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ASSOCIATION ONDULEUR À TROIS NIVEAUX A

STRUCTURE NPC MACHINE ASYNCHRONE À
DOUBLE STATOR

CONFERENCE PAPER · JANUARY 2004

DOI: 10.13140/2.1.1779.5206

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4 AUTHORS:

D. Beriber E.M Berkouk

University of Science and Technology Houa… National Polytechnic School of Algiers
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M.O. Mahmoudi Talha Abdelaziz

National Polytechnic School of Algiers University of Science and Technology Houa…
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Retrieved on: 14 March 2016
 JTEA 2004, 20-21-22 mai 2004, Tunisie

ASSOCIATION ONDULEUR À TROIS NIVEAUX A STRUCTURE NPC

MACHINE ASYNCHRONE À DOUBLE STATOR
D. Beriber *, E. M. Berkouk *, M. O. Mahmoudi *, A. Talha **
Thème :2

*Laboratoire de Commande des Processus. DER Génie Electrique et Informatique.

Ecole Nationale Polytechnique d'Alger − 10, rue Hassen Badi, El Harrach, Alger, ALGERIE − BP 182
E-mail : dberiber@yahoo.fr
** Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene (ITS), B.P.32, El-Alia, 16111 Bab-Ezzouar,
Alger. E-mail : abtalha@hotmail.com

Résumé : Les performances de cet algorithme sont analysées sur la

base de la caractéristique de réglage et du taux
Dans cet article, nous présentons un nouvel onduleur de d’harmoniques. Pour application, nous étudions les
tension multiniveaux : onduleur à trois niveaux à structure performances de la commande en vitesse d’une machine
NPC (Neutral Point Clamping) utilisé dans les domaines asynchrone à double stator alimentée par ce nouvel
de haute tension et forte puissance. Dans la première onduleur. Les performances obtenues montrent l’utilité
partie, nous présentons le modèle de la machine d’utilisation de cet onduleur dans les domaines qui
asynchrone à double stator (MASDS). Dans la seconde nécessitent des tensions et/ou des puissances élevées tels
partie, nous élaborons le modèle de fonctionnement de cet que la traction électriques.
onduleur sans à priori sur sa commande en utilisant la
méthode DESIGN associée aux réseaux de Petri[2][5]. En 2. Modélisation de la machine asynchrone à double
suite, nous proposons un modèle de connaissance de stator :
l’onduleur en utilisant les fonctions de connexion des
interrupteurs et celles des demi-bras. Pour cela, nous La machine asynchrone triphasée à double stator est une
proposons une commande complémentaire optimale. Une machine qui comporte deux stators fixes déphasés entre
stratégie de commande MLI de l’onduleur à trois niveaux eux d’un angle γ =30° et un rotor mobil.
est développée. Pour application, nous étudions les Le stator de cette machine est composé de trois
performances de la commande en vitesse d’une machine enroulements identiques à p paires de pôles, leurs axes
asynchrone à double stator alimentée par ce nouvel sont décalés entre eux d’un angle électrique égal à 2π/ 3
onduleur. Les performances obtenues montrent l’utilité dans l’espace (figure1).
d’utilisation de cet onduleur dans les domaines qui
nécessitent des tensions et/ou des puissances élevées tels
que la traction électriques.

Mots clés : Réseau de Petri, multiniveaux, NPC,

MASDS, Modulation vectorielle.

1. Introduction :

Dans cet article, nous présentons un nouvel onduleur de

tension multiniveaux : onduleur de tension à trois niveaux
à structure NPC utilisé dans les domaines de haute tension
et forte puissance. Ainsi, on commencera par présenter le
modèle de la machine asynchrone à double stator
(MASDS). En suite, nous élaborons le modèle de
fonctionnement de cet onduleur sans a priori sur sa
commande, en utilisant la méthode DESIGN associée au
réseau de Petri [4][5][6]. Pour cela, nous proposons une Figure 1. Représentation des enroulements de la machine
commande complémentaire optimale et son modèle de asynchrone a double stator
connaissance en utilisant les fonctions de connexion des
interrupteurs et celles des demi-bras. Une stratégie de Le modèle de la machine asynchrone à double stator dans
commande de l’onduleur à trois niveaux est développée. le repère de Park est représenté par la figure2.
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Cem = p
Lm
[ϕrd.(isq1 + isq1) − ϕrq.(isq1 + isd1)] (3)
Lm + Lr
Notation :
rs1 : résistance du premier stator
rs2 : résistance du deuxième stator
rr : résistance rotorique.
Ls1 , Ls2 , Lr : inductances de fuites du rotor et des stators
Lm : inductances mutuelles
p : nombre de paires de pôles de la machine.

3. Modélisation de l’onduleur de tension à trois

niveaux à structure NPC :
Figure 2. Représentation des enroulements de la machine
dans le repère de Park
3.1. Structure générale de l’onduleur à trois niveaux :

Les équations électrique de la machine asynchrone à La structure de l’onduleur à trois niveaux de type NPC est
double stator s’écrivent comme suit : donnée par la figure3. Cette structure se compose de trois
bras symétriques constitués chacun de quatre interrupteurs
 dö sd 1 en série et deux autre en parallèles, plus deux diodes
V sd 1 = rs1 .i sd 1 + dt − ùö sq 1 permettant l’obtention du zéro de la tension Vkm. Chaque
 dö
interrupteur est composé d’un interrupteur
V sq 1 = rs1 .i sq1 + sq1 + ùö sd 1 bicommandable et d’une diode montée en tête bêche.
 dt Id1
 dö sd 2
V sd 2 = rs 2 .isd 2 + − ùö sq 2 (1) T 12
dt D12 T K22 D22 T 32 D32
 dö UC1
V sq 2 = rs 2 .isq 2 + sq 2 + ùö sd 2
 dt DD11 DD21 DD31
 dö rd
V rd = rr .ird + dt − ù gl .ö rq
 dö T 11 D11 T 21 D21 T 31 D31
V rq = rr .irq + rq + ù gl .ö rd
 dt Id0
M
A B C
Les relations entre les flux et les courants sont données IA IB IC
par : T 23 D23 T 33
T 13 D13 D33

ϕsd 1=Ls1.isd 1+ Lm (isd 1+isd 2 +ird )


ϕ =L .i +L (i +i +i ) DD10 DD20 DD30
 sq1 s1 qd1 m sq1 sq 2 rq UC2
 T 14 D14 T 24 D24 T 34 D34
ϕsd 2 =Ls 2.isd 2+ Lm (isd 1+isd 2 +ird ) (2)

ϕsq 2 =Ls 2 .isq 2 +Lm (isq1+isq 2 +irq )
 Id2
VA VB VC
ϕ =L .i + L (i +i +i )
 rd r rd m sd 1 sd 2 rd
 Figure3. Structure Générale de l’onduleur à trois niveaux
ϕrq =Lr .irq +Lm (isq 1+isq 2 +irq )
Afin d’élaborer les différentes configurations de
Le couple électromagnétique est donné par l’expression l’onduleur à trois niveaux, sans a priori sur la commande,
suivante : et réduire le nombre de places du réseau de Petri
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correspondant, on considère les hypothèses 3.2. Réseau de Petri d’un bras d’onduleur :
simplificatrices suivantes [1][3][9] :
- Chaque paire transistor–diode est représentée par un seul L’analyse fonctionnelle réalisée au moyen du formalisme
interrupteur bidirectionnel supposé idéal. de Petri consiste à dénombrer les configurations
- Vue la symétrie de la structure de l’onduleur triphasé à physiquement réalisables, à attribuer à chacune d’entre
trois niveaux, la modélisation de ce dernier se fait par elles un modèle électrique équivalent et à définir les
bras. conditions de changement des configurations. Ces
L’analyse topologique d’un bras de l’onduleur à trois conditions de transition donnent les réceptivités du réseau
niveaux montre qu’il existe cinq configurations possibles de Petri de fonctionnement de ce bras. Elles sont des
pour ce dernier (figure 4). fonctions logiques entre [2][5][9] :
− Une commande externe BKS (l’ordre d’amorçage ou de
blocage du semi-conducteur).
TDK2 TDK2 − Une commande interne définie par les signes du courant
DDK1 DDK1
UC1 UC1 du bras et des tensions aux bornes des semi-conducteurs
de ce bras [2][5].
TDK1 TDK1
IK IK R12
M K M K
E1 E2
TDK3 TDK3 R 21
UC2 R 02
UC2 R 01
DDK0 DDK0
TDK4 TDK4 R14 R10 R 20
R 23
Configuration E 0 Configuration E 1 R13 E0
R 41 R 32
TDK2 R R 03 R 30
DDK1 TDK2 DDK1 R 31
R 04
UC1 UC1
R 34
TDK1 TDK1 E4 E3
IK IK R 43
M K K
TDK3 TDK3
UC2 UC2 Figure5. Réseau de Petri série de fonctionnement d’un bras
DDK0 de l’onduleur triphasé à trois niveaux à structure NPC
DDK0 TDK4
TDK4
Configuration E 2 Configuration E 3 3.3. Modèle de connaissance et de commande :

La fonction de connexion (FKS) de chaque interrupteur

TDK2 décrit son état fermé ou ouvert. Cette fonction est définie
DDK1
UC1 comme suite :
TDK1
1 si TD KS est fermé
M K
IK F KS =  (4)
0 si TD KS est ouvert
TDK3
UC2 Pour éviter la conduction simultanée des quatre
DDK0 interrupteurs d’un seul bras qui peut engendrer leur
TDK4 destruction par croissance du courant lors du court-circuit
ou par une surtension dans le cas de l’ouverture de tous
Configuration E 4 les interrupteurs, on définit une commande
complémentaire des différents semi-conducteurs d’un
Figure4. Différentes configurations du bras K de bras de l’onduleur à trois niveaux. Plusieurs commandes
l’onduleur à trois niveaux complémentaires sont possibles pour un onduleur à trois
niveaux. La commande la plus optimale est la suivante :
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 B K 4 = B K 1 La partie de commande est représentée par le réseau de

Petri de fonctionnement de l’onduleur en mode
 (5)
 B K 3 = B K 2 commandable. Cette partie génère la matrice de
conversion [N(t)].
La partie opérative est constituée d’un bloc discontinu
Nous définissons la fonction de connexion du demi- délivrant les entrées internes générées par le convertisseur
b
bras F km telle que: à partir de ses variables d’état et de la matrice de
conversion [M(t)], et d’un bloc continu qui représente le
modèle d’état de la charge de l’onduleur et de sa source
K : numéro du bras (K=1, 2, 3)
de tension d’entrée.

0 pour le demi − bras du bas

m =  4. Stratégie de commande de l’onduleur à trois
1 pour le demi − bras du haut niveaux à structure NPC :

b Dans cette partie, nous présentons un type de stratégie de

La fonction FKm vaut «1» dans le cas où les quatre la modulation vectorielle à deux porteuses bipolaires pour
interrupteurs du demi–bras sont tous fermés, et nulle dans la commande de l’onduleur à trois niveaux [4][6][7][10].
tous les autres cas. Son principe est identique à celui de la stratégie
Les tensions de sortie de l’onduleur à trois niveaux par triangulo–sinusoïdale à échantillonnage régulier avec
rapport au point milieu M s’expriment comme suit : injection de l’harmonique trois [3] [7].
On définit à partir du vecteur de référence
VAM   F11  F10b 
b
VSref , VSref = ( V ref 1 , V ref 2 , Vref 3 ) t , deux
V  =  F b U −  F b U nouveaux vecteurs de référence VSref 1 et V Sref 0 . Le
 BM   21 C 1  20  C 2 (6)
VCM   F31b   F30b 
 
vecteur de référence VSref 1 est associé à l’onduleur à
deux niveaux constitué des demi bras du haut de
l’onduleur multiniveaux, alors que le vecteur V Sref 0 est
D’après ce système, on peut déduire que l’onduleur à trois
niveaux est une mise en série de deux onduleurs à deux associé au demi bras du bras.
Ces deux nouveaux vecteurs de référence sont définis par
niveaux.
La figure6 représente le modèle de connaissance global de le système d’équations suivant :
l’onduleur à trois niveaux en mode commandable associé VSref 1 [ i ] = VSref [ i ] + V 0
à une charge triphasée et deux sources de tension (7)
continue. A partir de cette figure, on distingue deux VSref 0 [ i ] = VSref [ i ] − V 0
parties :
avec i = 1 , 2 , 3
La tension V0 est donnée par l’expression suivante :

VA [max (V Sref ) + min (V Sref )]

 
VB
V0 = − (8)
Partie commande Partie opérative  UC1  2
V 
 C U 
id1   C2 
  i1 
id2   Cette stratégie est caractérisée par deux
id3 Bloc continu i2 
[FbKm] [N(t)]     paramètres [4][6][7] ][8][10].
[BKS] (model d’état i 
3
id0
Réseau Relation
de Bloc discontinu de la charge −L’indice de modulation «m » défini comme étant le
de Petri et de la
concersion
 UC1 
source rapport de la fréquence f p de la porteuse à la fréquence f
U  d’entrée du
 C2  convertisseur  fp 
de la tension de référence m =
 i1 
 
 i2 
 f  .
i 
3 

−Le taux de modulation ou coefficient de réglage de

 Vm 
tension r = .
 3Upm 
Les différents signaux de cette stratégie sont donnés par la
figure7.
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1,2
1 Taux et amplitude
des harmoniques
0,8
0,6
Rang des harmoniques
0,4
0,2
r
0
0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5
Figure7. Les différents signaux de la modulation
vectorielle pour m = 6 , r = 0,8 Figure 10. Les caractéristiques de sortie de l’onduleur
de tension à trois niveaux commandé par la
modulation vectorielle (m=9, r=0.8)

5. SIMULATION : Zoom

§ Les figures 8 et 9 représentent la tension de

l’onduleur triphasé à trois niveaux et son spectre
d’harmoniques commandé par la modulation
vectorielle respectivement pour (m = 9 et 24 avec
r = 0,8 et f = 50 Hz ).
§ La figure10 représente le taux d’harmoniques en
fonction du taux de modulation pour m = 9 .
§ La figure11 représente les performances de la
conduite de la machine asynchrone à double stator
lors d’un réglage de la vitesse pour m = 9 .

Zoom
TAUX / FONDAMENTAL

1,2 Figure 11. Performances de la conduite de la MASDS

1 alimentée par deux onduleurs à trois niveaux commandés
0,8
par la stratégie de modulation vectorielle à deux porteuses
0,6
bipolaires avec application d’un couple résistant entre 1,5
0,4
0,2 et 2,5 ms (Cr =14Nm)
0
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28
Interprétation :
RANG DES HARMONIQUES

Figure 9. La tension simple VA , et son spectre de − Pour toutes les valeurs l’indice de modulation « m », il
l’onduleur à trois niveaux commandé par la y a une symétrie dans la tension simple VA par rapport au
modulation vectorielle (m=24, r=0.8) quart de sa période, donc seul les harmoniques impaires
existent, et se regroupent en familles centrées autour des
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fréquences multiples de 2mf. La première famille centrée 7. Références :

autour de 2mf est la plus importante du point de vue
amplitude. [1] H. Foch et al, Imprecated cells multi-level voltage
− L’augmentation de l’indice de modulation « m » permet source inverters for high voltage applications", EPE
de pousser les harmoniques vers des fréquences élevées et Journal, Vol 3, N°2 June 1993.
donc facilement filtrés ; [2] E.M. Berkouk , "Contribution à la conduite des
machines asynchrones monophasée et triphasée
− Le taux de modulation « r » permet un réglage linéaire alimentées par des convertisseurs directs et indirects.
de l’amplitude du fondamental jusqu’à Application aux gradateurs et onduleurs multiniveaux",
r max = 1,15 (Figure10); PHD thesis, Paris, 1995.
[3].E.M. Berkouk et al, "Knowledge and control models
− Le taux d’harmoniques diminue quand r augmente
(Figure10). for three-level voltage inverters", International Journal
Les performances de la conduite de la machine "systems Analysis Modelling Simulation" (SAMS)
published by "Gordon and Breach Science Publishers",
asynchrone à double stator lors d’un réglage de vitesse
montrent que : Volumes 18-19 pages 511-521, 1995.
[4]E.M. Berkouk et al, "PWM Strategies to control three-
Le couple électromagnétique varie d’abord d’une façon level inverters. Application to the induction motors
brusque au démarrage de la machine dépassant les 95Nm drive", EPE'95, Spain, September 1995.
ensuite se stabilise en régime permanent établi après 0.6s. [5] Y. Ben Romdhane et al, "Elaboration and comparison
Les flux rotoriques en quadratures et directes sont of different methods for neutral point voltage control of
directement affectés ce que explique le fort couplage entre NPC inverter", IEEE Conference, Stockholm, June 1995.
le couple et la vitesse d’une part et les flux rotorique [6] G. Joos et al, "Similarities between forward and
d’autre part. feedback PWM techniques for voltage source inverters",
La vitesse atteint sa valeur de référence 314 rd/sec au bout IMACS'91, Morocco 1991.
de 0.59s. [7] J. K.Steinke," Control strategy for a three phase AC
traction drive with three-level GTO PWM inverter",
6. Conclusion : PESC'88, Kyoto 1988.
[8] A. Talha, E. M. Berkouk, G. Manesse,"Four PWM
Nous avons présenté dans cet article la modélisation et la strategies of seven levels voltages source inverters.
commande d’un onduleur de tension triphasé à trois Application to the PMSM speed control. ", CICEM,
niveaux à structure NPC. La modélisation de l’onduleur a Chine 1999
permis de montrer que ce dernier est équivalent à deux [9] A. Talha, E. M. Berkouk, G. Manesse,
onduleurs à deux niveaux. Cette caractéristique nous a "Modélisation et commande de l’onduleur a sept niveaux
permis d’extrapoler les modèles déjà élaborés pour ces a structure NPC. Application a la MSAP commandée en
derniers. vitesse. "Conférence Maghrébine en génie électrique.
L’étude des caractéristiques de la tension de sortie de CMGE ’99 Constantine 1999.
l’onduleur, a montré qu’elle présente des harmoniques [10] A. Talha, E. M. Berkouk, G. Manesse, "La stratégie
faibles. Les harmoniques de la tension se regroupent en de la modulation vectorielle d’un onduleur a sept niveaux
familles centrées autour des fréquences multiples de 2mf. a structure NPC. Application a la commande de vitesse
La stratégie de la modulation vectorielle utilisant deux d’une MSAP " CNGE ’99 BIskra 1999.
porteuses bipolaires permet d’élargir la zone linéaire de
réglage de la tension de sortie de l’onduleur d’environ de
15°/ °.
La commande de vitesse de la MASDS alimentée par
l’onduleur à sept niveaux a donné des bonnes
performances dynamiques et ouvre un champ intéressant
quant à l’utilisation de ce type d’onduleur dans les
domaines de fortes puissances tels que la traction
électrique.