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Contribution à la modélisation et au réglage des redresseurs triphasés non polluants unidirectionnels de type élévateur et à fréquence de commutation fixe

Kanaan, Hadi (2002). Contribution à la modélisation et au réglage des redresseurs triphasés non polluants unidirectionnels de type élévateur et à fréquence de commutation fixe. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L'utilisation des redresseurs triphasés non polluants pour la conversion alternatif-continu de l'énergie électrique est actuellement en pleine croissance. Bien que ces dispositifs soient très performants en termes de qualité d'onde du réseau et de régulation de tension côté continu, un problème se pose au niveau de leur commande. La technique des bascules à hystérésis est assez répandue en pratique, ceci étant dû surtout à sa simplicité d'implantation. Toutefois, le fait que la fréquence de commutation propre à ce type de commande dépend considérablement des paramètres du convertisseur, de ses conditions d'opération et du temps rend cette commande moins préférable vis-à-vis d'une autre technique dite à Modulation de Largeur d'Impulsions (MLI). Celle-ci se caractérise, en effet, par une fréquence de commutation fixe, et assure ainsi au convertisseur un haut degré de fiabilité et de performance en terme de qualité d'onde.

La mise en oeuvre d'un système de réglage basé sur une commande de type MLI nécessite, en principe, la connaissance d'un modèle mathématique assez précis du convertisseur. De tels modèles sont actuellement disponibles pour des classes particulières de convertisseurs, notamment les hacheurs et les redresseurs bidirectionnels. Dans le présent recueil, la modélisation d'une autre famille de redresseurs, de type unidirectionnel, est proposée. Deux topologies sont choisies à cet égard. Il s'agit, d'une part, du redresseur à injection de courant et, d'autre part, du redresseur à trois interrupteurs et trois niveaux, dit de Vienne. Ces topologies se distinguent, toutes les deux, par un nombre réduit de composants actifs, une simplicité de commande, un faible coût, une robustesse et un rendement énergétique élevés.

Le procédé de modélisation utilise l'approche de la moyenne à l'échelle d'une période commutation. Les modèles moyens ainsi obtenus sont ensuite utilisés dans l'élaboration systématique des lois de réglage appropriées. La validité des modèles et des lois commandes associées est vérifiée numériquement à l'aide d'outils de simulation.

Le présent recueil est divisé en cinq chapitres. Dans le chapitre 1, une revue bibliographique des principales topologies de redresseurs non polluants est effectuée, et l'avantage des structures triphasées unidirectionnelles est souligné. Dans le chapitre 2, une analyse comparative des techniques de commande, de réglage et de modélisation est présentée. Dans le chapitre 3, un système de réglage linéaire associé à un redresseur monophasé à deux étages est conçu. Les performances dynamiques du système, ainsi que son impédance d'entrée et sa susceptibilité, sont également analysées. Le chapitre 4 est consacré à la modélisation et au réglage du redresseur à injection de courant. Le modèle du convertisseur est validé numériquement et expérimentalement. Finalement, une modélisation et un réglage non linéaire du redresseur de Vienne sont proposés au chapitre 5. Les performances du système sont vérifiées numériquement.

Titre traduit

A contribution to the modeling and control of unidirectional fixed-switching-frequency unity-power-factor boost-type three-phase rectifiers

Résumé anglais

Three-phase AC-to-DC converters are increasingly designed to ensure a high power quality and a good DC voltage regulation performance. Nevertheless, problems related to their control process still exist. Although the hysteresis-based control is widely used in power electronics applications, it suffers from major drawbacks due to the dependency of the switching frequency on the system parameters, the operating conditions and time. Another control approach known as the Pulse-Width-Modulation
(PWM) technique offers a fixed-switching-frequency operation and appears, therefore, more suitable for these applications. Nevertheless, its implementation requires basically the knowledge of a mathematical model that represents accurately the converter. The availability of such models is yet limited to DC-DC and AC-DC bidirectional converters. This thesis extends well-known modeling techniques, using averaging approach, to unidirectional three-phase rectifiers. For this purpose, two topologies are considered: the current injection rectifier and the three-switch three-level rectifier. These topologies are characterized both by a low number of active switches, simple control, low cost, high robustness and high efficiency.

Systematically designed control laws, given by the well-developed control theory, are then applied to the proposed models. The validity of the models and the performance of the control system are verified either numerically, using computer simulation tools, or experimentally through real-world measurements.

This report is divided into five chapters. In chapter 1, a review of the most popular high power quality boost-type rectifiers is presented, and the advantages of the unidirectional three-phase topologies are emphasized. In chapter 2, a comparative study of control techniques, control laws and modeling approaches is elaborated. In chapter 3, a linear control scheme is developed for a two-stage single-phase boost rectifier. The performance of the converter in the steady state and transient regimes is analyzed. The input impedance and audio-susceptibility of the converter are also computed and analyzed. In chapter 4, the modeling of a current-injection three-phase rectifier is proposed. A small-signal representation is developed and the corresponding transfer functions are computed and validated, firstly, by numerical simulations using the Power System Blockset of Matlab/Simulink and, secondly, through experimental results obtained from a 2 kW-laboratory prototype. The proposed model is then used in the design of several control schemes, which are implemented separately. A comparative evaluation of the applied control laws shows the superiority of the nonlinear multiple loops approach over the other ones. Finally, in chapter 5, a new modeling approach and a nonlinear control scheme are proposed for the three-switch three-level three-phase rectifier. The performance of the controlled converter is analyzed numerically.

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.: p. [334]-343.
Mots-clés libres: Commutation, Convertisseur, Elevateur, Fixe, Frequence, Modelisation, Non, Polluant, Redresseur, Triphase, Unidirectionnel
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Al-Haddad, Kamal
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 12 mai 2011 20:19
Dernière modification: 14 oct. 2016 01:09
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/810

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