1
V.4. Techniques de modulation pour onduleurs multiniveaux
Les méthodes de modulation employées pour l'onduleur multiniveaux peuvent être
classifiées selon la fréquence de commutation, comme représentée sur la figure(V.16).
Figure (V.16) : techniques de modulation pour onduleurs multiniveaux
Les méthodes qui fonctionnent avec de basses fréquences de commutation exécutent généralement
une ou deux commutations des semi-conducteurs de puissance pendant un cycle de la tension de
sortie, produisant des formes d'onde en escalier. On regroupe dans cette famille la commande pleine
onde, les méthodes d’optimisation de la courbe multiniveaux et la technique de minimisation de la
distorsion harmonique totale.
La technique d’optimisation de la courbe de tension multiniveaux, appelée encore modulation par
gradins, est une technique basée sur le calcul des angles de commutations relatifs à la courbe
multiniveaux. Son objectif est d'éliminer certains rangs d'harmoniques.
La technique de minimisation de la distorsion harmonique totale est basée sur le calcul des angles
de commutations afin de réduire au maximum et autant que possible le THD.
Les méthodes qui fonctionnent avec des fréquences élevées de commutation sollicitent les semi-
conducteurs de puissance à commuter plusieurs fois par période de la tension fondamentale.
Une méthode très populaire dans les applications industrielles est la MLI triangulo-sinusoïdale,
utilisée pour réduire les harmoniques de la tension de charge. Son principe repose sur l’intersection
d’une onde modulante basse fréquence dite tension de référence, généralement sinusoïdale, avec une
onde porteuse haute fréquence de forme, généralement, triangulaire. Le résultat de la comparaison de
ces signaux sert à commander l’ouverture et la fermeture des interrupteurs.
Modulateur
multiniveaux
Basse fréquence de
commutation
Fréquences élevées de
commutation (MLI)
Modulation à sélection
d’harmonique à éliminer
MLI traingulo-sinusoïdale
MLI vectorielle (SVM)
Pleine onde
Technique de l’optimisation
de la courbe multiniveaux
Technique de minimisation du
THD
2
Une autre méthode, est la méthode de sélection d’harmoniques à éliminer. Cette technique
MLI consiste à calculer les instants de commutation des interrupteurs au préalable, les
mémoriser et commander ensuite les interrupteurs par un microprocesseur.
Une autre modulation intéressante est la stratégie SVM (Space Vector Modulation), qui a
été employée pour l'onduleur à trois niveaux.
V.5. Principaux avantages de la M.L.I
La modulation de largeur d’impulsion présente les avantages suivants :
- Une bonne neutralisation d’harmonique par rapport aux onduleurs à onde carrée ou en un
seul créneau.
- Elle permet de repousser vers des fréquences élevées les harmoniques de la tension de sortie,
ce qui facilité le filtrage.
- De faire varier la valeur du fondamental de tension de sortie.
- La MLI permet aussi l’alimentation de plusieurs ensembles onduleurs, moteurs asynchrones
à partir d’une même source continue.
V.6. Rappel sur la MLI sinus-triangle
La modulation triangulo-sinusoïdale est appelée également modulation de largeur d’impulsion
intersective puisque son principe repose sur l’intersection d’une onde modulante basse fréquence, dite
tension de référence, généralement sinusoïdale, avec une onde porteuse haute fréquence de forme,
généralement, triangulaire, d’où l’appellation triangulo-sinusoïdale. Le résultat de la comparaison de
ces deux signaux sert à commander l’ouverture et la fermeture des interrupteurs du circuit de
puissance.
Le principe de cette stratégie à deux niveaux (figure I-15) peut être résumé par
l’algorithme suivant :
Si
sinon
1)(
2
tS
Avec : V
ref
désigne la référence et V
p
la porteuse, S
2
(t) est le signal MLI à deux niveaux
résultant de la comparaison :
3
Figure (V.16) : Principe de la technique MLI triangulo-sinusoïdale du signal à deux niveaux
V.6.1. Propriétés
Deux paramètres caractérisent cette commande si la référence est sinusoïdale :
L’indice de modulation m qui définit le rapport entre la fréquence f
p
de la porteuse
et la fréquence f de la référence :
f
f
m
p
,
Le taux de modulation r (ou coefficient de réglage en tension ou encore rapport
cyclique) qui donne le rapport de l’amplitude de la modulante V
refm
à la valeur crête
V
pm
de la porteuse:
pm
refm
V
V
r
.
Si m est assez grand, le fondamental de la tension de sortie est pratiquement égal à la
tension de référence pour r=1, on prend alors :
rUU
2
1
'
1
V.6.2. Algorithme de la stratégie triangulo-sinusoïdale à (N-1) porteuses
L’algorithme correspondant à cette stratégie de commande est la détermination des signaux
intermédiaires S
2i
.
S
2i
: représente les signaux à deux niveaux nécessaires pour la production du signal à N
niveaux, appelés encore les signaux intermédiaires.
2
2
si 1 pour 1,2,..., 1
si 0 pour 1,2,..., 1
refk pi i
refk pi i
V V S i N
V V S i N
Où k=1, 2 ou 3 : représente l’indice ou le numéro de la phase.
4
Plusieurs stratégies de porteuses sont possibles : avec porteuses triangulaires unipolaires,
avec porteuses triangulaires bipolaires et avec porteuses triangulaires en dent de scie. D’après
[3], Les porteuses triangulaires bipolaires sont meilleures que les porteuses unipolaires du
point de vue de la pollution harmonique.
V.6.3. Choix de structure des semi-conducteurs
Les semi-conducteurs les plus couramment utilisés pour réaliser les interrupteurs sont les
transistors de puissance (MOSFET, IGBT, Bipolaires) et les thyristors rapides (principalement les
GTO).
Les progrès technologiques accomplis dans le domaine des transistors de grandes puissances
permettent maintenant de réaliser des onduleurs de forts courant et tension. L’expérience a montré que
l’utilisation des transistors pour la commutation de grandes puissances est assez aisée.
Cependant, pour un thyristor, un circuit auxiliaire peut engendrer des conséquences néfastes,
surtout s’il comporte lui-même un thyristor sur le circuit de commande :
o Faible vitesse de commutation,
o Pertes calorifiques élevées,
o Bruits acoustiques générés sur l’inductance de commutation,
o Encombrement.
Le transistor évite bien ces inconvénients, en plus de ses possibilités à fonctionner à
fréquence de commutation élevée. Toutefois, pour les faibles et moyennes puissances, il est
préférable d'envisager une technologie à transistors plutôt qu’à thyristors malgré toutes les
contraintes qui peuvent découler (fréquence de commutation, circuit d’aide à la commutation,
tenue en tension, etc.…), moyennant quelques précautions ; en l’occurrence, la surveillance
des pertes en puissance dans les transistors aussi bien en conduction qu’en commutation et
veiller à leurs bon refroidissement.
Tandis que pour les puissances supérieures, le thyristor GTO semble être mieux adapté, si
nous prenons en considération certaines analogies vis-à-vis du transistor, qui se favorise, par
rapport au thyristor classique, de l'élimination des circuits d’extinction forcée.
V.6.4. Exemple d'application: Onduleur de tension à trois niveaux à structure NPC:
La structure générale de l’onduleur de tension en pont triphasé de type NPC à trois
niveaux est représentée par la figure (Fig.II.15). L’onduleur est composé de trois bras, chaque
bras est constitué de quatre pairs transistors-diodes qui sont montés en tête bêche et de deux
diodes médianes permettant d’avoir le niveau zéro de la tension de sortie de l’onduleur. Le
point milieu de chaque bras est relié au point milieu de la source continue [26].
5
12
T34
11
T31
10
L33
9
T32
8
T24
7
T21
6
T23
5
T22
4
T14
3
T11
2
T13
1
T12
Vc_ref
Vb_ref
Va_ref
>
>
>
>
>
>
NOT
NOT
NOT
NOT
NOT
NOT
II.6.2.1 Stratégies de commande par modulation sinus-triangle de l’onduleur à trois
niveaux:
Le principe général de la commande par M.L.I sinus-triangle a été introduit dans la
section (V.16). Le schéma de principe de cette technique appliquée à l’onduleur à trois
niveaux est donné par la figure (V.17).
Figure (V.17) : MLI_ST d’un onduleur à trois niveaux à structure NPC.
Pour générer les impulsions de commande MLI-ST de l’onduleur de tensions à trois
niveaux, deux porteuses triangulaires sont nécessaires. Ces porteuses ont la même fréquence
f
p
et la même amplitude U
p
. Ils sont ensuite comparés au signal de référence (sinus)
d'amplitude U
r
et de fréquence f
r
. Chaque comparaison donne 1 si une porteuse est supérieure
ou égale à la référence, 0 dans le cas contraire. Ainsi, Les signaux de commande des
interrupteurs du premier bras : (T
12
, T
13
) et (T
11
, T
14
), du deuxième bras : (T
22
, T
23
) et (T
21
,
T
24
), et du troisième bras : (T
32
, T
33
) et (T
31
, T
34
) sont complémentaires.
6
0 0.005 0.01 0.015 0.02
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
Temps(s)
Porteuses - Tensions de ref (v)
Vp1
Vref1
Vref2
Vref3
Vp2
Figure (V.19) : La tension de sortie d'onduleur à trois niveaux à structure NPC à MLI-ST avec
deux porteuses
Dans ce cours nous avons étudié différentes stratégies de commande triangulo-sinusoidale à
N-1 porteuses à échantillonnage naturel appliquées aux onduleurs multiniveaux cascades.
Les harmoniques de la tension de sortie de l’onduleur triphasé multiniveaux
commandé par la stratégie triangulo-sinusoïdale à N-1 porteuses possèdent de faibles
amplitudes par rapport à celle de la commande triangulo- sinusoïdale à porteuse
unique.
L’utilisation de porteuses en dents de scie permet d’avoir le faible taux d’harmonique
mais avec des harmoniques pairs et impairs
Figure (V.18) : Les trois tensions de référence avec les deux porteuses unipolaires.
7
L’utilisation de porteuses triangulaires donne des tensions de sortie symétriques (pas
d’harmoniques pairs)
L’augmentation de l’indice de modulation « m » permet, les harmoniques non nuls
vers les fréquences élevées et facilite, donc, leurs filtrages. Cependant, on ne peut plus
faire croître ce paramètre indéfiniment. Car il est limité par les temps de commutation
des interrupteurs de l’onduleur et donc par la largeur minimal des impulsions.