Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section d'électricité, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire d'électronique industrielle LEI)

Convertisseurs multiniveaux asymétriques alimentés par transformateurs multi-secondaires basse-fréquence : réactions au réseau d'alimentation

Song Manguelle, Joseph ; Rufer, Alfred (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3033.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    In the last years, static power converters have become widely used in various applications. They can be found in domestic applications, railways, urban and ship transport, and even in several industrial systems. Some of these applications require a high or medium voltage power supply that is easily adjustable while providing good spectral performances. To overcome the maximum blocking voltage limits of the main power switches, multilevel techniques and other new power conversion topologies have been developed. They are series/parallel associations of existing power semiconductors, and allow generating an output voltage with many levels. The number of power semiconductors needed in these topologies increases as the number of levels increases. The power converter circuit becomes more complex and its reliability decreases. This thesis focuses on three-phase multilevel converters based on a series connection of single phase inverters (partial cells) in each phase. It's shown that, feeding partial cells with unequal DC-voltages (asymmetric feeding), increases the number of levels of the generated output voltage without any supplemental complexity to the existing topology. Voltage resolution is increased through interpolating the generated output voltage phasor (three phase voltage in α-β frame). This is achieved by seeking the non redundant switching states of the power switches. The resultant converter can generate a very high resolution voltage phasor up to the possible maximum resolution. This approach is generalized for any number of partial cells. Each partial cell is fed through a three-phase diode rectifier, fed itself through the windings of a multi-secondary low frequency power transformer. From analytical expressions in continuous and discontinuous current conix duction modes, it is shown that, from a supply network point of view, a symmetrical multilevel converter has a smaller total harmonic distortion than an asymmetrical multilevel converter with the same number of partial cells per phase. An asymmetrical multilevel converter is not more interesting than a classical three-phase converter, but its total harmonic distortion is compatible to the recommended IEEE std 519-1992. It is also shown that the advantages of an asymmetric multilevel converter from a load point of view (generation of a high resolution voltage phasor, possibility to choose the number of redundant switching states, reduction of the number of power semiconductors for the same voltage resolution, flexibility for the DC-voltage feeding choice) and the advantages of a symmetrical multilevel converter from a supply network point of view (smaller total harmonic distorsion) can be combined. Simulation results and the experimental test setup showed the reliability of the suggested approach.
    Résumé
    Ces dernières années, des convertisseurs statiques sont de plus en plus exploités dans des applications diverses. On les retrouve dans des applications domestiques, le transport ferroviaire, urbain ou maritime, et même dans plusieurs industries. Certaines d'entre elles exigent une alimentation électrique à haute ou moyenne tension, facilement réglable et ayant de bonnes performances spectrales. Pour contourner la limitation en tension de blocage des principaux interrupteurs de puissance, de nouvelles techniques dites multiniveaux ainsi que de nouvelles topologies de convertisseurs ont été développées. Celles-ci sont une association série-parallèle des semi-conducteurs existants. Elles permettent de générer plusieurs niveaux de tension à la sortie du convertisseur. Le nombre de semi-conducteurs nécessaires à la réalisation de ces topologies augmente avec le nombre de niveaux désirés. La complexité de leur structure s'en trouve augmentée et leur fiabilité réduite. Cette thèse est focalisée sur l'étude des convertisseurs multiniveaux triphasés dont la topologie est basée sur la mise en série de plusieurs onduleurs monophasés (cellules partielles) sur la même phase. Elle montre qu'en alimentant les cellules partielles par des tensions continues de valeurs différentes (alimentation asymétrique), il est possible d'augmenter le nombre de niveaux à la sortie du convertisseur, sans complexité supplémentaire à sa structure. Elle exploite la possibilité d'interpolation de la résolution du phaseur spatial de la tension à la sortie du convertisseur (tension triphasée ramenée dans le référentiel α-β), en recherchant la non-redondance des états d'enclenchement des semi-conducteurs de puissance. Le convertisseur génère ainsi une tension à très forte résolution, voire à résolution maximale. Cette approche de solution est généralisée à un nombre quelconque de cellules. Chaque cellule partielle est alimentée par un redresseur triphasé à diodes, lui-même connecté à un des multiples secondaires d'un transformateur basse fréquence. A partir des expressions analytiques établies pour des régimes de conduction continue et intermittente, il est montré qu'un convertisseur symétrique produit un courant au réseau ayant moins d'harmoniques qu'un convertisseur asymétrique. Ce dernier n'est pas plus intéressant côté réseau qu'un convertisseur triphasé classique, mais ses harmoniques de courant restent compatibles avec le standard IEEE-519-1992. Il y est montré qu'on peut combiner les avantages côté charge d'un convertisseur asymétrique (génération d'une tension à forte résolution, choix du nombre d'états redondants, réduction du nombre de semi-conducteurs de puissance pour une même résolution, flexibilité dans le choix des solutions d'alimentation) et ceux d'un convertisseur symétrique côté réseau (courant ayant un faible taux de distorsion harmonique). Des résultats de simulation et des tests effectués sur un prototype expérimental attestent de la fiabilité de la démarche adoptée.