EL JIHAD Hamza

Le développement et la disponibilité des composants d’électronique de puissance, en moyenne tension, ont permis à l’industrie de développer des entrainements électriques de grande puissance, à offrir des équipements plus performants avec une meilleure qualité du signal, engendrant moins d’harmoniques sur les réseaux et moins de vibration dans les machines électriques. Les composants de puissance (IEGT), utilisés dans les entrainements à Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI), sont limités en courant (autour de 2000A), l’augmentation de la puissance est alors obtenue par l’augmentation de la tension, soit par mise en série des composants, soit par augmentation des niveaux de la topologie de l’onduleur MLI. La mise en série des composants ne change pas le modèle comportemental du convertisseur, les harmoniques générés sont indépendants du niveau de tension et les techniques de commande restent identiques, seul la procédure d’équilibrage des tensions aux bornes des composants en série devient plus complexe. L’augmentation des niveaux de la topologie de l’onduleur MLI donne a priori un signal de sortie de meilleure qualité : échelons de tension plus faibles avec un meilleur Taux de Distorsion Harmonique (THD). Cependant la répartition des harmoniques du signal de sortie change, avec l’apparition de rangs d’harmoniques à des fréquences, parfois indésirables, pénalisant ainsi la topologie 5 niveaux comparée à une topologie 3 niveaux dans les architectures d’entrainements électriques de grande puissance. Dans le cadre de cette thèse nous nous attaquons à cette problématique complexe, profiter des avantages de la topologie Onduleur 5-niveaux, et réduire, voire annuler les inconvénients engendrés. Cette optimisation est basée essentiellement sur l’amélioration des techniques de commande des onduleurs 5 niveaux, d’une part, et l’établissement des règles de dimensionnement et de "design" des architectures d’entrainements électriques à base d’onduleurs 5-niveaux de grande puissance d'autre part. Le compromis coût/fiabilité/performances sera utilisé pour comparer les architectures 3 et 5 niveaux. Dans un premier temps le candidat étudiera l’état de l’art sur la commande et le dimensionnement des onduleurs 5-niveaux. Puis il étudiera les architectures 3-niveaux, elles serviront de référence par la suite pour l’étude comparative des architectures 3-niveaux/5niveaux. Ensuite une étude approfondie sur l’impact des composants (Capacité du bus, IGBT,..) et les techniques MLI, sur les performances et les avantages de l’onduleur 5-niveaux, sera établie pour clarifier les axes d’améliorations, et proposer des solutions concrètes. Les simulations de l’ensemble serviront d’outil d’évaluation de ces solutions. Enfin, l’implantation de ces solutions sur un banc d’essais ou un Simulateur Temps réel, et l'analyse technico-économique valideront ces études. Position de la problématique chez GE PC : General Electric Power conversion (GE PC) développe les entrainements électriques à MLI, à forte puissance depuis plus de 30ans, vers la fin des années 90 est développé le VDM6000, un onduleur 4 niveaux 3,3kV 4MW, avec la topologie capacités flottantes, dite "Foch-Meynard". Ce "drive" a eu un grand succès, 120 unités ont été installées entre 1999 et 2004. Il est surtout connu pour sa qualité et sa forme d’onde de sortie, très faible THD. En 2004 le développement de la Gamme MV7000, en 3 niveaux NPC (neutral Point Clamped) ensuite topologie NPP (Neutral Point Piloted), a permis d’appliquer les onduleurs MLI à des entrainements électriques plus puissants et plus hauts en tensions de sortie, cette gamme d’onduleur s’étend de 3 à 27MW, 3 à 9kV en mono-onduleur. En les mettant en parallèle, le plus grand drive installé est de 61 MW 9kV. Récemment GE PC a développé un onduleur 5 niveaux, une combinaison de la topologie capacités flottantes et la topologie NPP, appelé U-wave. Cet onduleur est promu pour délivrer une onde de sortie plus propre que le VDM6000 et de monter davantage en puissance et en tension. Il est annoncé en mono-onduleur à 36MW - 13,8kV en sortie. Un prototype est déjà en test chez PC France. Si la topologie du point de vue électronique de puissance est maîtrisée, la manière de piloter ce convertisseur et son intégration dans un système de puissance nécessitent des études approfondies. En particulier, • la gestion de ses harmoniques de sortie, la possibilité de les réduire et de les déplacer par la commande, afin d’optimiser le dimensionnement des autres composants, tels les filtres harmoniques, • l'étude de son comportement transitoire : gestion de ses tensions internes et l’influence sur la dynamique globale d’un entrainement électrique à base du U-wave.