande de fréquence (Figure 3.23.b). Il es d auan plus vrai au-delà de quelques MHz ce qui confirme l inérê de la méhode 2 pour la prise en compe des phénomènes HF. Finalemen, la méhode de modélisaion 2 semble plus adapée que la méhode 1 à la représenaion des résidus TD TD Une commuaion TD e une DT commuaion mixe Il s agi ici d observer non plus une synchronisaion issue de deux commuaions d un seul e même ype mais des deux. Pour ces résidus mixes, seul le cas avec compensaion des emps mors es éudié puisque, a priori, la commuaion n influe que rès peu sur le conenu specral de la ension générée Méhode 1 Méhode 2 Méhode 3 V res (dbµv) (Méhode 1 - Méhode 3) (Méhode 2 - Méhode 3) Temps (µs) (a) -2 [115] 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (b) Figure 3.24 : Résulas de simulaions des formes d ondes emporelles (a) e enveloppes specrales (b) de «résidus» de synchronisaion des commuaions TD e DT Ici aussi, les résulas obenus avec une méhode 2 son largemen plus précis qu avec la méhode 1. En emporel (Figure 3.24.a), la méhode 1 génère un résidu d ampliude neemen

135 Tension (V) Tension (V) Tension (V) Chapire 3 inférieure au résidu issu de la méhode 3 alors que la méhode 2 es, quan à elle, plus précise. Ce résula se confirme dans le domaine fréqueniel (Figure 3.24.b) ou un écar de plus de 15dBµV enre les méhodes 1 e 3 es consaé sur une large bande fréquences. En revanche, l écar enre les méhodes 2 e 3 rese faible (inférieur à 4dB) sur oue la gamme de fréquences observée. Résidu avec commuaion à deux penes Un résidu mixe es généré avec une commuaion de ype TD à cassure de pene (deux penes) de durée supérieure au emps mor fixé dans nore cas à 4µs (Figure 3.25.a). Ces résidus présenen une similiude avec ceux obenus sans compensaion de emps mor car leurs durées son équivalenes. Nous verrons aux paragraphes 3.2, 3.3 e 4.1 que ces résidus on un impac imporan sur la ension de mode commun générée lors de l'uilisaion de la synchronisaion oale. D un poin de vue fréqueniel, les méhodes 1 e 2 appliquées aux commuaions TD donnen des résulas similaires. Cependan, la précision des méhodes 1 e 3 es similaire sur oue la gamme de fréquences considérée. 6 Commuaion n Méhode 1 Méhode 2 Méhode Commuaion n (Méhode 1 - Méhode 3) (Méhode 2 - Méhode 3) Résidu V res (dbµv) Temps (µs) -1 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (a) (b) Figure 3.25 : Résulas de simulaions des formes d ondes emporelles (a) e enveloppes specrales (b) des «résidus» lors d'une synchronisaion des commuaions DT e TD avec cassure de pene En conclusion, on peu dire que suivan la méhode de modélisaion uilisée, les résulas obenus son différens. Cee éude a permis égalemen de mere en évidence l inérê de la modélisaion fine des commuaions e son influence sur le conenu specrale des résidus. Les résulas obenus monren bien la fiabilié de la méhode 2. Cee méhode repose sur une linéarisaion des commuaions e perme une modélisaion rapide des commuaions à l insar [116]

136 Chapire 3 de la méhode 3 qui demande un emps de calcul plus imporan. Ainsi, dans la suie de ce ravail, l évaluaion des performances de la synchronisaion oale sera réalisée à l aide de la méhode 2 pour son compromis enre emps de calcul (reconsiuion des frons de ension) e précision. 3. Impac des résidus sur la synchronisaion oale Un modèle de représenaion des frons de commuaion éan défini, la déerminaion de la forme d'onde de la ension de mode commun par simulaion es désormais possible. Les résidus générés seron déerminés par le signe e la valeur du couran Résidus présens à chaque période de découpage Les courans en sorie de l onduleur e en enrée de l AFE son riphasés alernaifs. A ce ire, les courans des rois phases de chacun des converisseurs ne peuven êre ous du même signe. Les deux configuraions possibles pour un même converisseur son donc : 2 phases son associées à un couran de signe posiif e 1 aure à un couran de signe négaif : 2p1n 2 phases son associées à un couran de signe négaif e 1 aure à un couran de signe posiif : 1p2n Par période de découpage, il ne sera donc pas possible que les rois frons monans des rois phases d un même converisseur donnen ous naissance à des commuaions d un même ype (soi DT ou TD) car cela reviendrai à dire que les courans son de même signe pour les rois phases. Le même raisonnemen peu êre effecué sur les frons descendans (Tableau 3.5). Tableau 3.5 : Dénombremen des résidus de commuaions pour les deux configuraions: 2p1n e 2p1n Commuaions Configuraion 2p1n Configuraion 1p2n Fron monan Fron descendan Fron monan Fron descendan DT TD Dans le cas où les frons de ension de deux converisseurs son soumis à la configuraion 2p1n, le nombre de résidus de commuaions de chaque ype peu varier en foncion des synchronisaions effecuées (Tableau 3.6). Tableau 3.6 : Dénombremen des résidus de commuaions par période de découpage pour deux converisseurs dans les configuraions 2p1n e 2p1n Associaion DT DT DT TD TD TD N N N Noons que le cas où il n y a aucun résidu DT DT ou TD TD n es pas réalisable car avec deux converisseurs dans la configuraion 2p1n, il n es pas possible d obenir que des résidus mixes (TD DT ou DT TD). Les résulas obenus son ransposables aux deux converisseurs dans la configuraion 1p2n. En revanche dans le cas où les frons de ension [117]

137 Chapire 3 d un converisseur son soumis à la configuraion 2p1n e que l aure converisseur es soumis à la configuraion 1p2n, le nombre de résidus de commuaions de chaque ype n es plus le même (Tableau 3.7). Tableau 3.7 : Dénombremen des résidus de commuaions par période de découpage pour deux converisseurs dans les configuraions 2p1n e 1p2n Associaion DT DT DT TD TD TD N 4 6 N N Au final, seules quare associaions différenes son recensés pour l associaion des six frons de ension d un converisseur avec les six frons de l aure converisseur. Si l on se base sur le nombre de résidus DT DT, ces associaions génèren :, 1, 2 ou 3 de ces résidus. Applicaion à la synchronisaion oale Cependan, les quare associaions définies précédemmen ne prennen pas en compe les conraines liées à l uilisaion de la ST e noammen l impossibilié de synchroniser les frons monans e descendans d une impulsion d'un converisseur avec celles de l aure (annexe 1). Ces cas corresponden aux associaions qui ne génèren aucun ou bien rois résidus DT DT. Dans le cas de l uilisaion d une soluion (la soluion n 7 en l occurrence pour ses propriéés évoquées au chapire2) de synchronisaion oale 39, suivan le nombre de résidus DT-DT, il es possible de déerminer le nombre de chaque ype de résidus. Si l on considère que deux des rois ypes de synchronisaion de frons monans produisen deux résidus de ype DT-DT, la dernière associaion de frons monans produira un résidu de ype TD-TD. Tandis que les synchronisaions de frons descendans produiron d une par deux résidus «mixes» e un résidu TD-TD (Figure 3.26.a). Si une seule associaion de frons monans es à l origine d un résidu DT-DT, alors les deux aures associaions de frons monans son nécessairemen à l origine de résidus mixes. De plus, pour les synchronisaions des frons descendans, les résidus générés par ces derniers seron consiués de deux résidus mixes e d un résidu TD TD (Figure 3.26.b). 39 Soluion n 7 qui sera aussi uilisée lors de l évaluaion des performances en simulaion e de la validaion expérimenale [118]

138 Chapire 3 Impulsions Onduleur (config. 2p1n) Impulsions AFE (config. 2p1n) Impulsions Onduleur (config. 1p2n) Impulsions AFE (config. 2p1n) Fron monan Max DT i MAX > TD DT TD Max i MAX > Max DT i MAX > TD DT TD Max i MAX > Fron descendan In i INT > DT TD DT TD In i INT > In TD i INT < DT TD DT In i INT < Min TD i MIN < DT TD DT Min i MIN < Min TD i MIN < DT DT TD Min i MIN > (a) (b) Figure 3.26 : Résidus générés par la synchronisaion oale (exemple avec la soluion n 7) Finalemen, par période de découpage, le nombre de résidus de chaque ype ne peu varier que de deux façons. Le dénombremen des deux ypes d impulsions es donné au Tableau 3.8 pour les cas expliciés précédemmen e que l on nommera A e B. Cependan, l aribuion de ces deux cas dépend à la fois des soluions de synchronisaion e du signe du couran pour chacun des bras de l AFE e de l onduleur. Cee dernière informaion es précieuse car elle défini les condiions nécessaires e suffisanes pour la déerminaion du nombre de résidus de chaque ype pour chaque période de découpage en vue d une opimisaion (paragraphe 4.2). Tableau 3.8 : Dénombremen des résidus de commuaions par période de découpage avec uilisaion de la ST Types de résidus Cas A Cas B DT-DT 2 1 TD-TD 2 1 DT-TD (mixe) 2 4 Ainsi, les résidus mixes représenen plus d'un iers des résidus générés par période de découpage. Or, ces résidus son foncion de la compensaion des emps mors pour laquelle nous avons consaé la conribuion au conenu specral des résidus de commuaions Effes de la compensaion des emps mors Une simulaion de l'ensemble AFE-onduleur es réalisée avec des inerrupeurs idéaux, pour laquelle, la méhode de modélisaion 2 es ensuie appliquée afin de reconsiuer la ension de mode commun. L AFE es alimené par un réseau 23V eff 5Hz e une inducance d une valeur de 4mH es connecée enre ces derniers. Le bus es régulé par l AFE à une ension de 53V. L onduleur alimene un moeur de 15kW sous une ension enre phases de 153V eff e pour une fréquence saorique fixée à 2Hz. De plus, pour saisfaire aux conraines de la synchronisaion oale, les fréquences de découpage des deux converisseurs son synchronisées e fixées à 4kHz. Le poin de foncionnemen es défini pour un moeur à vide. [119]

139 V MC (V) V MC (V) V MC (V) V MC (V) V MC (V) V MC (V) V MC (V) V MC (V) Chapire 3 Les ensions de mode commun issues d une sraégie de modulaion classique (SPWM) e de la synchronisaion oale son reconsiuées à l aide de la méhode de modélisaion 2. E afin de consaer l impac de la compensaion des emps mors, fixés à 2µs, sur la synchronisaion oale, différens cas seron éudiés : synchronisaion oale sans compensaion des emps mors, ST TM synchronisaion oale avec compensaion des emps mors basée sur le signe du couran, ST TMcomp synchronisaion oale avec compensaion idéale des emps mors, ST notm (équivalen à TM = ) Ce dernier cas n es pas réalisable en praique, mais servira de référence pour évaluer l impac des emps mors mal compensés ST TMcomp sur le conenu specral de la ension de mode commun SPWM ST TM ST TMcomp ST notm Temps (s) (a) (b) (c) (d) Résidus à cassure de pene Résidus liés aux emps mors -2 T Temps (µs) Figure 3.27 : Résulas des simulaions de la ension de mode commun obenue avec la SPWM (a), la ST sans compensaion des emps mors (b), la ST avec compensaion des emps mors basée sur le signe du couran (c), la ST sans emps mors (d) Nous remarquons que la SPWM génère une ension de mode commun composée de douze variaions réparies sur plusieurs impulsions (Figure 3.27.a), alors que la synchronisaion oale ne génère que six résidus par période de découpage. Dans le cas où les emps mors ne son pas compensés, des résidus de la largeur du emps mor son présens à chaque période de découpage (Figure 3.27.b). Lorsque ces emps mors son compensés, le nombre de ces résidus décroî, mais du fai des compensaions imprécises au passage par zéro du couran cerains persisen (Figure 3.27.c). Enfin lors d une compensaion idéale des emps mors [12]

140 Ampliude de V MC (dbµv) Chapire 3 (Figure 3.27.d), le nombre de résidus de la largeur du emps mor es quasimen nul, il rese ou de même les résidus liés aux commuaions TD à cassure de pene (Figure 3.27.d) SPWM ST TM ST TMcomp ST notm k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) Figure 3.28 : Conenu specral de la ension de mode commun en pour différenes sraégies de modulaion e de la compensaion des emps mors Dans le cas de l uilisaion de la synchronisaion oale, le conenu specral es oujours plus faible dans la plage de fréquence allan de 4kHz à 1MHz. Par exemple, à 15kHz (fréquence qui marque le débu de la bande de fréquence de la norme CEM des perurbaions conduies), la compensaion des emps mors perme une réducion de 7 dbµv qui s addiionne au gain de 7 dbµv déjà présen sans compensaion. En revanche, il apparai qu une compensaion idéale des emps mors n appore que rès peu d amélioraion (Figure 3.28) par rappor à une compensaion imprécise, basée sur le signe du couran commué. Ce résula démonre que dans le cas d une compensaion des emps mors, même imparfaie, le conenu specral de la ension de mode commun es dominé principalemen par les résidus des commuaions don la largeur es inférieure au emps mor. Finalemen, la compensaion des emps mors basée sur le signe du couran semble suffisane pour l amélioraion des performances de la synchronisaion oale quan à la généraion de résidus désynchronisés par les emps mors Effes de la charge appliquée au variaeur de viesse La durée des commuaions de ype TD es foncion du couran commué, à ce ire des résidus de durée imporane peuven apparaîre. C es noammen le cas lors de la synchronisaion des commuaions à cassure de pene avec des commuaions plus rapides (Figure 3.25). Ces résidus génèren un conenu specral similaire à celui des résidus sans compensaion des [121]

141 V MC (V) Ampliude de V MC (dbµv) V MC (V) Chapire 3 emps mors (Figure 3.15). Nous avons vu au paragraphe qu il serai préférable, pour les résidus TD TD, que les durées des commuaions soien similaires. Pour favoriser ces cas, des commuaions à for couran commué son souhaiables. Ainsi, l augmenaion du couran commué e donc de la puissance absorbée (ou réinjecée) sur le réseau élecrique par le variaeur de viesse, permerai d améliorer les performances de la synchronisaion oale. Pour consaer ce effe, une simulaion du disposiif éudié es réalisée avec un couran absorbé du réseau de 7A eff (correspondan au moeur en charge). La ension de mode commun obenue pour ce poin de foncionnemen es comparée à celle obenue avec le moeur es à vide, soi 1.2A eff absorbé par le VV. Ces simulaions son réalisées pour une compensaion des emps mors basée sur le signe du couran (Figure 3.29). 4 2 ST moeur à vide SPWM ST moeur à vide ST moeur chargé (a) 4 ST moeur en charge Temps (s) (b) 4 1k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (c) Figure 3.29 : Résulas de simulaion emporelle (a, b) e analyse fréquenielle (c) d une ension de mode commun pour un moeur à vide e chargé L augmenaion de la charge perme, dans le cas de la synchronisaion oale, une réducion du conenu specral de la ension de mode commun. Cee diminuion s explique par l appariion de résidus des commuaions de durée plus faible à l origine du conenu specral enre 4kHz (fréquence de découpage) e 1MHz. Au-delà, uniquemen les dv/d influen sur le conenu specral. En revanche, dans le cas de la sraégie de modulaion SPWM, l augmenaion de la valeur du couran absorbé par le variaeur de viesse n enraîne pas de modificaion du conenu specral enre 4kHz e 1MHz puisque la forme de la ension de mode commun es une associaion de rapèzes don seule la durée es impacée dans cee gamme de fréquences 4. Au-delà, le conenu specral es similaire car les frons de ension son ideniques quelle que soi la sraégie de modulaion appliquée. Pour conclure les paragraphes 3.1 à 3.3, on peu dire qu'à chaque période de découpage plus d un iers des résidus générés son impacés par la compensaion des emps mors. Ainsi, la compensaion des emps mors se révèle rès bénéfique pour l amélioraion des performances de la synchronisaion oale. Nous venons de monrer qu une simple compensaion des emps mors basée sur le signe du couran es suffisane pour irer pleinemen pari des performances de la sraégie de modulaion développée, e ce malgré 4 Cf. chapire 1 paragraphe 1.2 [122]

142 Chapire 3 l imprécision au passage par zéro du couran. On peu noer égalemen que conrairemen aux sraégies de modulaions classiques, l augmenaion de la charge (couran commué), e donc de la raideur (dv/d) des commuaions TD, perme une réducion du conenu specral de la ension de mode commun. Cee amélioraion par accéléraion des commuaions sera développée au paragraphe suivan. 4. Voies d opimisaion du conenu specral de la ension de mode commun Nous venons de voir que des faceurs els que le synchronisme des commuaions ou encore la raideur des frons de commuaion imposen le conenu specral de la ension de mode commun. Dans ce paragraphe, nous allons présener les voies d amélioraion possibles de la synchronisaion oale par une opimisaion des résidus. Ces voies son les suivanes : Une acion sur les viesses des commuaions de elle sore à réduire la durée e donc la signaure specrale basse fréquence des résidus de commuaions. Une acion sur les résidus DT DT pour lesquels une compensaion du synchronisme permerai une réducion noable de ces résidus car leurs dv/d son invarians. Une acion sur la symérie des résidus par un synchronisme des commuaions de ension au lieu d un synchronisme des ordres logiques issus de la sraégie de modulaion Augmenaion des viesses de commuaion Afin d éudier l impac de la viesse de commuaion sur le conenu specral de la ension de mode commun, une variaion paramérique des dv/d es opérée à l aide de la méhode de modélisaion 2, par l ajou d un coefficien muliplicaif α pour les commuaions de ype DT e β pour les commuaions de ype TD el que : dv d TD f ( i commué ) kv/µs (,5 11) (Eq 3 6) dv d DT 1.5 kv/µs (,5 11) (Eq 3.7) Les ensions de mode commun son obenues avec une simulaion similaire à la précédene, seul le poin de charge es modifié (le couran absorbé par le variaeur de viesse es fixé à 5A eff ) e une compensaion des emps mors basée sur le signe du couran. A parir de ces condiions de simulaion, une évaluaion paramérique de l impac de la viesse de commuaion sur le conenu specral de la ension de mode commun es effecuée. Les résulas de cee éude son présenés en foncion de la différence des conenus specraux ΔV MC des sraégies classique e de synchronisaion oale. V V V (Eq 3.8) MC MC_SPWM MC_ST [123]

143 Chapire =.5 = 5 =.5 = 1 =.5 = = 1 =.2 = 1 =.2 =.5 = V MC (dbµv) V MC (dbµv) k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (a) 4k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (b) = 1 = 5 = 1 = 1 = 1 = = 1 = 5 = 1 = 5 =.5 = V MC (dbµv) V MC (dbµv) k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) 4k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (c) (d) Figure 3.3 : Evoluion relaive de la ension de mode commun pour (a) : des commuaions DT ralenies e TD accélérées ou ralenies, (b) : des commuaions TD ralenies e DT accélérées ou ralenies, (c) : des commuaions DT accélérées e TD accélérées ou ralenies, (d) : des commuaions TD accélérées e DT accélérées ou ralenies Pour α =,5, quelle que soi la valeur de β, les écars relaifs resen les mêmes (Figure 3.3.a) sur oue la plage de fréquence [4kHz -1MHz]. Le même consa es fai pour une valeur de β =,2 (Figure 3.3.b). En revanche, pour une accéléraion des commuaions DT d un faceur 1 (Figure 3.3.c), suivan la valeur de β, le gain relaif apporé par la synchronisaion oale peu aeindre 1dBµV dans la bande jusqu'à 1MHz. De plus, dans le cas d une variaion de α e d une accéléraion des commuaions TD (Figure 3.3.d), l écar relaif enre les différenes sraégies de modulaion peu aeindre plusieurs dbµv. Au-delà de quelques MHz, les gains apporés par la réducion des emps de commuaion son quasimen nuls car la synchronisaion oale influence principalemen la décomposiion harmonique des ensions à la fréquence de découpage évoquée au chapire 1. Une représenaion asympoique du conenu specral d une impulsion (issue d une sraégie de modulaion de ype SPWM) e d un résidu issu de la synchronisaion de deux impulsions es donnée à la Figure [124]

144 Chapire 3 T A(V) ΔV αt A f (, V ) A2 f ( 2, V2 ) Forme du signal Commuaion m f = m -2dB/dec T -4dB/dec ΔV 2 m2 f2 = m2 1 T 1 1 m m 2 F(Hz) α 2 T (a) (b) Figure 3.31 : Comparaif emporel (a) e fréqueniel (b) enre une impulsion e un résidu de commuaion de ype DT - DT Pour une impulsion, la décomposiion peu êre divisée en deux paries : La première es liée à la largeur de l impulsion (αt) avec une décroissance en 2dB/déc. Le niveau à la fréquence de découpage (1/T) es foncion de l inégrale de ce signal (aire sous la courbe). Cee parie sera nommée forme du signal. La seconde es liée aux commuaions (dv/d) avec une décroissance en 4dB/déc. Cee décroissance s opère au-delà du MHz. Pour un résidu de commuaion de ype DT DT : La parie basses fréquences es oujours liée à la largeur de l impulsion (α 2 T) avec une décroissance en 2dB/déc. Mais conrairemen à l impulsion, le palier es généré par une compensaion des frons de commuaion modélisés par des droies qui es plus faible en ampliude qu une impulsion. La parie liée au dv/d (idenique dans les deux cas) a lieu à des fréquences plus élevées du fai de la commuaion des ransisors qui dure moins longemps (une parie des commuaions se compense). Ainsi, le niveau à la fréquence de découpage des résidus es plus faible que celui des impulsions (aire sous la courbe plus faible). En revanche, puisque les commuaions son présenes dans le cas des résidus, l aénuaion liée aux commuaions es similaire à celle générée par des impulsions. Donc, pour des fréquences supérieures à 1, l ampliude du conenu specral es quasimen la même quelque soi la sraégie de modulaion uilisée. Pour les aures ypes de résidus (TD DT e TD TD), la disincion enre forme du signal e la commuaion es difficile car le résidu n es composé que de commuaions. La noion de largeur d impulsion n exise pas, mais, on peu définir une durée du résidu α 2 T ainsi qu une fréquence à parir de laquelle le dv/d défini le conenu specral. En revanche, l aénuaion correspondan à la forme du résidu ne présenera pas une décroissance en 2dB par décade. m [125]

145 Chapire 3 Généralemen, dans la gamme de fréquences liée à la forme du signal, les résidus n on pas de décroissance en 2dB/déc puisqu ils son uniquemen consiués de commuaions. De plus, des commuaions «lenes» (Figure 3.32.b) von générer des résidus de durée élevée e enraîner une augmenaion du niveau specral à la fréquence de découpage. E cee augmenaion se raduira par une élévaion du niveau des perurbaions générées par le résidu jusqu aux fréquences où la commuaion es dominane (Figure 3.33). D un poin de vue qualiaif, ces différens signaux (Figure 3.32) von avoir des signaures specrales spécifiques données à la Figure Pour des impulsions (courbes grise e poinillés noirs), le conenu specral n évolue qu au gré de la viesse de commuaion. En revanche, pour des résidus, en plus de l effe lié à la viesse de commuaion pour les haues fréquences, le emps de commuaion va aussi générer des résidus don l empreine fréquenielle à la fréquence de découpage varie. Pour des commuaions «lenes» les résidus auron une durée e une ampliude plus imporane que pour des synchronisaions de commuaions «rapides» (Figure 3.32.a). Cee différence se caracérise par des niveaux d ampliude différens à la fréquence de découpage (courbes bleues). De plus, augmener la viesse de commuaion perme de profier d un gain sur une plage de fréquences plus imporane. T T ΔV αt ΔV 2 α 2 T m1 f1 = m1 m3 ~ m1 T T ΔV αt ΔV 3 α 3 T m2 (a) f2 = m2 m4 ~ m2 (b) Figure 3.32 : Représenaion d impulsions (a) e de résidus (b) sous différenes viesses de commuaions [126]

146 Chapire 3 A(V ) A f (, V ) A2 f ( 2, V2 ) A3 f ( 3, V3 ) 1 T 15kHz 1 m m 2 m 1 F(Hz) Figure 3.33 : Représenaion asympoique du conenu specral des différenes impulsions e des résidus de commuaions 4.2. Maximisaion des résidus DT DT L amélioraion du conenu specral de la ension de mode commun par augmenaion des dv/d n es pas oujours possible noammen lorsque le variaeur de viesse alimene un moeur à vide. Dans ces condiions, une acion sur les résidus impliquan des commuaions de ype TD n es pas envisageable du fai de leur dv/d variables. En revanche, les résidus de ype DT DT ne son soumis qu à des défaus de synchronismes, sous l hypohèse de frons de ension modélisés par des droies de penes ideniques (Figure 3.34). 1 1 Ordre de commande (logique) 1 1 Ordre de commande avancé de T Canal 1 Ordre de commande avancé de T Canal 2 E E E T Canal 1 dv d 1 dv dv d d 2 1 Tensions commuées (de ype DT) E T Canal 1 dv d 1 dv dv d d 2 1 E/2 T Canal 2 Résidu DT - DT E/2 T Canal 2 (a) (b) Figure 3.34 : Résidus de ype DT DT sans (a) e avec (b) compensaion parfaie des défaus de synchronisme (commuaion sous forme de droies) Dans le cas d'une synchronisaion oale, le nombre de résidus issus de la synchronisaion de deux commuaions DT es compris enre un e deux à chaque période de découpage (Tableau [127]

147 Chapire 3 3.8). Le nombre de résidus issus de la synchronisaion de deux commuaions de ype DT es limié à deux au maximum e es foncion à la fois du signe des courans e de la soluion de synchronisaion choisie (Figure 3.26). Si l on suppose que les courans son riphasés sinusoïdaux, rene-six cas d aribuion de ces courans I k aux différenes impulsions (α Max, α In, α Min ) de chacun des converisseurs son envisageables. Parmi ces rene-six éas liés au signe des courans de chacune des phases (six courans qui peuven êre soi posiifs soi négaifs) seul douze son représenaifs d un foncionnemen moeur avec pour condiion un faceur de puissance uniaire côé réseau (Annexe 4). Une maximisaion du nombre des résidus de ype DT, à chaque période de découpage, repose donc sur la connaissance des soluions de synchronisaion e du signe des courans commués. Le nombre de résidus DT DT en foncion des soluions e des combinaisons de couran es donné Tableau 3.9. Tableau 3.9 : Nombre de résidus DT DT pour chaque soluion e pour chaque combinaison de couran Sol. 1 Sol. 2 Sol. 3 Sol. 4 Sol. 5 Sol. 6 Sol. 7 Sol. 8 Sol. 9 Sol. 1 Sol. 11 Sol. 12 I I I I I I I I I I I I La connaissance du signe du couran éan nécessaire à la compensaion des emps mors, elle ne nécessierai pas l ajou de mesures supplémenaires pour l applicaion de ce nouvel algorihme. L éude es effecuée par simulaion dans les mêmes condiions que précédemmen (moeur chargé à 3kW). Dans ces condiions, le nombre de résidus générés sur une période fixée à 1ms es égal à La maximisaion de ces résidus consiserai à en générer un iers de ype DT-DT soi 8 au oal (Tableau 3.1). E la minimisaion des résidus fournirai 6 résidus de ype DT DT. Tableau 3.1 : Exemple de recensemen de résidus issus de la maximisaion de synchronisaions de ype DT sans conraine de confinemen Synchronisaions DT- DT Minimisaion DT- DT Maximisaion de résidus DT-DT Minimum héorique Maximum héorique résidus par période de découpage (25µs) e 4 périodes de découpage sur une période (1ms) [128]

148 Ampliude de V MC (dbµv) Chapire 3 De plus, les reards imposés par l éablissemen du couran dans le canal des ransisors son idéalemen compensés. Ainsi, oues les commuaions de ype DT débuen au même insan. Les résulas de l analyse fréquenielle, dans le cas d une maximisaion e d une minimisaion des résidus DT DT, es donnée à la Figure Minimisaion DT-DT Maximisaion DT-DT k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) Figure 3.35 : Comparaison des conenus specraux de ension de mode commun pour une maximisaion e une minimisaion des résidus de ype DT - DT Le gain sur le conenu specral es un peu plus faible lors de l applicaion d une maximisaion (Figure 3.35). Ainsi, 3dBµV son gagnés sur une plage de fréquence allan de 3kHz à 2MHz. Le faible gain s explique en parie par la présence des aures résidus de commuaions qui coninuen d imposer un conenu specral riche à la ension de mode commun. De plus, la maximisaion des résidus de commuaions de ype DT DT nécessie de : s auoriser la coexisence d impulsions «posiives» e «négaives» sur une même période de découpage 42 à l origine d une ondulaion du couran plus imporane, d uiliser, à ou poin de foncionnemen, différenes soluions de synchronisaion des différens frons offers par la ST ce qui complexifie l algorihme décisionnel. Finalemen, l opimisaion de la ension de mode commun par une maximisaion de résidus DT DT don la compensaion des défaus de synchronisme es similaire à celle des emps mors, n appore que peu de gains en mode commun vis-à-vis des conraines qu elle engendre. C es pour cela que cee voie d amélioraion ne sera pas reenue par la suie. 42 Cf. chapire 2 paragraphe 4.2 [129]

149 Tensions commuées (V) Tension commuée (V) Chapire Opimisaion de la symérie des résidus de commuaions Dans le paragraphe 1.3.1, nous avons vu qu il éai possible d améliorer le conenu specral des résidus mixes par une symérie du résidu de commuaion. Or, les commuaions de ype TD son foncion du couran commué e ne permeen pas d obenir des résidus symériques (Figure 3.36.a). Le seul moyen de mainenir une symérie des résidus mixes consise à synchroniser les commuaions à la moiié de la ension commuée E/2 (Figure 3.36.b). E E E/2 E/2 Commuaion DT E E E/2 E E/2 E Désynchronisaion des ordres logiques de commande Commuaion TD Résidu mixe (a) (b) Figure 3.36 : Formaion d un résidu mixe sans (a) e avec (b) synchronisaion à mi-ension Ce ype de synchronisaion que l on appellera par la suie synchronisaions à mi-ension peu êre appliqué à oues les commuaions de elle sore à opimiser les résidus. Elle nécessie la connaissance du ype e de la durée de chacune des commuaions à mi-ension en foncion du couran commué. Un exemple de ces emps pour les commuaions de ype DT (Figure 3.37.a) e de ype TD (Figure 3.37.b) es donné en foncion du couran commué ΔT OFF_mi-h Temps (µs) (a).7a.15a.25a.49a.63a.77a 1.5A 1.3A 1.46A 1.89A 2.55A 265 ΔT ON_mi-h 2.62A 1.97A 1.1A.47A Temps (µs) Figure 3.37 : Déerminaion des durées pour aeindre la mi-ension des commuaions TD (a) e DT (b) mesurées expérimenalemen (b) [13]

150 V MC (V) Ampliude de V MC (dbµv) V MC (V) Chapire 3 La mesure des durées pour aeindre la mi-ension pour les commuaions DT e TD es donnée à 265V qui correspond à la moiié de la ension du bus coninu régulée par l AFE lors des simulaions ainsi que lors des validaions expérimenales (chapire 4). Ces durées son ainsi appliquées de façon prédicive aux ordres de commande des ransisors sous réserve de connaîre le couran commué pour chacun des ordres de commande. Afin d observer l effe de ces synchronisaions à mi-ension, une simulaion es réalisée dans les mêmes condiions que précédemmen lorsque le moeur es à vide. La ension de mode commun sans e avec synchronisaion à mi-ension obenue à l aide de la méhode de modélisaion n 2 es comparée dans les domaines emporels e fréqueniels (Figure 3.38) ST sans symérie des résidus ST résidus symériques Temps (µs) (a) 6 5 1k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (b) Figure 3.38 : Résulas des simulaions emporelles sur une période de découpage (a) e analyses fréquenielles (b) de la ension de mode commun sans e avec une synchronisaion à mi-ension Pour une période de découpage (Figure 3.38.a), lorsqu une symérie des impulsions es appliquée, les résidus DT-DT son annulés car les délais liés aux commuaions DT son compensés. Ainsi, le quarième résidu présen sur la Figure 3.38.a sans compensaion es annulé puisqu il s agi d un résidu issus d'une commuaion de ype DT-DT. De plus, on observe une symérie des résidus par rappor à zéro qui n es pas présene lorsque la synchronisaion à mi-ension n es pas appliquée. Nous verrons au cours du chapire 4 que l obenion de cee symérie des impulsions es difficile à réaliser car les commuaions réelles ne son pas linéaires. De plus, la qualié de ce ype de synchronisaion dépend principalemen de l esimaion de la valeur du couran à l insan exac de la commuaion. Or nous verrons au chapire 4 que ce couran n es généralemen pas mesuré en praique. Cependan, dans des condiions opimales, la synchronisaion à mi-ension permerai de réduire le conenu specral de la ension de mode commun de 1dBµV sur une bande de fréquence allan de 4kHz à 2kHz (Figure 3.38.b). Ensuie une amélioraion moindre rese effecive jusqu à 1MHz, au-delà, la synchronisaion à mi-ension n a plus d effe sur la ension de mode commun car le conenu specral es imposé par les variaions de ension ideniques dans les deux cas. [131]

151 Chapire 3 5. Conclusion du chapire Dans ce roisième chapire, nous avons éudié les imperfecions sur la ension de mode commun qui son liées à la commuaion des ransisors ainsi que oue aure source de désynchronisaions due aux variaions des ensions des différenes phases de l onduleur e de l AFE els que les emps mors. Pour une sraégie de modulaion classique (SPWM), ces imperfecions on un effe sur le conenu specral de la ension de mode commun au-delà de quelques mégaherz. En revanche, lors de l'applicaion de la méhode de synchronisaion oale (ST), la ension de mode commun obenue es réduie uniquemen à la synchronisaion de commuaions imparfaies. Ces synchronisaions donnen lieu à des résidus de commuaions sur la ension de mode commun qui seron à l origine du conenu specral de cee ension dès la fréquence de découpage (quelques kiloherz). Il éai donc nécessaire de modéliser finemen les commuaions afin de rendre compe mais égalemen d'évaluer par simulaion la méhode ST dans la réducion des perurbaions de mode commun. Des modèles de commuaion de ransisors basés sur des phénomènes inrinsèques aux ransisors els que la variaion de l insan e de la durée de commuaion en foncion du couran commué on éé développés. Deux modèles simples on ainsi éé proposés avec une précision croissane par rappor à la commuaion réelle des ransisors. Il es apparu qu un modèle mêlan précision e simplicié es souhaiable pour la prise en compe d un maximum de phénomène inervenan lors de la synchronisaion de commuaions réelles, le ou pour un emps de simulaion raisonnable. Puis, une évaluaion des performances de la synchronisaion oale a éé réalisée à l issue de laquelle la compensaion des emps mors, par un réajusemen des ordres de commande logique des ransisors, s es avérée nécessaire pour une réducion accrue du conenu specral de la ension de mode commun. Nous avons monré égalemen qu'une compensaion des emps mors imprécise, basée sur le signe du couran commué, es suffisane pour irer pleinemen profi des avanages de la synchronisaion oale. Des pises d opimisaion des performances de la synchronisaion oale on aussi éé développées. Ces opimisaions son basées, d une par sur une réducion des durées de commuaions aeignables avec l uilisaion de composans rapides els que le carbure de silicium ; e d aure par sur la créaion de résidus de commuaions symériques. [132]

152

153 Chapire 4 : Validaion expérimenale

154 Chapire 4 1. Mise en œuvre du disposiif expérimenal Spécificaions echniques Descripion des moyens de mesure Mise en œuvre de l algorihme de synchronisaion oale Validaion des performances en mode commun Validaion du principe de synchronisaion oale Effe de la compensaion des emps mors Amélioraion de la symérie des résidus de commuaion Homogénéisaion des dv/d Symérie des résidus de commuaion Conséquences sur la ension de mode commun Conséquences sur le couran de mode commun Appors de la ST dans le domaine indusriel Modèle de mode commun simplifié du disposiif expérimenal Mesure des capaciés du câble e du moeur (C O_1 ) Mesure des capaciés d un module de puissance : C bus-erre e C phases-erre Mesure des capaciés enre RSIL e variaeur : C R_ Validaion du modèle Conraines CEM pour un variaeur de viesse sandard (sraégie de modulaion SPWM) Effe de la longueur du câble moeur Sauraion des filres de mode commun Applicaion de la synchronisaion oale Conraine liée aux grandes longueurs de câble Réducion du flux dans le noyau magnéique de la bobine de mode commun Conclusion du chapire [135]

155 Chapire 4 Ce dernier chapire es dédié à l'éude de l implanaion expérimenale de la sraégie de modulaion développée. Un variaeur de viesse composé d un redresseur enièremen commandé (AFE) es réalisé dans le bu de valider la méhode de réducion des perurbaions élecromagnéiques de mode commun proposée. Dans une première parie la mise en œuvre du disposiif expérimenal e l implémenaion de l algorihme décisionnel seron présenées. Dans une seconde parie, la validaion des performances de la méhode ST sera présenée. Ainsi, les défaus de synchronisme des commuaions présenés au chapire 3 e qui nécessien des acions elles que la compensaion des emps mors ou encore l opimisaion des résidus de commuaion pour l amélioraion des performances de la ST, seron validées. De plus, une vérificaion de la réducion des courans de mode commun, qui représenen une des grandeurs élecriques mesurées dans le cadre des normes de polluion des réseaux élecriques, sera vue. Finalemen, dans une roisième parie, l appor de la ST sera éudié dans le domaine indusriel. 1. Mise en œuvre du disposiif expérimenal A parir d un conrôle simple (présené au chapire 1, paragraphe 3.2.2) simulé sous Malab Simulink e un porage de ce conrôle sur DSP (librairie Embedded Coder de Malab Simulink), un AFE a pu êre validé expérimenalemen à l aide de cares FPPP 43. Ces dernières on éé développées, à l origine, au sein de l'enreprise Schneider Elecric pour la validaion des lois de conrôle moeur dans le cadre de projes d anicipaion Spécificaions echniques L AFE a éé réalisé en uilisan un variaeur de viesse issu du commerce fourni par Schneider Elecric (ATV71) pour lequel l onduleur a éé uilisé comme AFE. Quelques spécificaions de ce variaeur de viesse son données ci-après : Référence : ATV71HD15N4 Puissance fournie au moeur : 15kW Tension efficace enre phases en sorie : 48V au maximum Couran efficace : 33A Tension maximale du bus coninu : 8V Condensaeurs du bus coninu : 2mF De plus, le filre uilisé à l'enrée de l AFE es consiué de deux bobines en série d une valeur globale de 4mH. Cee inducance se décompose en deux inducances différenielles de 2mH chacune. Le choix de ce ype de filrage par rappor au filre LCL (chapire 1 paragraphe 3) es uilisé d une par pour limier les évenuelles exciaions du filre (fréquences de résonance) par la fréquence de découpage générée par le converisseur. D aure par, la valeur élevée de l inducance perme de minimiser l ondulaion du couran prélevé sur le réseau mais égalemen d obenir une meilleure compensaion des emps mors de l AFE car l ondulaion du couran es plus faible. 43 Fas Produc Prooyping Plaform [136]

156 Chapire 4 L onduleur es aussi composé d un variaeur viesse idenique à l AFE. Ainsi, le variaeur de viesse uilisé dans le cadre de ce ravail de hèse es consiué d une associaion de deux ATV 71 monés êe bêche (Figure 4.1). La charge es consiuée d un moeur asynchrone (4V 11 kw) foncionnan à vide pour les essais sur un banc de mesures CEM ou d un moeur asynchrone (4V 4kW) couplé à un moeur à couran coninu faisan office de charge mécanique pour cerains essais en charge. Filre d enrée AFE Onduleur Réseau riphasé Figure 4.1 : Disposiif expérimenal uilisé pour les mesures expérimenales L uilisaion de deux moeurs différens es due à des conraines maérielles lors des essais CEM sur paillasse qui n offrai pas la possibilié d effecuer des essais du moeur en charge (absence de banc de charge pouvan consommer 11kW) Descripion des moyens de mesure Afin d'évaluer les performances de la sraégie de commande proposée (ST) pour la réducion des perurbaions conduies en mode commun du variaeur de viesse, deux ypes de mesures seron réalisés: Des mesures dies normaives, effecuées sur un banc de mesures équipé d un RSIL e d un récepeur de mesure (Rohde & Schwarz). La méhode de mesure normaive es décrie dans le chapire 1. Des mesures dies foncionnelles, où la ension de mode commun générée par chaque converisseur (AFE e onduleur) es mesurée enre le bus coninu e un poin neure créé à l aide de rois résisances d une valeur 3kΩ chacune monées en éoile (Figure 4.2). [137]

157 Chapire 4 Ces résisances e les capaciés des sondes de ension différenielles 44 uilisées formen un filre passe-bas qui va limier la bande de fréquences des mesures à quelques mégaherz. X AFE Bus coninu Onduleur A Câble long Moeur Y B Z 3kΩ O C V MC_AFE V MC_ond Figure 4.2 : Sysème de mesure des ensions de mode commun du variaeur de viesse éudié 1.3. Mise en œuvre de l algorihme de synchronisaion oale Dans ce chapire son comparées deux sraégies de modulaion : Une sraégie de modulaion classique à impulsions cenrées : SPWM La sraégie de modulaion de synchronisaion oale développée : ST L implémenaion de ces deux sraégies de modulaion es réalisée sur un DSP de Texas Insrumen (TMS28335). Il possède six périphériques PWM (ou MLI) indépendans chacun pouvan générer deux signaux MLI complémenaires ou non. Le déplacemen des impulsions es réalisé au ravers deux modulanes 45 présenes en enrée de chaque périphérique MLI. Cependan, une différence es à noer au niveau des valeurs de poreuses e de modulanes. Un DSP es un composan numérique, à ce ire oues les opéraions son effecuées par rappor à une horloge cadencée à 15MHz. Ainsi, une poreuse en den de scie descendane se présene sous la forme d un décompeur don la valeur iniiale es foncion de la période de découpage T. Dans le cas d une poreuse en den de scie, ce maximum, PRD 46 es donné par l équaion 4.1. PRD T fhorloge 1 (Eq 4.1) De plus, une modulane m, généralemen comprise enre e 1 sera exprimée pour le DSP par : m m, 1 PRD (Eq 4.2) Il es héoriquemen possible qu avec un seul DSP de créer les douze signaux MLI nécessaires pour piloer ous les ransisors de l ensemble AFE onduleur. Mais, les 44 Sonde différenielle de Lecroy ADP35 45 Cf. chapire 1 paragraphe PRD = période [138]

158 Chapire 4 périphériques disponibles sur les cares de conrôle uilisées n éaien pas assez nombreux pour piloer à la fois l AFE e l onduleur. C es pourquoi, un DSP a éé uilisé sur chaque converisseur pour réparir la charge de calcul nécessaire au bon foncionnemen de l algorihme de synchronisaion. La répariion des âches enre le DSP de l AFE e celui de l onduleur es donnée à la Figure 4.3. Modulanes générées par le conrôle de l AFE m m m X Y Z Sraégie de modulaion : ST Reard Z -1 DSP n 1 DSP n 2 m m m A B C Liaison Série T T T m1 m2 m3 Signaux MLI de l AFE Signaux MLI onduleur Modulane générées par le conrôle de l onduleur : loi U/f m m m A B C Sraégie de modulaion : ST Reard Z -2 Figure 4.3 : Représenaion schémaique de l implémenaion de l algorihme de synchronisaion oale Chaque DSP génère les modulanes nécessaires au conrôle de l AFE e de l onduleur, puis le calcul de T m1, T m2, T m3 47 es réalisé par l AFE au ravers de la connaissance des modulanes de l onduleur (m A, m B, m C ). Puis les insans de commuaion T m1, T m2, T m3 son ransmis à l onduleur au ravers d une liaison série rapide (5Mbi/s). Le calcul de T f1, T f2, T f3 es ensuie réalisé par chacun des deux DSP. De plus, la présence de la liaison série va nécessier d appliquer un reard enre la généraion des modulanes e l applicaion des signaux MLI. Ce reard peu se raduire par une insabilié de la commande de l AFE (l onduleur foncionne dans nore cas en boucle ouvere e n es pas impacé par ce reard). 47 Ces insans on éé définis au chapire 2 - paragraphe 4.1 [139]

159 V bus (V) V bus (V) Chapire Démarrage de l AFE Augmenaion de la charge 3 2 Démarrage de l AFE Temps (s) (a) Temps (s) (b) Figure 4.4 : Régulaion de la ension du bus coninu sans (a) e avec (b) un reard enre les modulanes e les ordres de commandes appliqués à l AFE (simulaions) Cee insabilié peu cependan êre éviée par une augmenaion du emps de réponse de la boucle de couran de l AFE e perme de rerouver la sabilié de régulaion observée à la Figure 4.4.a. 2. Validaion des performances en mode commun Dans cee secion seron présenées : la validaion expérimenale de l impac des défaus de synchronisme e des frons de ension (dv/d) qui son à l origine des résidus de commuaion sur le conenu specral de la ension de mode commun (emps mors, viesse de commuaion), les amélioraions liées à l obenion de résidus symériques (voir au chapire 3), la conséquence de la réducion de la ension de mode commun sur le couran de mode commun. Afin d'effecuer cee validaion, le variaeur de viesse es alimené par un réseau 5Hz - 23V eff enre phases, la ension du bus coninu es régulée à 53V. Le moeur es alimené par une ension de 153V RMS e de fréquence fixée à 2Hz. Les deux converisseurs foncionnen à la même fréquence de découpage fixée à 4kHz e les emps mors son réglés à 2µs. Toues les analyses fréquenielles seron effecuées pour une période de foncionnemen de l ensemble AFE onduleur égale à 1ms (cee valeur correspond à une période de foncionnemen commune à chacun des converisseurs) Validaion du principe de synchronisaion oale Afin de valider expérimenalemen la méhode de synchronisaion des commuaions de l AFE e de l'onduleur, une mesure des ensions de mode commun (V MC_AFE e V MC_ond ) générées par chacun des deux converisseurs es effecuée (Figure 4.5.a). Puis, la différence de ces ensions es réalisées afin d en déduire la ension de mode commun résulane générée par le variaeur de viesse (Figure 4.5.b) [14]

160 V MC (V) V MC (dbµv) V MC (V) V MC AFE (V) V MC (V) V MC ond (V) Chapire Temps (µs) (a) Temps (µs) (b) Figure 4.5 : Mesures expérimenales des ensions de mode commun induies par l AFE e l onduleur (a) puis par le variaeur de viesse (b) sur une période de découpage A parir de ces résulas, nous consaons que les ensions de mode commun générées par l AFE e l onduleur son synchronisées e à l origine de résidus de commuaion similaires à ceux modélisés au chapire 3. Ce résula démonre bien la validiée de l algorihme implémené sur le disposiif expérimenal. Il es désormais possible d éudier expérimenalemen l impac des défaus de synchronisme els que les emps mors ou les dv/d sur la ension de mode commun générée par le variaeur de viesse Effe de la compensaion des emps mors Des mesures de la ension de mode commun du variaeur de viesse uilisan la ST, avec e sans compensaion des emps mors, es comparée à celle obenue lors de l'applicaion d'une sraégie de modulaion classique (SPWM). Les résulas son donnés dans les domaines emporel (Figure 4.6.a) e fréqueniel (Figure 4.6.b) pour une période de foncionnemen du variaeur de viesse. 2E/3 E/3 -E/ E/3 V MC (V)2E/3 -E/ E/3 E/3 Effe du emps mor -E/ Temps (µs) (a) SPWM ST sans compernsaion des emps mors ST avec compensaion des emps mors 6 1k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (b) Figure 4.6 : Forme d'onde de la ension de mode commun sur une période de découpage (a) analyse fréquenielle (b) pour les sraégies SPWM e ST avec e sans compensaion des emps mors pour un foncionnemen à vide [141]

161 V MC (V) V MC (V) i X (A) i X (A) V MC (V) V MC (V) i X (A) i X (A) i A (A) i A (A) Chapire 4 Alors que la SPWM crée une ension de mode commun composée de douze variaions par période de découpage, la ST génère six résidus de ension. Ces derniers son liés d une par aux emps mors non ou mal compensés qui génèren des impulsions de durée proche du emps mor, e d aure par aux commuaions des ransisors qui ne son pas rigoureusemen ideniques. La diminuion de l ampliude de la ension de mode commun, observée en emporel, se confirme dans le domaine fréqueniel par une diminuion globale de l ampliude dans une bande de fréquence allan de 4kHz à quelques MHz. Ainsi, à 15kHz, fréquence qui marque le débu de la norme CEM des émissions conduies, la ST perme une réducion de 15dBµV de l ampliude de la ension de mode commun. Au-delà de quelques MHz, les résulas ne son plus valides du fai que la mesure de la ension de mode commun du variaeur de viesse es obenue à l'aide de rois résisances en éoile pour créer un neure en enrée e en sorie du variaeur (voir paragraphe 1.2). Néanmoins, ce résula confirme l évaluaion effecuée au chapire 3 (paragraphe 3.2) par une reconsiuion des variaions de ension en foncion du couran commué. Résidus de la durée du emps mor (a1) (a2) (b1) (b2) (c1) (c2) (d1) (e1) Temps (s) (d2) (e2) Temps (s) Figure 4.7 : Mesures expérimenales du : (a) couran absorbé par le moeur, (b) couran prélevé au réseau élecrique par l AFE, (c) ension de mode commun sur une période de foncionnemen de l ensemble AFE onduleur, (d) couran prélevé au réseau élecrique par l AFE sur deux périodes découpage, (e) ension de mode commun résulane sur deux périodes de découpage La compensaion des emps mors es basée sur le signe du couran mesuré à chaque débu de période de découpage. Lorsque le moeur es à vide (Figure 4.7.a1), le couran de ligne (Figure 4.7.b1) rese rès faible e ondule auour de zéro rendan ainsi la compensaion des emps mors imprécise (Figure 4.7.d1). Une augmenaion de la puissance consommée par le [142]

162 Ampliude de V MC (dbµv) Chapire 4 moeur («niveau de charge») (Figure 4.7.a2), va enraîner une augmenaion du couran absorbé par l AFE (Figure 4.7.b2) ce qui perme une meilleure compensaion des emps mors (Figure 4.7.d2) car l ondulaion du couran de ligne auour de zéro es moins fréquene. L effe de cee réducion du nombre de résidus (Figure 4.7.e1, e2) sur le conenu specral de la ension de mode commun résulane es donné à la Figure ST à vide ST en charge Effe commuaion k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) Figure 4.8 : Analyse fréquenielle de la ension de mode commun obenue avec la ST pour différens poins de charge du moeur L augmenaion de la charge du moeur a permis de raidir les frons de ension des commuaions TD diminuan ainsi la durée globale des résidus sur une période de découpage par diminuion des cas à cassure de pene. Ce résula es vérifié dans le domaine fréqueniel par une réducion de 3dBµV de l ampliude pour un foncionnemen en charge jusqu à plusieurs cenaines de kiloherz. Au-delà, le dv/d, lorsque le moeur es en charge, es plus imporan donc la durée des commuaions diminue, ceci a pour conséquence l'augmenaion de la valeur de la fréquence à parir de laquelle une décroissance en 4dB/décade es observée sur le specre de la ension de mode commun. Cee augmenaion de la fréquence liée au emps de commuaion implique une décroissance du conenu specral de la ension de mode commun moindre lors d un foncionnemen en charge. En conclusion, nous pouvons dire que la compensaion des emps mors basée sur le signe du couran perme, même si elle es difficile à mere en œuvre lors d un foncionnemen à vide, de réduire significaivemen le conenu specral de la ension de mode commun résulane dans une large gamme de fréquences (de la fréquence de découpage à quelques MHz). Cee compensaion des emps mors a permis une réducion de 7dBµV enre 1kHz e 2kHz, ce qui jusifie bien son inérê. De plus, à la fréquence de découpage enre les sraégies SPWM [143]

163 Tensions commuées (V) Tensions commuées (V) Chapire 4 e ST une réducion de plus d une dizaine de dbµv es observée. Cee valeur es direcemen liée au design du filre CEM e permera une réducion du volume de ce dernier. En revanche, le niveau de perurbaions, el qu il es défini dans les normes es lié aux courans de mode commun Amélioraion de la symérie des résidus de commuaion Nous avons monré au chapire 3 que l augmenaion des viesses des commuaions e de la symérie des résidus perme d'améliorer les performances de la synchronisaion oale. Or lors d un foncionnemen à vide du variaeur de viesse, les courans efficaces absorbés e fournis par l AFE e l onduleur respecivemen son d ampliude différene. Cee différence des courans commués donne ainsi lieu à des résidus issus à la fois de défaus de synchronisme e de symérie (dv/d différens) que nous allons chercher à minimiser Homogénéisaion des dv/d Lors d un foncionnemen à vide, le couran commué par l AFE es faible (moins de 2A eff ) puisque la puissance acive consommée correspond uniquemen aux peres des converisseurs e du moeur. Alors que pour l onduleur, même si le moeur es à vide, ce couran peu aeindre 1A eff pour un moeur capable de délivrer une puissance de 11kW (le couran de magnéisaion du moeur correspond à environ un iers du couran nominal absorbé par le moeur). Il en résule que les commuaions de ype TD de l AFE son globalemen plus lenes que celles de l onduleur. Afin d harmoniser les dv/d pour ce ype de commuaions, nous avons diminué les valeurs des résisances de grille liées aux commuaions TD de l AFE. Cee réducion des résisances es possible puisque celles ci éaien à l origine égales à 22Ω alors que le fabriquan des modules de puissance 48 préconise une valeur minimale à 5Ω. Le choix s es poré sur une résisance de 7Ω qui perme une homogénéisaion des dv/d des commuaions TD de l'afe e de l onduleur (Figure 4.9) même lorsque l ampliude des courans commués es différene Débu commuaion Fin du emps mor.9a.19a.25a.48a.6a.76a 1.A 1.26A 1.44A 1.88A 2.54A Temps (µs) (a) 265 Débu commuaion Fin du emps mor Temps (µs) Figure 4.9 : Formes d'ondes des commuaions ransisor vers diode de l AFE (a) e de l onduleur (b) pour différenes valeurs de couran commué (b).7a.15a.25a.49a.63a.77a 1.5A 1.3A 1.46A 1.89A 2.55A 48 Semikron SKM39AC126V2 [144]

164 Chapire 4 Les résulas obenus monren que pour un même couran commué, les commuaions TD de l AFE son légèremen plus rapides que celle de l onduleur. Cee différence es due à la faible acion de la résisance de grille pour ces niveaux de couran qui représenen moins de 5% du couran nominal des ransisors (15A au maximum à 25 C) 49. Pour les faibles courans, les commuaions TD se résumen à la charge des capaciés parasies du ransisor. En revanche, la réducion de la résisance de grille enraîne un délai de propagaion de la commande plus faible (on supposera qu à =, l ordre logique d ouverure du ransisor issu du DSP es envoyé). Cee réducion enraîne une inhomogénéié des délais de propagaion des ordres de commande des ransisors pour laquelle une compensaion sera nécessaire au risque de déériorer les performances de la ST Symérie des résidus de commuaion L objecif visé es de mieux synchroniser les ordres de commande des ransisors de elle sore à obenir des commuaions synchronisées à la moiié de la ension commuée [Allaer215]. Pour abouir à ce résula, deux opéraions son effecuées : Une synchronisaion du débu des commuaions enre les différens ransisors de chaque bras de l onduleur e de l AFE. Une évaluaion des délais enre débu de la commuaion e la «mi-ension» pour les deux ypes de commuaions (TD e DT) en foncion du couran. - Synchronisme des commuaions L objecif es ici de compenser les différences de reards (Figure 4.1) enre les différenes chaines de commande des ransisors par une mesure du délai enre un ordre de commande en sorie du DSP e la commuaion effecive de la ension du ransisor (ension enre phase e bus coninu). Par ailleurs, les reards liés à l insauraion du couran dans le canal du ransisor lors de commuaions de ype DT ne seron pas pris en compe ici. Commuaion DT Commuaions TD X: 1.14e-6 Y: X: 1.8e-6 Y: x Temps (s) Temps (s) Figure 4.1 : Mesures des reards liés aux délais de la chaîne de commande d un ransisor de l onduleur pour des commuaions de ype TD e DT ( = correspond à l insan où l ordre logique es envoyé) x Les modules son issus d un design préexisan e ne relèven pas d un choix personnel [145]

165 Chapire 4 Le délai de propagaion de chacun des douze ransisors composan la srucure AFE onduleur (Figure 4.11) sera ainsi mesuré pour les deux ypes de commuaion (DT e TD). Variaeur de viesse AFE Bus coninu Onduleur T X T Y T Z T C T B T A X E/2 A Y O B T X T Y T Z Z E/2 C T C T B T A Figure 4.11 : Dénominaion des douze ransisors dans les six bras de la srucure AFE onduleur Ce délai sera ensuie compensé de elle sore que deux commuaions synchronisées débuen en même emps. L ensemble des reards mesurés pour les ransisors de l onduleur (A, A C, B, B C, C, C C ) e de l AFE (X, X C, Y, Y C, Z, Z C ) es donné au Tableau 4.1. Tableau 4.1 : Récapiulaif des délais de propagaion pour chaque ransisor de chaque bras de la srucure onduleur AFE pour les deux ypes de commuaion Bras «k» Délais commuaions DT (µs) Délais commuaions TD (µs) ΔT k ΔT k ΔT k ΔT k A 1,8,98 1,14 1,24 B 1,6,98 1,18 1,2 C 1,4,96 1,22 1,22 X,96,92,62,58 Y,96,9,58,68 Z,96,92,6,62 Ainsi, une méhode de compensaion de ces reards es proposée. Elle s appuie sur le délai le plus imporan, à savoir celui du ransisor T A pour une commuaion TD, de elle sore que oues les commuaions aien lieu avec un délai égal à celui-ci. De plus, ces reards doiven ensuie êre exprimés dans des grandeurs applicables par le DSP, à savoir, des nombres de pas d horloge. Nous avons choisi l horloge maximale fournie par le DSP, à savoir 15MHz, pour réaliser cee compensaion. Le ableau 4.2 fourni le reard relaif ε de chaque ransisor par rappor au plus grand exprimé en nombre de pas d horloge du DSP. [146]

166 Chapire 4 Tableau 4.2 : Ecar relaif des délais de propagaion pour chaque ransisor de chaque bras de la srucure onduleur AFE par rappor au plus imporan exprimé en nombre de pas d horloge du DSP Reards relaifs au bras «k» Reard commuaions DT Reard commuaions TD εt k εt k εt k εt k A B C X Y Z Ces reards son ensuie appliqués aux modulanes uilisées pour le placemen des impulsions. Ces modulanes comparées à une poreuse en den de scie descendane pour lesquelles on idenifie : m qui gère le passage d un éa logique à 1 du signal MLI m qui gère le passage d un éa logique 1 à du signal MLI On va modifier ces deux modulanes pour resynchroniser les commuaions. Cee modificaion es foncion du signe du couran commué (choisi posiif lorsqu il «sor» du variaeur). Il es ainsi possible par la seule connaissance du signe du couran commué de connaîre pour chaque ordre de commande le reard relaif ε à appliquer aux modulanes m e m. Ces reards son donnés au Tableau 4.3. Tableau 4.3 : Aribuion des reards relaifs ε aux modulanes uilisées pour le placemen des impulsions de chacun des bras de l associaion onduleur - AFE Sens du couran I < (mesuré soran) I > (mesuré soran) Modulanes m m m m Types de commuaions TD DT DT TD Bras A Bras B Bras C Bras X Bras Y Bras Z Par exemple, pour synchroniser les commuaions des bras A e X issus d ordres de ype fron monan, si les courans commués des deux bras son négaifs alors la commuaion sera imposée par les ransisors T A e T X e de ype TD. En l absence de compensaion des reards, une désynchronisaion des insans de commuaion apparaî (Figure 4.12.a). Pour compenser ce reard, les valeurs des modulanes m X e m A son réduies de εt A e εt X respecivemen pour des commuaions de ype TD. Cee réducion perme de rearder l ordre de commande des IGBT du bras X e ainsi d obenir des ensions commuées, V AO e V XO pour lesquelles les débus des commuaions son synchronisés (Figure 4.12.b). [147]

167 Chapire 4 PRD PRD m A PRD m X PRD εt X 1 1 Temps mor T A T A 1 1 Temps mor 1 1 Temps mor T X T X 1 1 Temps mor E/2 -E/2 ΔT A V AO E/2 -E/2 ΔT A Commuaions synchrones E/2 -E/2 ΔT X V XO E/2 -E/2 ΔT X (a) (b) Figure 4.12 : Généraion de commuaions sans (a) e avec (b) compensaion des délais de propagaion des ordres de commande exemple enre les bras A e X Les commuaions son ainsi synchronisées par la simple connaissance du signe du couran commué qui comme pour la compensaion des emps mors es inceraine au passage par zéro du couran. - Synchronisme des commuaions à mi-ension L objecif final es une synchronisaion à la moiié de la ension commuée e non pas en débu de commuaion. C es pour cela qu une esimaion du délai enre le débu de commuaion e la mi-ension es nécessaire. Cee esimaion es réalisée pour chaque commuaion (DT e TD) e es foncion du couran commué puisque la forme des commuaions es dépendane du couran commué. Ces reards son nommés ΔT ON_mi-h e ΔT OFF_mi-h respecivemen. La valeur de la moiié de la ension commuée es fixée à 265V puisque le bus coninu E es régulé à 53V. Avec la connaissance de la valeur de la ension commuée, l esimaion des délais à mi-ension es effecuée pour : [148]

168 Tensions commuées (V) Tension commuée (V) Tensions commuées (V) Chapire 4 les commuaions DT (Figure 4.13.a) ideniques pour l AFE e l onduleur : ΔT ON_mi-h = f(i) les commuaions TD de l onduleur (Figure 4.13.b) : ΔT OFF_mi-h_ond = g(i) les commuaions TD de l AFE (Figure 4.13.c) différenes de celles de l onduleur puisque les résisances de grille son différenes : ΔT OFF_mi-h_AFE = h(i) ΔT ON_mi-h 2.62A 1.97A 1.1A.47A Temps (µs) 265 ΔT OFF_mi-h_ond Temps (µs).7a.15a.25a.49a.63a.77a 1.5A 1.3A 1.46A 1.89A 2.55A (a) (b) ΔT OFF_mi-h_AFE.9A.19A.25A.48A.6A.76A 1.A 1.26A 1.44A 1.88A 2.54A Temps (µs) (c) Figure 4.13 : Mesure des durées à mi-ension des commuaions DT (a) des commuaions TD de l onduleur (b) e de l AFE (c) L évoluion de la durée pour aeindre la mi-ension en foncion du couran commué es ensuie déduie des différenes commuaions. Cee évoluion es ensuie reranscrie sous la forme de foncions simples (Figure 4.14) afin de permere leur raiemen par le DSP. [149]

169 T OFF mi-h (µs) T ON mi-h (ns) T OFF mi-h (µs) Chapire 4 35 Mesures Fiing Mesures Fiing y ax bx c y dx 1 c Couran commué (A) (a) Couran commué (A) Mesures Fiing (b) y dx 1 c Couran commué (A) (c) Figure 4.14 : Analyse de l'évoluion de la durée à mi-ension en foncion du couran commué des commuaions DT (a) des commuaions TD de l onduleur (b) e de l AFE (c) Les valeurs des paramères a, b, c des foncions son obenus par fiing e elles son données dans le Tableau 4.4. Le couran, représené par la variable x, dans les courbes de endance de la Figure 4.14 es donné posiif. En praique, on prendra donc la valeur absolue du couran mesuré pour la compensaion de ces délais. Tableau 4.4 : Déerminaion des coefficiens de fiing de la foncion décrivan l évoluion du délai à mi-ension Courbes a [s/a²] b [s/a] c [s] d [As] Figure 4.14.a -9,31x1-11 8,15x1-9 1,71x1-7 Figure 4.14.b 4x1-7 1x1-6 Figure 4.14.c 4x1-7 1x1-6 Ces équaions doiven êre reranscries sous une forme uilisable par le DSP. Pour ce faire, il suffi de muliplier les équaions décries à la Figure 4.14 par la fréquence d horloge du DSP à savoir 15MHz. Les nouvelles valeurs des coefficiens a, b, c son données au Tableau 4.5. [15]

170 Chapire 4 Tableau 4.5 : Déerminaion des coefficiens de fiing de la foncion décrivan l évoluion du délai à mi-ension appliqués au DSP Courbes a b c d Figure 4.14.a -,14 1,22 25,65 Figure 4.14.b 6 15 Figure 4.14.c 6 15 Le choix de la représenaion de l évoluion du délai à mi-ension des commuaions de ype TD par la foncion choisie précédemmen nécessie d en borner les limies car pour une valeur de couran nulle, le délai serai rop imporan. Cependan, l évoluion de la ension pour une commuaion de ype TD après le emps mor (cassure de pene) es imposée par une commuaion de ype DT. Ainsi, par les mesures expérimenales des commuaions réalisées, on peu borner ΔT OFF_mi-h_ond e ΔT OFF_mi-h_AFE par : 2,5 (µs) pour l AFE 375 pas d horloge du DSP 2,1 (µs) pour l onduleur pas d horloge du DSP Puis ces emps seron appliqués à chaque commande des ransisors par une acion sur les modulanes m (Figure 4.15.a) e m (Figure 4.15.b) en foncion du couran commué considéré posiif lorsqu il «sor» du variaeur. Les commuaions son donc synchronisées à la moiié de la ension commuée par la connaissance de la valeur du couran commué e des foncions ΔT ON_mi-h e ΔT OFF_mi-h pour chacun des deux converisseurs. Donc, elle nécessie la connaissance de la valeur du couran au momen de la commuaion ce qui n es généralemen pas mesuré. Seule la valeur du couran à chaque débu de période de découpage es connue pour nore disposiif expérimenal. Nous verrons à la secion suivane en quoi cee imprécision impace la précision des synchronisaions à mi-ension. 5 Cee différence es due au changemen des résisances de grille des commuaions TD de l AFE qui fai que le délai enre le blocage d un ransisor e la mise en conducion du ransisor complémenaire soien plus imporans que dans le cas de l onduleur [151]

171 i commué (A) i commué (A) Tension (V) Tension (V) Chapire 4 PRD m k m k ZRO T k Temps mor T k Temps mor 6 5 Commuaions 6 5 Commuaions 25 T MH emps (µs) 2 T MH Temps (µs) T MH (µs) T MH (µs) T MH (µs) i commué (A) T MH (µs) ΔT OFF_mi-h ΔT ON_mi-h ΔT ON_mi-h ΔT OFF_mi-h i commué (A) (a) (b) Figure 4.15 : Calcul de ΔT MH pour la synchronisaion à mi-ension sur un ordre de commande de ype fron monan (a) e descendan (b) Conséquences sur la ension de mode commun Pour cee validaion expérimenale, l essai es réalisé sur un moeur 4kW couplé à un moeur à couran coninu. Deux poins de foncionnemen son éudiés : Moeur à vide : i AFE_eff = 1,2A e i ond_eff = 4,2A Moeur en charge : i AFE_eff = 4,8A e i ond_eff = 7,3A [152]

172 V MC (V) V MC (V) Ampliude de Vmc (dbµv) Chapire 4 a. Moeur à vide Comme nous l avions fai remarquer aux secions précédenes, un foncionnemen à vide enraînera la consommaion d'un rès faible couran par l AFE (Figure 4.16.a) qui ne sera pas sans conséquences sur la ension de mode commun du variaeur lors d une opimisaion des résidus de commuaions par synchronisaion à mi-ension. 1ms/div 5A/div 1ms/div 5A/div (a) (b) Figure 4.16 : Couran consommé par l'afe (a) e le moeur (b) pour un foncionnemen à vide ST non opim ST opim Temps (s) k 1k 1k 1M 1M Frequency (Hz) (a) (b) Figure 4.17 : Tension de mode commun issue de la ST mesurée sur une période de foncionnemen du variaeur de viesse (a) e analyse fréquenielle (b) pour un foncionnemen à vide Les relevés emporels (Figure 4.17.a) n indiquen pas d amélioraion noable sur la ension de mode commun. Cee observaion se confirme par des enveloppes specrales similaires avec e sans opimisaion des résidus (Figure 4.17.b) sur oue la plage de fréquences observée. Les résulas au-delà de 2MHz ne peuven êre inerpréés vis-à-vis de V MC du fai des moyens uilisés pour réaliser la mesure de la ension de mode commun du variaeur de viesse. 9 8 ST ST opim [153]

173 V MC (V) V MC (V) V MC (V) Chapire 4 b. Moeur en charge Nous avons réalisé des essais avec le moeur en charge. Dans ce cas, le couran de l AFE ne se limie plus à son ondulaion ce qui permera une meilleure esimaion du signe du couran hormis auour des passages par zéro. 1ms/div 1ms/div 5A/div 5A/div (a) (b) Figure 4.18 : Couran consommé par l'afe (a) e moeur (b) pour un foncionnemen en charge 2 1 ST non opim 2 ST non opim ST opim x ST opim Temps (s) Temps (s) x 1-4 (a) (b) Figure 4.19 : Tension de mode commun issue de la ST mesurée expérimenalemen sur une période de foncionnemen du variaeur de viesse (a) e sur une période de découpage (b) pour un foncionnemen en charge Les mesures expérimenales indiquen une réducion imporane de la ension de mode commun grâce à l'opimisaion des résidus. Par observaion des résidus sur une période de découpage (Figure 4.19.b), on peu remarquer que l ampliude de ces derniers a foremen diminuée. Ce résula corrobore la simulaion qui a éé réalisée au chapire 3. L analyse fréquenielle des mesures de ension de mode commun es donnée à la Figure 4.2. [154]

174 Ampliude de Vmc (dbµv) Chapire ST ST opim k 1k 1k 1M 1M Frequency (Hz) Figure 4.2 : Analyse fréquenielle de la ension de mode commun issue de la ST pour un foncionnemen du moeur en charge La réducion de la ension de mode commun observée en emporel se confirme par une réducion de son conenu specral de 5dBµV sur une plage de fréquence allan jusqu à 1MHz. Cee réducion es plus faible que celle obenue par simulaion au chapire 3. Cee différence s explique esseniellemen par une synchronisaion idéale à mi-ension en simulaion alors qu en praique, le bon foncionnemen de cee méhode es condiionné par la connaissance de la valeur exace du couran au momen de la commuaion (Figure 4.21). Cependan, la déerminaion du couran commué serai néanmoins possible par l ajou d un esimaeur du couran insanané duran chaque période de découpage. La connaissance du couran à l insan de la commuaion améliorerai les performances de l opimisaion de la ST en pariculier pour un foncionnemen à vide. Ce esimaeur n a pas éé réalisé lors de ce ravail de hèse mais serai une perspecive inéressane pour l amélioraion des performances de la synchronisaion oale. [155]

175 V MC (V) V MC ond (V) V MC red (V) Chapire Temps (µs) Temps (µs) Temps (µs) (a) (b) (c) Figure 4.21 : Résidus de commuaion dans le cas : une mauvaise compensaion de commuaions TD - DT (a), des emps mors mal compensés, une bonne compensaion de commuaions don l une es à cassure de pene (b), une bonne compensaion de commuaions DT DT (c) Conséquences sur le couran de mode commun Dans cee secion, nous allons évaluer les performances de la ST sur le couran de mode commun. Les mesures son réalisées sur un banc de mesure CEM équipé d un réseau sabilisaeur d impédance de ligne (RSIL). La charge es consiuée d un moeur 4V 11kW foncionnan à vide. La connexion enre le variaeur de viesse e le moeur es réalisée par un câble blindé consiué de quare conduceurs (rois phases e la erre) d une longueur de 5 mères. Variaeur de viesse Réseau N R RSIL i MC X Y Z AFE Onduleur Bus coninu A B C Câble long Moeur N i Capa Terre Figure 4.22 : Représenaion schémaique des poins de mesure du couran de circulaion à la erre Le couran de mode commun es obenu par une mesure des courans des rois phases d enrée du variaeur, i MC, à l aide d une seule sonde à effe Hall 51 (Figure 4.22). La mesure du couran de mode commun pour les deux sraégies de modulaion envisagées (SPWM e ST) es donnée à la Figure Cp15 Lecroy 15A crêe bande passane 1MHz [156]

176 Couran i MC (A) I MC (dbµa) Chapire Sinus ST Temps (ms) 3 1k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (a) (b) Figure 4.23 : Mesure emporelle (a) e analyse fréquenielle (b) du couran de mode commun pour les deux sraégies de modulaion avec un câble de 5m Le couran de mode commun mesuré (Figure 4.24.a) lors de l'applicaion de la ST es d ampliude plus faible que celui obenu avec une sraégie classique (Sinus ou SPWM). Cee réducion se confirme par l analyse fréquenielle de ces courans (Figure 4.24.b). On peu observer une réducion du conenu specral du couran sur une large plage de fréquence (1kHz à 2kHz). Au-delà de quelques cenaines de kiloherz, l analyse fréquenielle n es plus valide car l ampliude des courans mesurés es inférieure au couran minimal mesurable par la sonde de couran uilisée. Si l on se réfère au modèle adopé au chapire 2 - paragraphe 1, en négligean les capaciés parasies enre la erre e le bus coninu, la ension de mode commun générée par le variaeur de viesse es la seule source des perurbaions de mode commun. Celle-ci excie un ensemble de capaciés parasies enre les différens élémens du monage (câble, inducances en enrée du variaeur, moeur) e la erre. Cee exciaion es à l origine du couran de mode commun. Ainsi, oue acion de réducion de la ension de mode commun devrai se répercuer, dans les mêmes proporions, sur le couran. Pour rendre compe de cee réducion du couran e de la ension, un quanificaeur basé sur l aénuaion de la ension ΔV MC db e du couran Δi MC db de mode commun es uilisé. i V db MC db MC i MC _ SINUS V MC _ SINUS (dbµa) i MC _ ST (dbµv) V MC _ ST (dbµa) (dbµv) (Eq 4.3) L aénuaion en couran es comparée à celle en ension pour un câble moeur d une longueur de 5m (Figure 4.24). [157]

177 Chapire (dbµv - dbµa) Couran i Capa (A) V MC I MC k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) Figure 4.24 : Aénuaion de la ension e du couran de mode commun pour les deux sraégies de modulaion avec 5m de câble moeur En praique, on observe une différence d aénuaion (le couran de mode commun es moins aénué que la ension). Cee différence peu aeindre plus de 1dBµA en foncion de la bande de fréquence considérée. Plusieurs effes peuven êre à l origine de cee différence, c es le cas noammen des ransfers de mode 52 [Marlier213] ou encore des chemins parasies jusqu alors négligés. Or, pour définir le généraeur de perurbaions de mode commun qu es la ension, nous avons fai l hypohèse que les capaciés parasies présenes enre le bus coninu e la erre éaien négligeables. Malheureusemen il s avère, après mesures expérimenales, que le couran de circulaion enre la erre e le bus coninu, i Capa, n es pas nul (Figure 4.22). 6 4 Sinus (SPWM) ST i Capa Temps (ms) (a) (b) Figure 4.25 : Disposiif de mesure du couran enre la erre e le radiaeur - chemin capaciif du bus coninu (a) e mesure du couran pour les deux sraégies de modulaion (b) 52 Les ransfers de mode son généralemen des phénomènes haue fréquence (au-delà du MHz), ils ne permeen donc pas d expliquer les différences d aénuaion en deçà du MHz. [158]

178 Couran i MC (A) Chapire 4 Pour nore applicaion, ces capaciés parasies on éé mesurées au banc d impédance (HP4292A) e valen 2,2nF. Les courans circulan dans ces capaciés (Figure 4.25.a) s avèren êre d ampliude similaire à ceux mesurés 53 en enrée du variaeur de viesse (Figure 4.22.a). Le chemin de propagaion décri par les capaciés parasies enre le bus coninu e la erre ne peu donc définiivemen pas êre négligé (Figure 4.25.b). Pour valider cee conclusion, une mesure du couran de mode commun, i MC, es réalisée en déconnecan la erre du variaeur de viesse (Figure 4.26.a). Cee déconnecion se radui par un couran i Capa nul. La mesure emporelle du couran de mode commun ne perme pas de conclure sur la conséquence de la déconnecion de la erre du variaeur de viesse. En revanche, l analyse de l aénuaion du couran de mode commun es devenue similaire à celle de la ension de mode commun (Figure 4.26.b). Ce résula es rès inéressan car il a permis de mere en évidence l'influence des capaciés parasies sur les performances de la ST. 4 2 Sinus (SPWM) ST (dbµv - dbµa) V MC I MC Temps (ms) (a) (b) Figure 4.26 : Mesure du couran de mode commun en enrée du variaeur de viesse sans connexion à la erre (a) Aénuaion du couran par rappor à la ension de mode commun (b) Ces capaciés parasies son direcemen liées à la surface e au nombre de puces dans les modules de puissance. On peu aussi noer que les nouveaux composans à base de carbure de silicium ou de nirure de gallium on des dimensions plus faibles. Ainsi, l uilisaion de ces derniers permerai une amélioraion accrue des performances de la synchronisaion oale. 3. Appors de la ST dans le domaine indusriel -1 1k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) Dans le domaine de la variaion de viesse, les problémaiques indusrielles son muliples. On peu cier noammen : L'influence de la soluion proposée sur le volume du variaeur de viesse e les filres. La réducion des courans dans les roulemens des moeurs riphasés (bearing curren). L'influence de la longueur des câbles enre variaeur de viesse e le moeur sur les aspecs CEM. 53 Mesure réalisée à l aide d une sonde de couran à effe Hall AP15 Lecroy [159]

179 Chapire 4 Les spécificaions CEM se raduisen sous la forme de normes qui imposen le respec d un niveau maximum de perurbaions émis par le variaeur. Ce niveau dépend du couran de mode commun qui évolue en foncion de la longueur du câble enre variaeur e moeur (ce poin sera déaillé dans la secion suivane). Les normes CEM imposen de réduire les perurbaions émises par les variaeurs de viesse à des niveaux inférieurs aux limies normaives. Une des soluions consise à uiliser des filres de mode commun en enrée du variaeur (côé réseau élecrique) pour respecer les normes. L objecif indusriel consise alors à saisfaire aux différenes normes en vigueur ou en limian l ajou de filres volumineux e coûeux Modèle de mode commun simplifié du disposiif expérimenal Afin de rendre compe des variaions des courans de mode commun dans le disposiif expérimenal éudié, un modèle simplifié de l'ensemble (variaeur de viesse, câbles, moeur) a éé développé. La représenaion simplifiée du sysème (variaeur, câble, moeur, ) en mode commun consiserai à modéliser l ensemble des élémens du sysème par des capaciés à la erre (Figure 4.27) : L impédance côé câble e moeur es assimilée à une capacié équivalene C O. Le RSIL es assimilé à une résisance équivalene de 5Ω/3 (en réalié, l impédance du RSIL diminue en deçà du mégaherz). Le chemin parasiique enre le bus coninu e la erre es modélisé par une capacié C b. L impédance enre l'afe e le RSIL es assimilée à une capacié C R. La source équivalene de mode commun du sysème es la conséquence de deux ensions de mode commun V R e V O respecivemen celle générée par l'afe e l onduleur. Le filre CEM e les bobines du filre AC ne son pas modélisées afin de simplifier la représenaion du sysème. Ce modèle permera d'éudier l impac des différens paramères els que la longueur du câble moeur (équivalen à C O ) ou encore les capaciés parasies (C b ) enre le bus coninu e la erre sur le conenu specral du couran de mode commun. V R V O i MC Z RSIL = R C R_1 C phases-erre C R C bus-erre C b C phases-erre C o_1 C o AFE Onduleur Figure 4.27 : Représenaion simplifiée de mode commun d un variaeur de viesse e de son environnemen On en dédui une relaion enre les capaciés parasies du sysème, le couran e les ensions de mode commun de chaque converisseur. [16]

180 Chapire 4 i MC di R( CR Cb CO ) d MC dvo CO d dv d R C b dv d R (Eq 4.4) Ainsi, l'écriure de l équaion 4.4 dans le domaine de Laplace perme de déduire l évoluion fréquenielle du couran de mode commun donnée par l équaion 4.5. I MC ( f ) ( C OV O( f ) VR ( f ) CbVR ( f ) f R( C C C ) 1 R O b f (Eq 4.5) C R équivau aux capaciés parasies des inducances connecées enre l'afe e le RSIL (C R_1 ) ainsi que les capaciés parasies liées aux rois phases du redresseur MLI par rappor à la erre 54 (C phases-erre ). C O représene l ensemble des capaciés parasies du câble e du moeur (C O_1 ) ainsi que les capaciés parasies liées aux rois phases de l onduleur par rappor à la erre (C phases-erre ). C b représene les capaciés parasies du variaeur de viesse enre le bus coninu e la erre (C bus-erre ). On obien les valeurs des différenes capaciés C b, C R e C O comme sui : C C C b 2 O R C C C bus erre phases erre phases erre C C O_1 R_1 (Eq 4.6) Il resera à déerminer les valeurs de C O_1, C R_1, C bus-erre, e C phases-erre qui son obenues à parir des mesures des impédances en mode commun du câble, des modules de puissance e des bobines AC en basse fréquence. Cee fréquence es fixée à 1kHz e l on s assurera que les différenes impédances mesurées raduisen un comporemen capaciif jusqu à 15kHz Mesure des capaciés du câble e du moeur (C O_1 ) La mesure es réalisée à l aide d un analyseur d impédance (HP4292A) pour deux câbles moeurs de longueur respecive 5m e 15m avec e sans moeur connecé. Une représenaion schémaique des mesures de C O_1 es donnée à la Figure Câble long Câble long Moeur Analyseur d impédance Analyseur d impédance (a) (b) Figure 4.28 : Représenaion schémaique de la méhode de mesure de l impédance de mode commun du câble en circui ouver (a) e du câble connecé au moeur (b) 54 La disincion des différenes capaciés parasies d un module de puissance a éé présenée au chapire 1 paragraphe [161]

181 Z( ) Phase ( ) Z( ) Phase ( ) Chapire 4 Les résulas de mesure de l'impédance du câble avec e sans moeur connecé pour deux longueurs 15m e 5m son représenés sur les Figure 4.29 e Figure 4.3 respecivemen X: 1e+4 Y: X: 1e+4 Y: Sans Moeur -8 Avec moeur 1-1 1k 1k 1k 1M 1M 1k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) Fréquence (Hz) (a) (b) Figure 4.29 : Impédance (a) e phase (b) du câble de 15m avec e sans moeur connecé k 1k 1k X: 1e+4 Y: X: 1e+4 Y: k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) -1 1k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (a) (b) Figure 4.3 : Impédance (a) e phase (b) du câble de 5m avec e sans moeur connecé La modélisaion de l ensemble câble + moeur par une capacié équivalene es valable jusqu'à 2kHz, au-delà, des phénomènes de résonnance seraien à prendre en compe. L éude du couran de mode commun, avec les simplificaions effecuées, n es valide que dans une plage de fréquence allan de 4kHz à 2kHz. Le calcul des capaciés parasies équivalenes du câble e du moeur son données au Tableau 4.6. Tableau 4.6 : Déerminaion des valeurs de capacié du câble moeur (5m e 15m) sans e avec moeur connecé 5m 5m + Moeur 15m 15m + Moeur C O_1 (nf) 2,9 16, ,6 La prise en compe du moeur es imporane pour la déerminaion de la capacié parasie, c es d auan plus vrai pour de faibles longueurs de câble car les capaciés parasies de mode commun du moeur son prépondéranes. Cependan cee valeur de capacié ne représene Sans Moeur Avec moeur [162]

182 Chapire 4 qu une parie de C O puisque ceraines capaciés parasies du module de puissance se siuen enre les phases de sorie e la erre Mesure des capaciés d un module de puissance : C bus-erre e C phases-erre Chaque converisseur (AFE e onduleur) es composé d un module de puissance comprenan rois bras (Figure 4.31.a). Ces modules son aussi connecés à un radiaeur don le poeniel es ramené à la erre (Figure 4.31.b). Ainsi, chaque associaion ransisor diode aniparallèle comprend différenes capaciés parasies : Capaciés inrinsèques des semi-conduceurs : C inra Capaciés bus-erre : C bus-erre Capaciés phases-erre : C phases-erre + bus coninu C +bus-erre Phase 1 Phase 2 Phase 3 C inra Radiaeur connecé à la erre C phase3-erre - bus coninu (a) (b) Figure 4.31 : Représenaion d un module de puissance (a), capaciés parasies d une associaion ransisor diode aniparallèle (b) Dans nore cas, seules les capaciés équivalenes enre les rois phases de sorie e la erre ainsi que les capaciés équivalenes enre le bus coninu e la erre nous inéressen. Pour mesurer ces capaciés, nous ferons l hypohèse que le bus coninu es assimilable à un cour-circui (Figure 4.32.a) ; e que les rois phases de sories son aussi en cour-circui. Avec ces hypohèses, nous pouvons ramener le sysème à rois capaciés parasies équivalenes (Figure 4.32.b). Nous sommes donc en présence d un sysème de rois capaciés qu il faudra discréiser. Une soluion consise à uiliser la garde de l analyseur d impédance [Agilen213]. [163]

183 Z( ) Phase ( ) Chapire 4 Bus Garde Phases Terre (a) (b) Figure 4.32 : Capaciés parasies d un bras de module de puissance (a), mesure des capaciés bus-erre avec la garde de l analyseur d impédance La mesure des impédances e des phases de Z bus-erre e Z phases-erre es donnée à la Figure M 1k 1k 1k X: 1e+4 Y: 578 X: 1e+4 Y: 3.523e+4 1k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) -1 1k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (a) (b) Figure 4.33 : Impédance (a) e phase (b) des capaciés parasies du module de puissance sur les rois phases Ainsi, on en dédui les valeurs des capaciés parasies par rappor à la erre d un module de puissance : C bus-erre = 1,1nF e C phases-erre = 451pF (pour une fréquence égale à 1kHz) C bus-erre C phases-erre Mesure des capaciés enre RSIL e variaeur : C R_1 Dans cee éude, on supposera que ces capaciés parasies son dues uniquemen au module de puissance (qui conien les rois bras) de l AFE e aux bobines AC en enrée du variaeur de viesse (deux de 2mH chacune). Une représenaion schémaique du circui de mesure de l impédance d une bobine AC en mode commun es donnée à la Figure Bobines AC Analyseur d impédance Terre Figure 4.34 : Représenaion schémaique de la mesure de l impédance de mode commun d une bobine AC [164]

184 I MC (dbµa) I MC (dbµa) Z( ) Phase ( ) Chapire 4 La mesure de l impédance e la phase en mode commun lorsque les phases son en courcircui par rappor à la erre es donnée à la Figure k 1k 1k 1 1 X: 1e+4 Y: k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (a) (b) Figure 4.35 : Impédance (a) e phase (b) en mode commun d'une bobine AC en enrée du variaeur On en dédui une valeur de capacié C R_1 égale à 1,8nF pour une bobine. Or, le variaeur de viesse es composé de deux bobines en série donc les capaciés à la erre s ajouen e on en dédui une valeur de C R_1 égale à 3,6nF Validaion du modèle -1 1k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) D après les différenes mesures des impédances réalisées précédemmen, l approximaion des couplages à la erre par des capaciés uniquemen n es valide qu en deçà de quelques cenaines de kiloherz. Cee limie correspond à la plage de validié du modèle. Pour la validaion expérimenale, on compare le couran de mode commun obenu avec la formule analyique donnée à l équaion 4.8 e une mesure expérimenale du même couran avec un câble de 5m. Cee comparaison es réalisée pour une sraégie de modulaion de ype sinus ou SPWM (Figure 4.36.a) e la synchronisaion oale (Figure 4.36.b) Inducance diff 11 1 Sraégie sinus Formule analyique Mesure expérimenale 1 9 Sraégie ST Formule analyique Mesure expérimenale k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (a) 2 1k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (b) Figure 4.36 : Comparaison des résulas obenus avec le modèle analyique e de la mesure expérimenale du couran de mode commun pour les sraégies de modulaion SPWM (a) e ST (b) [165]

185 Chapire 4 Quelle que soi la sraégie de modulaion, le modèle analyique reranscri assez fidèlemen les endances du gain obenu sur le conenu specral du couran de mode commun. Au-delà de quelques cenaines de kiloherz, le modèle analyique es moins représenaif de l évoluion réelle du couran du fai des simplificaions apporées (modélisaion des élémens du sysème par des capaciés parasies uniquemen). Ce modèle sera uilisé dans les secions suivanes afin de rendre compe de l évoluion des perurbaions liées au couran de mode commun en foncion de paramères els que la variaion de C O ou encore celle de C b Conraines CEM pour un variaeur de viesse sandard (sraégie de modulaion SPWM) Nous avons vu au chapire 1 paragraphe 3.1 que la mesure des perurbaions conduies es la somme des courans de mode commun e de mode différeniel. Or le couran de mode commun es généré, par l exciaion de capaciés parasies enre câble, moeur, variaeur de viesse, pour lesquelles la longueur du câble enre variaeur de viesse e le moeur va inroduire plus ou moins de capaciés parasies e donc un niveau de perurbaions variable que le filre de mode commun (inducance e condensaeurs C Y 55 ) devra limier (Figure 4.37). i X i Z i Y Figure 4.37 : Inducance de mode commun pour un sysème riphasé Ces filres son esseniellemen dimensionnés par : Le niveau de perurbaions (I MC ) à 15kHz qui perme de déerminer l inducance de mode commun L MC. E, à valeur d inducance donnée, la valeur maximale du couran de mode commun nous fourni l informaion sur le flux vu par la bobine de mode commun Φ e donc le volume de son noyau magnéique. Ce flux es foncion de la ension de mode commun V MC [Fang21]. Ces deux poins seron déaillés dans les secions qui suiven Effe de la longueur du câble moeur Dans cee secion seron présenés l impac de C O don la valeur es foncion de la longueur du câble moeur. Une évaluaion du couran de mode commun à la fréquence de 15kHz a éé 55 Cf. chapire 1 paragraphe [166]

186 Chapire 4 réalisée. Cee valeur es à mere en rappor avec la valeur de l'inducance L nécessaire au filrage des perurbaions de mode commun. Elle se raduira par un nombre de ours (spires de bobinage plus élevé dans le cas d une augmenaion des perurbaions sur I MC [Fang21]. De plus, cee variaion du niveau du couran de mode commun es aussi foncion de la opologie du redresseur choisie (pon de diodes ou AFE) Variaeur de viesse à redresseur non commandé (pon à diodes) Dans ce cas, on peu admere que le redresseur ne paricipe pas à la généraion de perurbaions haue fréquence, d où V R =. L équaion 4.5 es simplifiée à : I MC C C C ) 2f O f V f 2f 1 R( C R b O O (Eq 4.7) Le couran de mode commun es foncion de C O V O en supposan que C b es consane e égal à 2,2nF (correspond approximaivemen à la valeur mesurée expérimenalemen pour le disposiif expérimenal). Ainsi, plus le câble moeur es long, plus sa capacié équivalene à la erre es imporane e plus le couran de mode commun es élevé. Il en résule un besoin de filrage plus grand e donc un filre plus volumineux pour de grandes longueurs de câble moeur Variaeur de viesse à redresseur commandé (AFE) Dans ce cas aucun erme n es négligeable, le couran de mode commun répond donc à l équaion 4.4 pour laquelle ce couran es foncion de C O (V O V R ) mais aussi de C b V R. La valeur de C b variera en foncion de la puissance d'un variaeur de viesse à l aure car les dimensions des puces de silicium augmenen avec la puissance. La valeur de C O es quan à elle oujours foncion de la longueur du câble moeur. Une variaion paramérique de C O e de C b, qui donne le niveau de couran de mode commun à 15kHz, valeur pariculièremen uile ca il s agi du débu de la bande de fréquences considérée par la norme, e qui a un impac sur le dimensionnemen des filres, es donnée à la Figure 4.38 Figure 4.38 : Couran de mode commun à 15kHz pour une variaion de C b e C O dans le cas d un AFE sous sraégie de modulaion SPWM [167]

187 Chapire 4 Le niveau de perurbaions augmene avec la longueur du câble moeur (C O ). Ce résula éai prévisible e confirme les problémaiques indusrielles concernan les grandeurs longueurs de câble ciées en débu de secion. De plus, le niveau de couran de mode commun semble indépendan des capaciés enre le bus coninu e la erre (C b ). Finalemen, dans le cas d un variaeur de viesse avec une sraégie de modulaion classique (SPWM), l efficacié du filre de mode commun es donnée pour une longueur de câble moeur maximale. Si cee longueur augmene, le filre ne limiera plus suffisammen les perurbaions e la norme ne sera plus respecée Sauraion des filres de mode commun Il exise des cas où le filre de mode commun devien complèemen inefficace, on parle alors de sauraion. Ce phénomène es dû à un flux maximal Φ Max vu par le noyau magnéique de l inducance de mode commun. Or, le flux Φ vu par le noyau magnéique de l inducance de mode commun es foncion de l image de la ension de mode commun appliquée à la bobine V MC_bobine. Ainsi, une ampliude faible de la ension de mode commun aux premiers harmoniques de la fréquence de découpage perme de réduire le flux maximal dans le noyau [Fang211] (Figure 4.39.a). Le flux dans cee inducance es donné par (Eq 4.8). 1 VMC_bobine( ) d (Eq 4.8) n Ce flux condiionne le volume du noyau car ce dernier es réalisé de sore à ne pas saurer sous l applicaion de la ension de mode commun V MC_bobine (image de V MC vue de la bobine). V MC V MC E 3 (a) T V MC_bobine Max T (a) (b) Figure 4.39 : Représenaion équivalene en mode commun de la bobine riphasée du filre de mode commun (a) e représenaion de la ension de mode commun e du flux dans le noyau (b) [168]

188 Chapire 4 Ainsi Φ Max es inrinsèquemen lié à la forme de la ension de mode commun, celle-ci pouvan êre alérée par : une réducion de la fréquence de découpage [Dong213]. Une modificaion de la ension du bus coninu E Un déphasage des poreuses des deux converisseurs [Dong213]. On peu noer que dans nore cas, les poreuses son en phase, ce qui représene un cas opimal pour la minimisaion du flux dans la bobine de mode commun avec une sraégie de modulaion de ype SPWM. Une comparaison des flux dans l'inducance de mode commun enre les sraégies de modulaion ST e SPWM sera donnée à la secion suivane Applicaion de la synchronisaion oale Dans cee secion, les deux conraines indusrielles, auour du dimensionnemen du filre de mode commun, expliciées précédemmen seron éudiées dans le cadre de la synchronisaion oale Conraine liée aux grandes longueurs de câble Le couran de mode commun généré par un variaeur de viesse uilisan la ST répond oujours à l équaion 4.4, mais cerains phénomènes inrinsèques à cee sraégie de modulaion son à prendre en considéraion. En l occurrence le erme égal à la différence des ensions V O e V R qui es foremen rédui puisque la ST vise à égaliser ces deux ensions. Ainsi, cerains ermes de l équaion 4.4 peuven êre négligés suivan les cas (équaion 4.9). i MC ( f ) ( C OV O( f ) VR ( f ) CbVR ( f ) f R( C C C ) 1 R O b f (Eq 4.9) A parir de cee équaion, il es possible d inerpréer les résulas obenus au paragraphe 2.4 concernan l effe de la capacié C b. Un premier consa es réalisé par l éude de la foncion de ransfer donnée à l équaion 4.9 : Si alors le couran de mode commun ne dépend que de la différence des ensions de mode commun. Or, cee dernière es réduie par la ST ce qui se radui par une diminuion sur la différence des ensions de mode commun ΔV MC db qui se rerouve inégralemen sur le couran ΔI MC db, même si le chemin capaciif enre bus e erre exise. Si C C O O V O VR CbVR V O VR CbVR, alors le couran de mode commun ne dépend plus uniquemen de la différence des ensions de mode commun (la par de courans de mode commun circulan par le chemin capaciif bus erre devien non négligeable). Donc la ST es moins efficace pour réduire les courans de mode commun. D où une diminuion des ensions ΔV MC db plus imporane que sur les courans ΔI MC db. [169]

189 Chapire 4 Il es donc possible pour une grande longueur de câble de s affranchir de l effe néfase de C b. Pour valider ce consa, une comparaison de ΔV MC db e ΔI MC db es effecuée pour des câbles d une longueur de 5m e 15m (Figure 4.4) avec connexion du variaeur à la erre. 4 4 V MC V MC 3 I MC 3 I MC (dbµv - dbµa) 2 1 (dbµv - dbµa) k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) -1 1k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) Figure 4.4 : Aénuaion du couran par rappor à la ension de mode commun pour un câble moeur de 5m (a) e de 15m (b) issues de mesures expérimenales A 15m de câble, l évoluion de l'aénuaion du couran e de la ension de mode commun es similaire malgré la présence de la capacié parasie enre la erre e le bus. Ce résula confirme la dépendance enre performance en mode commun e la proporion des capaciés parasies C O e C b. D un poin du vue indusriel, cee propriéé es inéressane puisque conrairemen aux sraégies classiques (SPWM, fla op), les performances de la ST semblen d auan meilleures que la longueur du câble augmene. Cee propriéé n es cependan plus valide audelà d une ceraine longueur de câble car même si la capacié C O es exciée par une ension foremen réduie par la ST, elle en demeure non nulle. Ainsi, pour des valeurs de C O rès grandes, le couran de mode commun finira par êre supérieur à la capacié d aénuaion du filre de mode commun. Reprenons l exemple de la Figure 4.24 que l on compare à l analyse fréquenielle du couran de mode commun en enrée du variaeur de viesse pour un câble moeur d une longueur de 5m e 15m (Figure 4.41). [17]

190 I MC (dbµa) I MC (dbµa) Chapire Sinus ST Sinus ST k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (a) k 1k 1k 1M 1M Fréquence (Hz) (b) Figure 4.41 : Analyse fréquenielle de courans de mode commun mesurés pour des câbles moeur de 5m (a) e 15m (b) Le dimensionnemen du filre de mode commun es basé, en parie, sur l ampliude du couran à 15kHz qui marque le débu de la bande de fréquence couvere par les normes CEM conduies 56. Or, on remarque que le niveau à 15kHz du couran de mode commun avec une sraégie de modulaion classique es similaire pour un câble de 5 ou 15m. En revanche, pour la ST, le niveau de perurbaions à 15kHz es plus faible à 15m qu à 5m car le couran circulan par C b es négligeable (Eq 4.8). Quanificaion à l aide du modèle en mode commun Ce résula peu aussi êre mis en lumière par une quanificaion de I MC à 15kHz (poin de dimensionnemen du filre CEM) suivan une variaion paramérique de C O e C b donnés à l équaion 4.8 (modèle simplifié). Les généraeurs de ensions V O e V R seron direcemen les ensions de mode commun mesurées expérimenalemen dans le cas d un foncionnemen à vide du moeur e d une compensaion des emps mors. De plus, l analyse es faie pour deux ensions de mode commun : La première obenue sans opimisaion des résidus de synchronisaion pour un essai à vide La seconde avec opimisaion des résidus (synchronisaion des ensions commuées à la moiié de la ension commuée) pour l essai en charge décri paragraphe Les résulas son donnés à la Figure 4.42 e son à rapprocher de ceux de la Figure Un exemple de norme CEM appliquée à la variaion de viesse es donné au chapire 1 paragraphe [171]

191 Chapire 4 (a) (b) Figure 4.42 : Couran de mode à 15kHz pour une variaion de C b e C O dans le cas d un AFE avec la ST non sans (a) e avec (b) opimisaion des résidus par synchronisaion à mi-ension Tou comme pour la sraégie de modulaion sinus (Figure 4.38), l augmenaion de la longueur du câble moeur enraîne une augmenaion de I MC, mais cee augmenaion es en parie masquée pour des valeurs élevées de C b. E elle es d auan plus maquée que la synchronisaion es opimisée (Figure 4.42.b). L effe de C b es dû, si l on se réfère à l équaion 4.4 à la prédominance de C V V, cee prédominance es d auan C sur V b R plus marquée que le erme V O -V R (erme rédui par la ST) es faible. De plus, par exrapolaion, dans le cas d une synchronisaion parfaie, V V, C O ne se rerouverai O O R O R plus qu au dénominaeur dans l équaion 4.4 e donc le couran de mode commun diminuerai avec l augmenaion de la longueur du câble moeur (Figure 4.43). Revenons au cas de nore disposiif expérimenal pour lequel C b = 2,2nF. Un filre de mode commun, dimensionné pour saisfaire aux normes avec un câble de 5m e une sraégie de modulaion SPWM, serai surdimensionné avec la ST car le niveau de perurbaions relaif es plus faible. Ce résula es monré en Figure 4.43 où la valeur de C O es raduie en longueur de câble moeur équivalene. De plus, le niveau de perurbaions aein avec la SPWM avec 5m de câble n es oujours pas aein pour 15m de câble (au-delà de cee longueur, l hypohèse que le câble soi puremen capaciif en mode commun n es plus ceraine e donc le modèle ne serai plus valide). Finalemen, la ST es rès inéressane puisque, pour 5m de câble moeur par exemple, le dimensionnemen du filre de mode commun (valeur d inducance) sera réduie, e ce filre resera efficace jusqu à plus de 15m Ces affirmaions ne son que l inerpréaion du modèle simplifié décri au paragraphe 3.1. Elles ne son valables à ce ire que pour une approche qualiaive. [172]

192 I 15kHz (dbµa) Chapire Sinus ST ST opimisée ST idéalisée Niveaux de référence sandard pour le dimensionnemen d un filre pour 5m de câble Amélioraion de la qualié des synchronisaions L (m) Figure 4.43 : Couran de mode à 15kHz en foncion de la longueur du câble moeur Réducion du flux dans le noyau magnéique de la bobine de mode commun Nous avons vu au paragraphe que le flux présen dans le noyau magnéique de la bobine de mode commun éai un paramère imporan pour le dimensionnemen du filre. Or du couran de mode commun maximum vu par la bobine, en fréqueniel ce couran peu êre idenifié comme les premières harmoniques auour de la fréquence de découpage (les cinq premières son suffisanes). Il apparai au ravers de la Figure 4.41 qu une augmenaion de longueur du câble moeur n augmene l ampliude de ces harmoniques (4kHz, 8kHz, 12kHz, 16kHz, 2kHz) que dans le cas d une sraégie de modulaion Sinus. Ce résula se radui par un flux vu par le noyau magnéique de la bobine de mode commun qui ne varie pas avec l augmenaion de la longueur du câble (pour les longueurs esées) avec la ST e assurera donc le mainien de ses performances (pas de sauraion). Il es aussi possible de raisonner par l inégrale de la ension de mode commun (Eq. 4.8) générée par le variaeur de viesse (V MC_ond - V MC_AFE ). Une comparaison, en relaif, du flux généré par chaque sraégie de modulaion (SPWM e ST) es ainsi réalisée. Le résula de cee inégrale sur une période de foncionnemen (1ms) es donné à la Figure [173]

193 Chapire (V/s) 1.1 SPWM poreuses en quadraure SPWM poreuses en phase ST Figure 4.44 : Flux en V/s généré par une sraégie de modulaion SPWM à poreuses en opposiion de phase, synchronisées e la ST Le résula es sans équivoque, la ST génère moins de flux que la SPWM (supérieure à un faceur 1), alors même que la synchronisaion des poreuses réduisai déjà foremen le flux par rappor à une sraégie de ype SPWM avec poreuses en opposiion de phase (paragraphe 3.2.2). L uilisaion de la ST permerai donc de réduire le volume du noyau magnéique de la bobine de mode commun par rappor à l uilisaion d une sraégie de modulaion classique de ype SPWM. Afin de valider cee réducion, une mesure du couran de mode commun es réalisée pour deux filres de mode commun 58 placés enre le RSIL e les inducances de l AFE. Nous appellerons ces filres F1 e F2 (Figure 4.45). Les caracérisiques de ces filres son les suivanes : Caracérisiques F1 F2 Volume du noyau magnéique (cm 3 ) Nombre de ours par phase 8 21 Valeur de L MC (à 4kHz) 16mH 26mH 58 Les filres uilisés pour cee validaion son issus de variaeurs de viesse vendus dans le commerce. A ce ire les validaions effecuées ne son que qualiaives. Pour une approche quaniaive un design de filres serai nécessaire pour chaque sraégie de modulaion. Par ailleurs, le filre F2 es conçu pour des courans de ligne plus faibles que le filre F1. [174]

194 Couran i MC (A) Couran i MC (A) Chapire 4 Figure 4.45 : Filres de mode commun uilisés pour la validaion expérimenale La mesure du couran de mode commun es réalisée enre le RSIL e les filres F1 e F2 pour un câble moeur d une longueur de 15m. Les résulas de ces mesures son donnés à la Figure De plus, les mesures effecuées lorsque le filre ne saure pas son ou simplemen inexploiables car seul le brui de mesure es ici observé. Ces mesures n on pour obje que l observaion d une sauraion du filre qui se radui par une élévaion du couran de mode commun en amon du filre (enre ce dernier e le RSIL) Temps (ms) Temps (ms) (a) (b) Figure 4.46 : Couran de mode commun avec uilisaion des filres F1 (a) e F2 (b) On consae que le niveau du couran de mode commun avec l uilisaion du filre F1 es rès faible e semble indiquer que ce filre ne saure pas. En revanche, avec l uilisaion du filre F2, le niveau de I MC croi foremen (x1) alors qu avec la ST le niveau n évolue guère. Ce résula indique une inefficacié du filre F2, de noyau magnéique neemen plus faible que F1, qui peu êre aribué à un phénomène de sauraion de F2. Malgré ou, ces mesures ne permeen pas oalemen de conclure sur l efficacié des filres F1 e F2, puisque les courans de mode commun mesurés à la Figure 4.46.a son d ampliude inférieure au seuil mesurable [175]