Robustesse d’une loi de commande d’un redresseur triphasé pour l’alimentation électrique d’un appareil d’imagerie médicale de forte puissance impulsionnelle

Robustness of the Three-Phase Rectifier Control Law of a Power Supply for a High Pulse Power Medical Imaging System

• Auteur / Autrice : Matthieu Darnet
• Direction : Emmanuel Godoy, Charif Karimi, Stéphane Gautrais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 16/03/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des signaux et systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Informatique et sciences du numérique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Eric Labouré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Géhan, Pierre Lefranc, Mohamed Badreddine Becherif, Guillaume Sandou, Xuefang Lin-Shi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Géhan, Pierre Lefranc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Redresseurs à semiconducteurs

Inductance

Imagerie médicale -- Appareils et matériel

Mots clés libres

Robustesse

Loi de Commande

Redresseur triphasé

Inductance couplée

Modélisation

Appareil d’imagerie médicale

Robustness

Control law

Three-Phase Rectifier

Coupled Inductance

Modeling

Medical Imaging System

Résumé

La conception d’un redresseur triphasé robuste et performant est un enjeu clé dans les alimentations des futurs appareils d’imagerie médicale de type scanner à rayons X pour augmenter leur puissance et leur rapidité.Cette application impose une grande variabilité de points de fonctionnements au redresseur :(i) En sortie, la charge est de type impulsionnelle avec des variations de puissance de plus de 100 kW.(ii) En entrée, la tension nominale d’entrée et l’impédance du réseau d’entrée sont variables d’une installation à l’autre.La topologie du double Vienna avec inductances couplées et commandes entrelacées est choisie pour son efficacité, sa fiabilité et son faible volume.La loi de commande choisie est constituée de trois boucles de régulations : (i) régulation de la tension de sortie totale, (ii) correction du facteur de puissance des courants d’entrée, (iii) équilibrage des deux tensions de sortie.Une contrainte forte est le changement de dynamique des courants d’entrée qui passent par différents modes de conduction sur une même période du réseau.Deux modèles linéaires des courants sont développés :le modèle moyenné linéarisé pour les modes de conduction continue, et un modèle original développé dans cette thèse pour les modes de conduction discontinue.Les performances de la régulation sont vérifiées en simulation et expérimentalement.La robustesse de la régulation est évaluée par l’analyse des réponses fréquentielles et des marges de stabilité monovariables et multivariables des modèles linéaires développées dans cette thèse sur l’ensemble des points de fonctionnement et des valeurs possibles de l’impédance réseau.La robustesse de la régulation globale aux phénomènes définis par la courbe ITIC de surtension et de chute de tension sur le réseau est confirmée en simulation.

The design of a robust and efficient three-phase rectifier is a key issue in the power supplies of future medical imaging system such as X-ray scanners to increase their power and speed.This application imposes a large variability of operating points on the rectifier:(i) At the output, the load is of the pulse type with power variations of more than 100 kW.(ii) At the input, the nominal input voltage and input grid impedance are variable from one installation to another. And the instant input voltage varies normally on a +/-10% range, and abnormally from 0 to 500% of the nominal value.The double Vienna topology with coupled inductors and interleaved controls is chosen for its efficiency, reliability and low volume.The chosen control law consists of three control loops: (i) regulation of the total output voltage, (ii) power factor correction of the input currents, (iii) balancing of the two output voltages.A strong constraint is the changing dynamics of the input currents which pass through different conduction modes over the same grid period.Two linear models of the currents are developed:the linearised averaged model for the continuous conduction modes, and an original model developed in this thesis for the discontinuous conduction modes.The performance of the regulation is verified in simulation and experimentally.The robustness of the control is assessed by analysing the frequency responses and the single-variable and multivariable stability margins of the linear models developed in this thesis.The robustness of the global regulation to the phenomena defined by the ITIC curve of grid overvoltage and voltage drop is confirmed in simulation.