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Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Cet article fait le point sur trois grandes familles de nouvelles solutions numériques et leur contribution dans la commande moderne des convertisseurs d'électronique de puissance. La première famille inclut les solutions numériques logicielles telles que les microcontrôleurs ou les contrôleurs à base de DSP. La deuxième famille inclut les solutions numériques matérielles telles que les FPGA ou les ASIC. La troisième famille inclut les solutions numériques hybrides, combinant les solutions numériques logicielles et matérielles. Les avantages et inconvénients de chacune des solutions numériques sont présentés et discutés. Les méthodologies de développement associées à ces différentes solutions numériques et dédiées à l'implantation d'algorithmes de commande de convertisseurs d'électronique de puissance sont présentées et détaillées.
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This article focuses on the contribution of new digital solutions for the modern control of power converters. For this purpose, the digital solutions are classified into three families. The first one includes software digital solutions such as microcontrollers or DSPs (Digital Signal Processors). The second one includes hardware solutions such as FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) or ASICs (Application Specific Integrated Circuits). The third family includes hybrid digital solutions that combine software and hardware digital solutions. The features and drawbacks of each digital solution are presented and discussed. The design methods associated with these digital solutions and dedicated to the digital implementation of power converter control algorithms are also presented and detailed.
Auteur(s)
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Meriem MERAI : Étudiante doctorante - Ingénieur en génie électrique Université de Tunis El Manar, École nationale d'ingénieurs de Tunis, Laboratoire de systèmes électriques, LR11ES15, Tunis, Tunisie
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Mohamed Wissem NAOUAR : Docteur - Ingénieur en génie électrique - Maître assistant à l'École nationale d'ingénieurs de Tunis Université de Tunis El Manar, École nationale d'ingénieurs de Tunis, Laboratoire de systèmes électriques, LR11ES15, Tunis, Tunisie
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Eric MONMASSON : Professeur des universités Université de Cergy Pontoise, Laboratoire SATIE-IUP GEII, Cergy-Pontoise, France
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Ilhem SLAMA-BELKHODJA : Professeur des universités Université de Tunis El Manar, École nationale d'ingénieurs de Tunis, Laboratoire de systèmes électriques, LR11ES15, Tunis, Tunisie
INTRODUCTION
Les convertisseurs d'électronique de puissance sont couramment utilisés dans diverses applications pour contrôler et gérer le flux d'énergie électrique . Parmi ces applications, nous citons les véhicules électriques, la traction électrique, les avions « plus électriques » et les microréseaux intégrant des générations distribuées à base de systèmes d'énergie renouvelable (les générateurs éoliens, photovoltaïques, biomasses, etc.). Dans toutes ces applications, le rôle des convertisseurs est primordial vu qu'ils permettent, à travers des contrôles appropriés, de transformer l'énergie électrique d'une forme à une autre tout en contrôlant sa direction et ses caractéristiques.
Les principaux défis des commandes modernes de convertisseurs d'électronique de puissance se résument aux points suivants :
-
une gestion efficace du flux d'énergie électrique et de ses caractéristiques (forme d'onde des tensions et courants, facteur de puissance, taux de distorsion harmonique noté TDH...) ;
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une réduction du coût ;
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la fiabilité de fonctionnement (tolérance aux défauts et continuité de service) ;
-
la précision des contrôles (le système répond avec précision aux consignes de référence) ;
-
la possibilité d'ajout de fonctions auxiliaires outre les fonctions basiques de contrôle en vue de contribuer au support du réseau électrique .
Répondre efficacement à ces contraintes et défis dépend essentiellement :
-
du contenu algorithmique implanté ;
-
des capacités de calcul et d'intégration de la cible numérique utilisée ;
-
de la précision des mesures fournies par la partie interface puissance/commande, notamment par rapport à la pleine échelle des convertisseurs A/N utilisés.
Ainsi, la solution utilisée pour implanter l'algorithme constitue un élément clé pour garantir les performances de contrôle souhaitées. Comme mentionné précédemment, la majorité des solutions utilisées comme support pour implanter les algorithmes de commande sont des solutions numériques vu les avantages qu'elles procurent (immunité numériques vis-à-vis des perturbations, flexibilité de modification...). Depuis leur introduction au marché pendant les années 1970, les solutions numériques ne cessent de progresser en termes de capacités de calcul et d'intégration. Avec la révolution technologique en électronique numérique, certaines limites qui caractérisaient l'utilisation des solutions numériques (délais dus au temps de calcul, utilisation de format virgule fixe...) ont été récemment contournées. En effet, les nouvelles solutions numériques sont devenues bien plus rapides avec une plus grande capacité de calcul et d'intégration.
Cet article a pour objectif essentiel de mettre en évidence les apports et la contribution des nouvelles solutions numériques utilisées de nos jours dans le pilotage des convertisseurs d'électronique de puissance, tout en spécifiant leurs avantages et inconvénients ainsi que leur aptitude à répondre aux contraintes et défis de contrôles modernes. Pour ce faire, les solutions numériques ont été répertoriées en trois grandes familles :
-
les solutions numériques logicielles (les microcontrôleurs et les contrôleurs à base de DSP) ;
-
les solutions numériques matérielles (FPGA, ASIC...) ;
-
les solutions numériques hybrides.
Des méthodologies de développement standards et dédiées à l'implantation d'algorithmes de commande de convertisseurs d'électronique de puissance sont aussi présentées et détaillées. L'objectif de ces méthodologies étant de réduire le temps de développement (communément appelé « time to market ») et de faciliter le processus d'implantation en le rendant plus automatisé et moins intuitif.
Cet article est subdivisé en quatre parties. La première partie porte sur les contraintes de commande numérique des convertisseurs d'électronique de puissance. Ensuite, les deuxième et troisième parties présentent respectivement les solutions numériques logicielles et matérielles utilisées dans les applications de contrôle des convertisseurs d'électronique de puissance. Enfin, la dernière partie traite les tendances futures de commande de convertisseurs de puissance basées sur des solutions numériques hybrides (logicielles/ matérielles).
La structure générale d'un convertisseur d'électronique de puissance commandé est subdivisée en parties et éléments les plus communément rencontrés, à savoir :
-
la partie puissance, qui inclut elle-même plusieurs éléments. Le premier élément est une source électrique qui, selon la direction du flux énergétique, fournie ou reçoit l'énergie électrique. Le deuxième élément est un ou plusieurs convertisseurs d'électronique de puissance commandés. Il s'agit de dispositifs d'électronique de puissance à base d'interrupteurs de puissance (tels que les diodes, les thyristors, les transistors...) commandés à travers des signaux de commande. Notons que la connexion des convertisseurs de puissance aux autres éléments de la partie puissance est réalisée par l'intermédiaire d'un étage tampon à base de filtres inductifs capacitifs. Le choix et le dimensionnement de ces filtres est essentiel afin d'assurer une meilleure qualité d'énergie électrique transférée via les convertisseurs de puissance ;
-
la partie interface puissance/commande, qui est constituée de deux éléments. Le premier élément permet de transférer les signaux de commande calculés par la partie commande vers les convertisseurs de puissance. Il est basé sur l'électronique de pilotage des interrupteurs de puissance et inclut généralement un étage d'isolation galvanique entre parties puissance et commande (à base de transformateurs haute fréquence ou optocoupleurs) associé à un étage d'amplification du niveau de tension des signaux de commande. Quant au second élément, il inclut les capteurs électriques/mécaniques et assure le traitement électronique des mesures fournies par ces capteurs (isolation galvanique des mesures, mise en forme, adaptation d'impédance, réglage des gains et des offsets, filtrage des perturbations...). Il est à noter que dans certains cas, on y trouve aussi de l'électronique de conversion analogique/numérique (A/N) lorsque la cible numérique utilisée n'inclut pas de convertisseurs A/N ;
-
la partie commande, qui est subdivisée en deux niveaux hiérarchiques. Le niveau hiérarchique basique assure le contrôle rapproché du convertisseur de puissance en calculant les signaux de commande à partir des mesures fournies par la partie interface puissance/commande et des consignes de référence qu'il reçoit. Ce contrôle rapproché est réalisé via un algorithme de commande implanté sur une cible analogique ou numérique. Notons ici que les premières implantations d'algorithmes de commande de convertisseurs d'électronique de puissance étaient réalisées sur des cibles analogiques. Par la suite, les cibles numériques sont devenues les plus utilisées vu leurs avantages décisifs marqués par la révolution technologique en électronique numérique des dernières décennies. Quant au niveau hiérarchique élevé, il permet d'envoyer des consignes de référence à la partie commande moyennant une interface homme machine (IHM) ou bien un algorithme de gestion implanté sur une autre cible numérique .
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MOTS-CLÉS
commande numérique convertisseur d'électronique de puissance microréseau FPGA microcontrôleur
KEYWORDS
digital control | power converter | microgrid | FPGA | microcontroller
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Solutions numériques hybrides
En anglais
3. Solutions numériques matérielles
Outre les solutions numériques logicielles, les solutions numériques matérielles telles que les FPGA (Field Programmable Gate Array ) ou les ASIC (Application Specific Integrated Circuit ) sont aussi couramment utilisées pour l'implantation d'algorithmes de contrôle de convertisseurs d'électronique de puissance. Il y a plusieurs constructeurs de solutions numériques matérielles tels que Actel/Microsemi, Xilinx et Altera. Lors d'opération de prototypage, les solutions numériques matérielles à base de FPGA sont les plus utilisées, vu leur caractère reprogrammable. Cependant le prix de leur production pour de grandes séries est prohibitif. Dans ce cas, l'obtention d'un prix rentable est assurée par l'utilisation des ASIC où l'architecture développée sur FPGA est transférée à travers une copie matérielle (figure 7). Dans ce qui suit, on s'intéressera particulièrement aux solutions numériques à base de FPGA étant donné que la conception ainsi que le test des architectures de contrôles sont effectués en premier lieu en utilisant ce type de cibles numériques.
3.1 Structure générique d'un FPGA
Les FPGA sont des composants VLSI (Very Large Scale Integration ) dont l'architecture générique est présentée sur la figure 8. Ils sont programmables par l'utilisateur et essentiellement constitués de trois parties :
-
une matrice de blocs logiques configurables ;
-
des blocs d'entrée/sortie configurables ;
-
un réseau d'interconnexions programmables.
Les constructeurs de composants FPGA précédemment cités utilisent différentes technologies pour la réalisation des FPGA. Parmi ces technologies, celles qui sont les plus utilisées sont :
-
la technologie Static RAM (SRAM). Pour cette technologie, les connexions sont réalisées en rendant les transistors passants. Cette technologie permet une reconfiguration rapide du circuit FPGA. Cependant, son principal inconvénient est que la configuration s'efface dès sa mise hors tension ;
-
la technologie Flash. Cette technologie est limitée en nombre de configurations et possède un temps de reconfiguration plus long par rapport à la technologie SRAM. Cependant, son principal avantage réside dans le fait qu'elle garde sa configuration même en étant hors...
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Solutions numériques matérielles
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOSE (B.K.) - Modern power electronics and AC drives. - Prentice Hall (2002).
-
(2) - TEODORESCU (R.), LISERRE (M.), RODRIGUEZ (P.) - Grid converters for photovoltaic and wind power systems. - Wiley IEEE Press EBook (2011).
-
(3) - ROCABERT (J.), LUNA (A.), BLAABJERG (F.), RODRIGUEZ (P.) - Control of power converters in AC microgrids. - IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, no 11, p. 4734-4749, nov. 2012.
-
(4) - LISERRE (M.), SAUTER (T.), HUNG (J.Y.) - Futur energy systems. - IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 4, no 1, p. 18-37, mars 2010.
-
(5) - PLANAS (E.), GIL-DE-MURO (A.), ANDREU (J.), KORTABARRIA (I.), DE ALEGRIA (I.M.) - General aspects, hierarchical controls and droop methods in microgrids : a review. - Renewable and Sustainable Reviews, vol. 38, p. 147-159 (2013).
-
(6)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Outils de développement pour processeurs embarqués basés sur l'architecture SPARC http://www.gaisler.com/index.php
Langage de description matériel http://www.opencores.org/projects
Solutions numériques hybrides
Carte SmartFusion de Microsemi http://www.microsemi.com/
Carte Cyclone d'Altera http://www.altera.com/
Carte Zynq-7000 de Xilinx http://www.xilinx.com/
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QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
1/ Quiz d'entraînement
Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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