Optimized multilevel inverters and modulation techniques for power electronics applications

Résumé

L'objectif principal de cette thèse est d'optimiser les techniques de modulation et les topologies d'onduleurs multiniveaux pour atteindre une efficacité plus élevée dans les applications d'électronique de puissance. Parmi les onduleurs conventionnels multiniveaux, les technologies compactes comme la cellule-U compacte est particulièrement intéressante pour les applications monophasées en raison de la structure continue de source CC. La cellule-U compacte apparaissait comme une topologie prometteuse qui pouvait trouver son chemin vers l'industrie, mais, elle se heurte à quelques inconvénients lorsqu'elle est étendue pour générer plus de niveaux. Le principal inconvénient est le problème de l'équilibrage de la tension des condensateurs qui nécessite une optimisation profonde pour atteindre une topologie d'onduleurs multiniveaux compacts innovantes et fiables. De même que l’optimisation de la topologie des onduleurs, les techniques de modulation doivent être optimisées pour améliorer l'efficacité des onduleurs dans les applications ciblées. Bien que les techniques populaires comme : « la Méthode du Vecteur Spatial et MLI Sinusoïdale » peuvent montrer leurs performances fiables, elles ont une fréquence de commutation élevée ce qui augmente les pertes de puissance. D'autre part, l’Élimination Sélective d’Harmoniques-MLI et l’Atténuation Sélective d’Harmoniques-MLI ont été introduites comme techniques prometteuses à basse fréquence de commutation où, elles peuvent être les candidats appropriés pour l'optimisation et l'utilisation dans les applications de haute puissance des onduleurs à multiniveaux. Comme principal effort d'optimisation de l’Élimination Sélective d’Harmoniques et de l’Atténuation Sélective d’Harmoniques, un nouvel angle de commutation a été obtenu pour une forme d'onde de tension à basse fréquence de commutation grâce à l’analyse mathématique précise sur les harmoniques triples pour auto-éliminer toutes les harmoniques triples sans faire de calculs supplémentaires. Ensuite, les harmoniques non triples déterminées sont éliminées ou atténuées par le fonctionnement normal de l’Élimination Sélective d’Harmoniques ou de l’Atténuation Sélective d’Harmoniques. Par conséquent, les amplitudes d’harmoniques maximales sont contrôlées tandis que la fréquence de commutation est au minimum. Dans le prochain travail, l’Élimination Sélective d’Harmoniques est conçue de manière optimale pour les onduleurs triphasés 4 fils afin de fournir à la fois des charges symétriques et asymétriques en fonctionnement à basse fréquence de commutation. L’Élimination Sélective d’Harmoniques a été conçue de manière adaptable à la fois pour les deux configurations à 4 fils de l'onduleur à Point Neutre Fixe 3 phases, 4 branches 4 fils et 3 branches 4 fils. Il a été démontré que l’Élimination Sélective d’Harmoniques est plus compatible avec la configuration 3 branches 4 fils sur 4 branches 4 fils en termes de distorsion harmonique de la tension de phase de sortie, des calculs des angles de commutation et de la complexité de conception ainsi que des pertes de puissance. Le travail suivant présente une stratégie hybride de la technique de modulation l’Atténuation Sélective d’Harmoniques pour contrôler la Tension en Mode Commun dans les onduleurs triphasés. Dans tous les travaux précédents où une solution logicielle basée sur les techniques de modulation était utilisée pour contrôler la Tension en Mode Commun, la technique appliquée a été conçue sur la base d'une sélection appropriée du vecteur de commutation. Toutefois, le travail proposé dans cette thèse, la Tension en Mode Commun est contrôlée sur la base de l'analyse harmonique afin de formuler la Tension en Mode Commun dans la technique hybride de l’Atténuation Sélective d’Harmoniques. Il a été montré que la Tension en Mode Commun a notablement été réduite par l'élimination des harmoniques triples tandis que le rapport de fréquence de commutation est maintenu sous 1 kHz. Enfin, les derniers travaux présentent un nouvel onduleur multiniveaux compact, appelé topologie Cellule-E compacte. La Cellule-E compacte est une optimisation en profondeur de la génération précédente d'onduleurs multiniveaux compacts; la Cellule-U compacte va atteindre d'autres niveaux de tension de sortie, réduire le nombre de composants et simplifier l'équilibrage de la tension des condensateurs. La Cellule-E compacte a été créé sur la base de l'idée d'étendre les condensateurs de manière horizontale contrairement à la manière verticale, ce qui se traduit par une structure plus optimisée par rapport à la Cellule-U compacte. Il a été démontré que la Cellule-E compacte peut être une topologie alternative appropriée et fiable pour remplacer la Cellule-U compacte. Tous les travaux sont entièrement étayés par des analyses et des discussions théoriques, des simulations et des expérimentations.

Date	21 avr. 2021
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Kamal Al-Haddad (Directeur(-trice))