MLI vectorielle optimisée pour les variateurs de vitesse

Optimised space vector modulation for variable speed drives

• Auteur / Autrice : Hamid Khan
• Direction : Khalil El Khamlichi Drissi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique de puissance
• Date : Soutenance le 06/11/2012
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Davat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guy Friedrich, Patrick Chi-Kwong Luk, François Badin, El Hadj Miliani
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guy Friedrich, Patrick Chi-Kwong Luk

Mots clés

Mots clés contrôlés

Variateurs de vitesse

Véhicules électriques hybrides

Modulation d'impulsions en durée

Mots clés libres

Electric drives

Interférence Electromagnétique

Véhicules Hybride-Electrique

Pertes par Commutation

Modulation par largeur d’impulsion

MLI Discontinue

MLI Aléatoire

MLI Vectorielle

Electric drives

Electromagnetic Interference

Hybrid Electric Vehicles

Commutation Losses

Pulse Width Modulation

Discontinuous-PWM

Random PWM

Space Vector Modulation

Résumé

Le travail effectué au cours de cette thèse consiste à étudier et développer des techniques innovantes de modulation de largeurs d'impulsions (MLI) qui visent à optimiser les chaînes de traction électriques embarquées dans des véhicules hybrides ou électriques. La MLI joue un rôle stratégique au coeur des variateurs de vitesse, elle influe sur le comportement général de la chaîne de traction et sur sa performance. La MLI présente des degrés de liberté qui peuvent contribuer avantageusement à redimensionner les composants du variateur tels que le circuit de refroidissement, le filtre EMI et le condensateur du bus continu. Les véhicules hybrides constituent une étape naturelle dans la transition énergétique entre les véhicules thermiques et les véhicules électriques. Notre étude contribue à l'optimisation des variateurs de vitesse en général et ceux au coeur des véhicules hybrides ou électriques en particulier. Notre apport consiste à proposer une MLI performante afin de rendre le variateur plus léger et plus compacte tout en garantissant les fonctionnalités traditionnelles. La compétitivité de ces variateurs et par conséquent des véhicules hybrides ou électriques devient alors accessible. Les véhicules hybrides ou électriques utilisent généralement une machine de traction à courant alternatif en raison de nombreux avantages que celle ci présente par rapport à une machine à courant continu. La source d’alimentation au bord d'un véhicule est une batterie, il est donc nécessaire d'utiliser un onduleur pour transformer la tension continue en tension alternative à amplitude et fréquence variables. Le contrôle de cet onduleur est réalisé par des techniques de modulation de largeurs d'impulsions (MLI) ce qui permet ainsi de réguler le couple de la machine. Les techniques MLI produisent une composante basse fréquence, le fondamental qui est le signal désiré et des composantes hautes fréquences appelées harmoniques de commutation qui sont indésirables. Dans les véhicules modernes, il y a de plus en plus de charges mécaniques pilotées par des machines électriques et des systèmes électroniques. Il est impératif d'éliminer le risque d'interférences électromagnétiques entre ces différents systèmes pour éviter le dysfonctionnement ou la défaillance. Il faut donc filtrer ces harmoniques indésirables pour qu'elles ne perturbent pas les calculateurs et autres circuits électroniques de faibles niveaux de tensions. Il existe des techniques de modulation aléatoire (RPWM) qui permettent d'étaler les harmoniques à la fréquence de commutation et ses multiples. Dans cette étude, notre choix s’est porté sur la technique de modulation vectorielle aléatoire (RSVM) qui présente plusieurs avantages par rapport à la MLI intersective. Les machines pilotées par une MLI produisent des tensions de mode commun dites « shaft voltage », qui peuvent provoquer des courants à travers les roulements de la machine, ces derniers pouvant être destructifs. Nous avons pu développer une technique MLI vectorielle basée sur un choix judicieux des vecteurs nuls pour réduire cette tension de mode commun. La chaleur produite par les pertes dans les convertisseurs à commutation dure lors de l'ouverture et de la fermeture des interrupteurs doit être évacuée rapidement, ce qui réduit le stress thermique, évite la défaillance et augmente la durée de vie des interrupteurs. Une technique utilisée pour réduire ces pertes par commutation est la modulation discontinue (DPWM) ; une amélioration est apportée à cette technique dans ce travail. Cette amélioration est présentée sous forme d'une technique discontinue évolutive (EDSVM) qui s'adapte au régime du moteur pour minimiser les pertes. Grâce à cette technique une meilleure distribution du stress thermique sur les différents bras de l'onduleur est rendue possible et permet ainsi d'augmenter la durée de vie de l'onduleur. (...)

The dissertation documents research work carried out on Pulse Width Modulation (PWM) strategies for hard switched Voltage Source Inverters (VSI) for variable speed electric drives. This research is aimed at Hybrid Electric Vehicles (HEV). PWM is at the heart of all variable speed electric drives; they have a huge influence on the overall performance of the system and may also help eventually give us an extra degree of freedom in the possibility to rethink the inverter design including the re-dimensioning of the inverter components.HEVs tend to cost more than conventional internal combustion engine (ICE) vehicles as they have to incorporate two traction systems, which is the major discouraging factor for consumers and in turn for manufacturers. The two traction system increases the maintenance cost of the car as well. In addition the electric drives not only cost extra money but space too, which is already scarce with an ICE under the hood. An all-electric car is not yet a viable idea as the batteries have very low energy density compared with petrol or diesel and take considerable time to charge. One solution could be to use bigger battery packs but these add substantially to the price and weight of the vehicle and are not economically viable. To avoid raising the cost of such vehicles to unreasonably high amounts, autonomy has to be compromised. However hybrid vehicles are an important step forward in the transition toward all-electric cars while research on better batteries evolves. The objective of this research is to make electric drives suitable for HEVs i.e. lighter, more compact and more efficient -- requiring less maintenance and eventually at lower cost so that the advantages, such as low emissions and better fuel efficiency, would out-weigh a little extra cost for these cars. The electrical energy source in a vehicle is a battery, a DC Voltage source, and the traction motor is generally an AC motor owing to the various advantages it offers over a DC motor. Hence the need for a VSI, which is used to transform the DC voltage into AC voltage of desired amplitude and frequency. Pulse width modulation techniques are used to control VSI to ensure that the required/calculated voltage is fed to the machine, to produce the desired torque/speed. PWM techniques are essentially open loop systems where no feedback is used and the instantaneous values differ from the required voltage, however the same average values are obtained. Pulse width modulated techniques produce a low frequency signal (desired average value of the switched voltage) also called the fundamental component, along with unwanted high frequency harmonics linked to the carrier signal frequency or the PWM period. In modern cars we see more and more mechanical loads driven by electricity through digital processors. It is very important to eliminate the risk of electromagnetic interference between these systems to avoid failure or malfunction. Hence these unwanted harmonics have to be filtered so that they do not affect the electronic control unit or other susceptible components placed in the vicinity. Randomised modulation techniques (RPWM) are used to dither these harmonics at the switching frequency and its multiple. In this thesis a random modulator based on space vector modulation is presented which has additional advantages of SVM. Another EMI problem linked to PWM techniques is that they produce common mode voltages in the load. For electric machines, common mode voltage produces shaft voltage which in turn provokes dielectric stress on the motor bearings, its lubricant and hence the possibility of generating bearing currents in the machine that can be fatal for the machine. To reduce the common mode voltage a space vector modulation strategy is developed based on intelligent placement of zero vectors. (...)