Étude et commande numérique à hautes performances pour la correction du facteur de puissance avec régulateur auto-oscillant dans l'application au soudage à l'arc électrique

Study and high performance digital control for power factor correction with self-oscillating regulator in arc welding application

• Auteur / Autrice : Quentin Bellec
• Direction : Mohamed Fouad Benkhoris, Jean-Claude Le Claire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 18/03/2021
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Énergie Électrique de Nantes-Atlantique
• Jury : Président / Présidente : Corinne Alonso
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Paul Gaubert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Babak Nahid-Mobarakeh, Xuefang Lin-Shi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Facteur de puissance (électricité)

Soudures

Mots clés libres

Convertisseur Vienna

PSSOCC numérique

FPGA

Vienna Converter

Digital PSSOCC,

FPGA

Résumé

Un poste à souder à l’arc électrique représente une charge non-linéaire et complexe polluant le réseau électrique. Aujourd’hui le marché du soudage est en pleine expansion et l’optimisation de la consommation des postes est recherchée. De plus, l’apparition d’une norme imposant l’obtention d’un facteur de puissance unitaire de manière plus restrictive est à prévoir dans un avenir proche. Ainsi, les travaux menés dans cette thèse consistent à élaborer une architecture de conversion d’énergie et à développer la commande numérique la plus adaptée à la correction du facteur de puissance au sein d’un poste à souder garantissant l’obtention d’un système de hautes performances et optimisant la conversion d’énergie. Après avoir défini les caractéristiquesgénérales d’un poste à souder et justifié l’intérêt de l’emploi d’un PFC, l’état de l’art proposé sur les topologies et régulateurs, permettant l’obtention d’un facteur de puissance unitaire, mène à l’emploi d’un convertisseur Vienna triphasé dont le contrôle en courant est effectué par un régulateur auto-oscillant robuste. L’investigation de la numérisation et l’étude de performances de ce régulateur, sont précédées d’une amélioration du modèle de la version analogique permettant une définition précise de la fréquence de commutation maximale du système. Le régulateur numérique nommé DPSSOCC est finalement implanté sur FPGA et son fonctionnement est validé sur banc de test expérimental monophasé puis triphasé.

An arc welding device is a non-linear and complex load that leads to a grid harmonic pollution. As the welding market is in full expansion, optimization of current consumption is sough-after. Moreover, the introduction of a standard requiring a more restrictive unitary power factor is to be expected in the near future. Thus, the main objectives of this work are to elaborate energy conversion architecture and to develop the most suitable digital control for the power factor correction in an arc welding device, guaranteeing a high performance system and optimizing the energy conversion. After defining arc welding general characteristics and PFC benefits, the study of the state of the artperformed on topologies and regulators, for power factor correction, leads to the use of a three-phase Vienna converter associated to a robust Phase-Shift Self-Oscillating Current Controller. The investigation of the digitization of this current controller and the evaluation of its performances are preceded by an improvement of the analog model of the controller. This enhancement allows a precise definition of the system maximum switching frequency. Finally, the new digital controller, named DPSSOCC, is implemented on FPGA. Experimental results validate its good performances on single-phase and three-phase Vienna converters.