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

Belhadj Youssef, Nesrine (2007). Modélisation et commande des redresseurs triphasés fonctionnnant à haut rendement et à faible taux de distorsion harmonique : application au redresseur triphasé de Vienne. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les problèmes de la qualité de fonde électrique constituent l'une des préoccupations majeures des fournisseurs de l'énergie et des organismes spécialisés en qualité d'énergie. Ce sujet a gagné davantage d'ampleur avec l'utilisation ascendante des convertisseurs de l'énergie électrique dans la majorité des applications industrielles et domestiques. Dans le cadre de cette thèse, on s'intéresse plus particulièrement au type des convertisseurs continu/alternatif dont le fonctionnement adéquat implique la parfaite régulation du bus DC de tension, l'atténuation des harmoniques de courants, la compensation de l'énergie réactive et la maximisation du rendement énergétique. Ces différents critères doivent être maintenus pour diverses conditions de fonctionnement, c'est-à-dire indépendamment des variations paramétriques auxquelles le système peut être sujet. 11 s'avère donc indispensable d'adopter des techniques de commande efficaces, ce qui passe par une modélisation correcte du convertisseur.

On se propose, en un premier temps, de mettre en place une plate-forme expérimentale pour la validation des différents concepts théoriques proposés. Pour ce faire, on a conçu et mis en oeuvre un redresseur triphasé non polluant de 1.5 kVA, alimentant des charges purement résistives. Une étude comparative de différentes topologies non polluantes nous a incité à choisir le redresseur triphasé trois-nivaux à trois interrupteurs, communément connu sous le nom "convertisseur de Vienne". Le choix de cette topologie a été motivé par ses avantages point de vue simplicité de circuiterie, rendement énergétique élevé et très hautes performances pour la correction de facteur de puissance. L'approche de design proposée dans ce travail est générale, et peut être facilement adaptée à des prototypes de plus grande puissance.

La deuxième étape consiste à caractériser le plus précisément possible les dynamiques du convertisseur. La technique de la moyenne sur une période de commutation est alors utilisée pour développer le modèle d'état moyen du convertisseur. Le modèle ainsi obtenu présente de très fortes variances dans le temps, le rendant difficiles à exploiter pour des fins de commande. Une transformation adéquate des rapports cycliques, ainsi que l'expression des variables d'état instantanées dans le repère synchrone dqo, permettent de résoudre cet inconvénient. Par la suite, le modèle moyen obtenu est utilisé pour dériver le modèle statique (au point de foncfionnement nominal) et le modèle en régime de pefits signaux.

Ces différents modèles du convertisseur sont validés en temps réel sur le prototype expérimental,
moyennant la carte de commande DSI 104 de dSPACE® et l'environnement Real-Time Workshop de Matlab. Les oufils de validation du modèle moyen sont basés sur l'analyse des trajectoires dans le plan de phase et des réponses temporelles. Pour le modèle fréquentiel, on utilise la fameuse technique de perturbation en petits signaux et les diagrammes de Bode.

Une fois la fiabilité des modèles proposés est prouvée, on procède à la conception des lois de commande. Dans ce contexte, deux avenues sont empruntables: soit une technique de commande linéaire utilisant le modèle linéaire invariant dans le temps du convertisseur, soit une technique de commande non-linéaire, conçue sur la base du modèle d'état moyen. Pour la première approche, on se propose d'étudier les performances d'un nouveau concept, qu'est la commande quasi-linéaire. Cette technique présente plusieurs atouts, tels que sa simplicité de conception et d'implantation, mais présente également les limitations des techniques de commande linéaires. Ces dernières sont particulièrement mises en évidence lors de régimes de fortes perturbations. Des stratégies de commande non-linéaire et non-linéaire adaptative sont alors proposées, et permettent d'améliorer les dynamiques transitoires du système.

La synthèse des différentes lois de commande proposées permet de conclure que les techniques non-linéaires sont incontestablement les plus robustes face aux diverses perturbations. Cependant, ils requièrent des efforts de mesure assez élevés. La réduction du nombre de capteurs dans le circuit apparaît donc comme une nouvelle préoccupation à prendre en compte. On propose alors de reconstruire numériquement les tensions AC et DC du convertisseur, utilisant un observateur non-linéaire de type filtre de Kalman étendu. Les variables estimées sont ensuite utilisées à la place de leurs contreparties mesurées pour réimplanter la commande non-linéaire. Les résultats obtenus sont assez satisfaisants.

Titre traduit

Modelling and control of three-phase rectifiers operating at high efficiency and low total harmonic distorsion: application to three-phase vienna rectifier

Résumé anglais

The problems of electric waveform quality constitute one of the major preoccupations of energy distributors and specialized organisms in power quality issues. This topic has gained more and more interest with the ascending use of power converters in almost industrial and domestic applications. In this thesis, the main interest is oriented to AC/DC converters, that adequate operation implies perfect regulation of the DC bus voltage, attenuation of current harmonic emission levels, compensation of reactive power and maximization of energetical efficiency. These different criteria should be maintained for diverse operating conditions, i.e. independently of parametric variations to which the system may be subject. It is, therefore, necessary to adopt efficient control techniques, which imperatively requires a correct modeling of the converter.

First, an experimental platform is put in place for the practical validation of the proposed theoretical concept. For this aim, we have designed and developed a 1.5 kVA three-phase power factor correction switched-mode rectifier, feeding purely resistive loads. A comparative study of different PFC-SMR topologies incited us to choose the three-phase/level/switch rectifier, commonly known as "Vienna converter". The choice of such a topology has been motivated by its advantages point of view simplicity of circuitry, high efficiency and very good performance in power factor correction. The proposed design approach is general, and may be adapted to higher rated power prototypes.

The second step consists of characterizing the most precisely possible the converter dynamics. The averaging technique is, therefore, used to develop the state-space model of the converter. The resulting model presents important variations into time, thus being hard to exploit for control design purposes. An adequate transformation of duty cycles, added to the expression of instantaneous state variables in the synchronous reference frame dqo allow overcoming this inconvenience. After that, the obtained averaged model is used to derive both static model (at the nominal operating point) and the small-signal model. These different converter models are validated in real-time on the experimental prototype, by means of the controller board DS 1104 of dSPACE® supported by the environment Real-
Time Workshop of Matlab. The validation tools of the large-signal model are based on the analysis of phase-plane trajectories and time responses. Regarding the frequency model, we have used the famous small perturbation technique and the Bode diagrams.

Once the reliability of the proposed models is proved, we proceed to the design of control schemes. In this context, two avenues are possible: the use of linear control techniques based on the linear time invariant version of the converter model, or the use of nonlinear control technique based on the averaged model of the converter. Regarding the first approach, we opted for the study of a new concept, which is the quasi-linear control. This technique presents several advantages, such as its simplicity of design and implementation, but presents also the same limitations as other linear techniques in controlling nonlinear systems. The latter are especially put into evidence during severe perturbations regimes. Nonlinear and nonlinear adaptive control strategies are, then, proposed thus improving the transient dynamics of the system.

The synthesis of the different proposed control schemes leads to conclude that the nonlinear techniques are definitely the most robust face to various disturbances. Hence, they prove to request a high sensing effort. Consequently, the optimization of the sensors number in the experimental circuit appears as a new preoccupation to take into account. The proposed solution is the numerical reconstruction of the converter AC and DC voltages, using an extended Kalman filter as nonlinear observer. The estimated variables are, thereafter, used instead of their measured counterparts to re-implement the nonlinear control scheme. The obtained results are very satisfactory.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie" Bibliogr : f. [309]-319.
Mots-clés libres: ac, adaptatif, application, capteur, commande, compensation, convertisseur, dc, distorsion, etendu, experimental, filtre, harmonique, haut, kalman, modelisation, montage,numerique, non-lineaire, quasi-lineaire, reconstruction, redresseur, rendement, tension, topologie, triphase, vienne
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Al-Haddad, Kamal
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Kanaan, Hadi-Y.
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 02 août 2010 15:12
Dernière modification: 05 nov. 2016 00:30
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/244

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