Etude des onduleurs multiplexés pour les variateurs de vitesse moyenne tension

Study of multiplexed inverters for medium voltage drives

• Auteur / Autrice : Vinicius Kremer
• Direction : Thierry Meynard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 08/07/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Lembeye
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Meynard, Ilknur Colak, Timothé Delaforge
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Le Moigne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Économies d'énergie

Moteurs électriques

Mots clés libres

Variateurs de vitesse moyenne tension

Topologies multiniveaux

Topologie multiplexée

Modulation vectorielle

Caractérisation des semi-conducteurs de puissance

Connexion en série des IGBTs

Medium-voltage drives

Multilevel topologies

Multiplexed topology

Space vector modulation

Power semiconductors characterization

IGBTs series connection

Résumé

Les systèmes entraînés par des moteurs électriques représentent la plus grande consommation totale d'électricité dans le monde, les moteurs à moyenne tension consommant environ dix pour cent de l'énergie mondiale. D'autre part, le coût de l'énergie augmente, et la consommation d'énergie devient de plus en plus importante pour des raisons économiques et environnementales. Par conséquent, les moteurs moyenne tension (MT) sont une cible évidente pour les mesures d'amélioration énergétique, non seulement pour limiter les factures d'énergie, mais aussi pour se conformer à des réglementations plus strictes. Néanmoins, seule une petite partie des moteurs MT actuellement installés sont contrôlés par des variateurs de vitesse, ce qui ouvre la porte à l'introduction de variateurs de vitesse efficaces dans un large éventail d'applications industrielles. Cette technologie aidera l'industrie du monde entier à économiser de l'énergie sans compromettre les performances ou l'efficacité de la production. Par conséquent, le marché des variateurs MT devrait connaître une croissance solide au cours de la prochaine décennie. Ce travail de thèse étudie et propose une topologie de convertisseur multiniveau triphasé basée sur le concept multiplexé qui est spécialement destinée aux applications variateurs de vitesse moyenne tension. Les principales applications potentielles sont les variateurs de vitesse quatre quadrants de 4,16 kV et 6,6 kV. Le chapitre I présente le contexte et l'état de l'art des variateurs de vitesse MT. Le contexte couvre leurs applications, leur potentiel pour réduire la consommation d'énergie dans l'industrie, les attentes du marché, et les objectifs de cette étude. L'état de l'art présente les topologies multi-niveaux classiques et avancées qui ont été implémentées en tant que produits standards pour les variateurs industriels MT, ainsi que les limites de performance et de coût des semi-conducteurs MT utilisés dans ces topologies. Le chapitre II présente la famille des convertisseurs multiplexés et propose différentes structures adaptées aux objectifs de coût et de performance de cette étude en minimisant le nombre de semi-conducteurs MT. De plus, les structures proposées sont comparées en termes de coût des semi-conducteurs avec deux solutions bien établies sur le marché. Le chapitre III présente le principe de fonctionnement de la topologie et deux schémas de modulation différents qui ont été développés pour les structures proposées précédemment. Une modulation basée sur le transport et une modulation vectorielle ont été développées pour, en association avec le principe de fonctionnement, réduire les efforts de commutation des semi-conducteurs MT. De plus, les deux schémas de modulation ont été comparés en termes de qualité de forme d'onde. Enfin, le chapitre IV présente les résultats expérimentaux qui ont validé certains aspects techniques particuliers de la structure multiplexée et certaines hypothèses formulées au cours de ce travail. Trois bancs d'essai différents (l'un étant un onduleur complet) ont été utilisés pour valider la connexion en série des IGBT de 1,7 kV et 4,5 kV, pour mesurer les énergies de commutation des semiconducteurs HT sous tension réduite et pour mesurer les inductances parasites de la structure de l'onduleur. Ces résultats ont été utilisés pour estimer l'efficacité de la structure proposée, étudier la distribution des pertes des semi-conducteurs, et comparer les performances des deux schémas de modulation développés.

Electric motor-driven systems represent the largest total global electricity consumption worldwide with medium-voltage motors consuming around 10 percent of the world’s energy. On the other hand, the energy cost is increasing, and energy consumption must be reduced for economic and environmental reasons. Therefore, medium-voltage (MV) motors are a clear target for energy improvement ; not just to limit energy bills but also to comply with tightening regulations. Nevertheless, today only a small amount of installed medium-voltage motors are controlled by variable speed drives, opening the door for introducing efficient adjustable speed drives in a wide range of industrial applications. This technology will help the industry around the world to save energy use without compromising performance or production efficiency. Therefore, the mediumvoltage drive market is expected to grow significantly during the next decade. This thesis introduces and studies a three-phase multilevel converter topology based on the multiplexed concept which is especially intended for medium-voltage drives. The main targets are fourquadrant 4.16 kV and 6.6 kV power drives. Chapter I presents the context and the state of the art of the MV power drives: their applications, their potential to reduce the energy consumption in the industry, the market expectations, and a description of the aim of this study. The state of the art presents the classical and advanced multilevel topologies that have been implemented as standard products for MV industrial drives and the performance and cost limitation of the MV semiconductors used in these topologies. Chapter II presents the multiplexed family of converters and proposes different structures that could meet the cost and performance requirements of this study by minimizing the number of MV semiconductors. Additionally, the proposed structures are compared in terms of semiconductors cost with two well-established solutions in the market. Chapter III presents the working principle of this topology and two different modulations schemes that have been developed for the structures proposed previously. A carried-based modulation and a space vector modulation have been developed to reduce the switching efforts of the MV semiconductors. Moreover, the two modulation schemes have been compared in terms of waveform quality. Finally, chapter IV presents the experimental results that validated some particular technical aspects of the multiplexed structure and some assumptions made during this work. Three different test benches (one being a complete inverter) have been used to validate the series connection of 1.7 kV and 4.5 kV IGBTs, to measure the switching energies of MV semiconductors under reduced voltage and measure the stray inductances of the inverter. These results have been used to estimate the efficiency of the proposed structure, study the distribution of semiconductors losses, and compare the performances of the two developed modulation schemes.