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1 - MODULATION : TECHNIQUE DE PILOTAGE DES CONVERTISSEURS STATIQUES

2 - APPLICATION DE LA MODULATION À DES STRUCTURES DE CONVERSION

3 - ANALYSE DE PERFORMANCES

4 - CONCLUSION

5 - NOTATIONS ET SIGLES

Article de référence | Réf : E3968 v1

Analyse de performances
Principe de la modulation pour hacheurs et onduleurs de tension

Auteur(s) : Paul-Étienne VIDAL, Baptiste TRAJIN

Date de publication : 10 déc. 2022

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RÉSUMÉ

La modulation de largeur d'impulsion est une technique de pilotage pour générer des ordres de commande des convertisseurs statiques en électronique de puissance. A partir d'une valeur moyenne de tension voulue aux bornes de la charge, la stratégie de modulation permet de générer une succession d'ordre de commande à appliquer aux interrupteurs. Cette technique est donc particulièrement adaptée aux structures hacheur et onduleur de tension. L'article détaille sur plusieurs exemples la mise en application d'un schéma de modulation. Le schéma de base consiste à comparer deux signaux, un signal modulant et un signal porteur, dont les formes d'ondes sont présentées et discutées.

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Auteur(s)

  • Paul-Étienne VIDAL : Professeur des Universités - Laboratoire Génie de Production, École Nationale d'Ingénieurs de Tarbes - Université Fédérale Toulouse Midi Pyrénées - Institut National Polytechnique de Toulouse, France

  • Baptiste TRAJIN : Enseignant chercheur – Maître de conférences - Laboratoire Génie de Production, École Nationale d'Ingénieurs de Tarbes - Université Fédérale Toulouse Midi Pyrénées - Institut National Polytechnique de Toulouse, France

INTRODUCTION

Les convertisseurs statiques sont des dispositifs de l'électronique de puissance qui permettent, par une commande adaptée, la maîtrise des flux d'énergie électrique échangés entre un générateur et un récepteur. La circulation de l'énergie est possible par les fermeture et ouverture maîtrisées des interrupteurs à matériau semi-conducteur qui composent la structure de conversion. C'est le réglage de la succession des ordres de commande pour chaque interrupteur, qui permet d'obtenir la fonction de conversion et la commande des échanges de l'énergie. La modulation de largeur d'impulsion (MLI) est une technique pour générer les ordres d'ouverture et de fermeture des interrupteurs. Ce principe de pilotage, mis en œuvre dans les architectures de commande des dispositifs d'électronique de puissance, permet d'obtenir des variations maîtrisées de la tension et du courant, aux bornes de la charge. L'état de l'art est riche d'exemples de schémas de modulation, qui peuvent être appliqués à toutes les structures de conversion.

Cet article propose une explication du principe de modulation de largeur des impulsions et son application à des dispositifs de conversion de tension usuels. À partir d'une valeur moyenne de tension voulue aux bornes de la charge, la stratégie de modulation permet de générer la succession d'ordre de commande à appliquer aux interrupteurs, afin de parvenir à des tensions commutées dont les valeurs moyennes sur une période de commutation sont égales aux références. Le propos concerne les interrupteurs dont le pilotage est pensé dans un mode de commutation dure, et donc générateur de pertes à chaque commutation. L'article aborde le principe générique pour produire des ordres de commande à partir d'une architecture de puissance typique des dispositifs de conversion de l'énergie électrique. Ensuite, des exemples d'application du schéma générique de modulation à des architectures usuelles de conversion (hacheur série, hacheur réversible, onduleur monophasé et triphasé) sont illustrés. Un rappel des outils fréquentiels pour l'analyse des signaux commutés produits est donné. Enfin, l'article aborde les différents indicateurs qui peuvent aider pour le choix d'une stratégie de modulation lorsque plusieurs possibilités existent.

Le lecteur trouvera en fin d'article un tableau des notations et des sigles.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e3968


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3. Analyse de performances

Le choix d'une stratégie de modulation s'effectue en fonction de critères, ou d'indicateurs, que l'opérateur souhaite optimiser. Parmi ceux-ci, deux grandes familles peuvent être distinguées : celles s'appuyant sur une analyse temporelle des signaux et celles s'appuyant sur une analyse fréquentielle des signaux. Après avoir présenté les outils d'analyse fréquentielle indispensables à l'évaluation d'un indicateur fréquentiel, nous nous intéressons plus particulièrement à trois indicateurs : la plage de fonctionnement linéaire, la réduction des pertes par commutation, le contenu harmonique du spectre des grandeurs électriques au niveau de la charge. Les deux premiers sont des indicateurs temporels, tandis que le dernier est un indicateur fréquentiel. Tous les trois seront appliqués aux onduleurs de tension.

3.1 Outils d'analyse fréquentielle des signaux

Les signaux précédemment établis, modulante, porteuse, commande des interrupteurs, tension des cellules de commutation et plus généralement tension de sortie des convertisseurs statiques sont définis dans le temps. Dans cet espace de représentation, l'analyse des signaux peut se révéler limitée à des indicateurs statistiques, voire des indicateurs instantanés.

Il est souvent nécessaire de qualifier plus avant la qualité intrinsèque des signaux électriques en étudiant leur contenu fréquentiel. En effet, les signaux électriques présentent souvent un caractère répétitif, voire périodique, rendant ainsi l'analyse fréquentielle incontournable pour représenter les harmoniques d'un signal. De plus, les outils fréquentiels conduisent à une analyse quantitative de la qualité des grandeurs caractéristiques d'étude.

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3.1.1 Analyse de Fourier

La première méthode à investiguer pour représenter le contenu fréquentiel d'un signal est l'analyse spectrale de Fourier. Mathématiquement, la transformée de Fourier (TF) est définie comme un produit scalaire d'un signal sur une base de fonctions exponentielles complexes.

Considérons tout d'abord un signal déterministe intégrable x(t) à valeurs réelles, exprimé par l'équation ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - FOCH (H.) et al -   Électronique de puissance – Introduction.  -  Édition Techniques de l'Ingénieur – Archives [D 3 152] (1989).

  • (2) - FOCH (H.) et al -   Conversion continu.  -  Hacheurs – Édition Techniques de l'Ingénieur – Archives [D 3 160] (1990).

  • (3) - BERNOT (F.) -   Électronique de puissance – Introduction.  -  Édition Techniques de l'Ingénieur – Archives [E 3 958] (2000).

  • (4) -   Modulations – Démodulations.  -  Édition Techniques de l'Ingénieur – Archives [E 3 450] (1982).

  • (5) - BERKOUNE (K.) -   Approche Mathématique pour la Modulation de Largeur d'Impulsion pour la conversion statique de l'énergie électrique : Application aux onduleurs multiniveaux.  -  Doctorant de l'Université de Toulouse, Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse) (2016).

  • ...

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