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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
N° d'ordre : 2117 Année 2004 Thèse préparée au Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle de l'ENSEEIHT Unité Mixte de Recherche du CNRS n°5828 THÈSE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique par Nicolas ROUX Agrégé de Génie Electrique de l'Ecole Normale Supérieure de Cachan DEA Génie Electrique Soutenue le 2 juillet 2004 devant le jury composé de M. Robert BAUSIERE Président, Rapporteur M. Jean-Luc SCHANEN Rapporteur M. Jean-Louis SANCHEZ Examinateur M. Hubert PIQUET Examinateur M. Henri FOCH Examinateur, Encadrant M. Frédéric RICHARDEAU Examinateur, Encadrant M. Didier FERRER Invité, société CIRTEM Nouveaux mécanismes de commutation exploitant les protections intégrées des semi-conducteurs de puissance. Application à la conception de convertisseurs statiques à commutation automatique

  • nouveaux mécanismes de commutation exploitant les protections

  • agrégé de génie electrique de l'ecole normale

  • commutation

  • génie electrique

  • cellule de commutation

  • heure actuelle en matière de raccordement au réseau

  • méthodologie de synthèse de cellules


Publié le : mardi 19 juin 2012
Lecture(s) : 108
Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 205
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N° d’ordre : 2117 Année 2004 THÈSE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique par Nicolas ROUX Agrégé de Génie Electrique de l’Ecole Normale Supérieure de Cachan DEA Génie Electrique Nouveaux mécanismes de commutation exploitant les protections intégrées des semiconducteurs de puissance. Application à la conception de convertisseurs statiques à commutation automatique Soutenue le 2 juillet 2004 devant le jury composé de  M. Robert BAUSIERE Président, Rapporteur  M. JeanLuc SCHANEN Rapporteur  M. JeanLouis SANCHEZ Examinateur  M. Hubert PIQUET Examinateur  M. Henri FOCH Examinateur, Encadrant  M. Frédéric RICHARDEAU Examinateur, Encadrant  M. Didier FERRER Invité, société CIRTEM
Thèse préparée au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de l’ENSEEIHT Unité Mixte de Recherche du CNRS n°5828
A mes parents
RESUME
Cette thèse présente un nouveau mécanisme de commutation qui a pour but d’intégrer la protection du semi conducteur dans le principe même de commutation, afin de générer de nouveaux convertisseurs statiques. Il consiste en une transition autocommandée qui se déroule à un niveau de courant ou de tension non nul. Elle peut être associée avec les commutations commandée ou spontanée permettant de passer de deux à cinq types de changement d’état d’une cellule de commutation. De nouvelles règles élémentaires de fonctionnement d’une cellule de commutation émergent alors. Vu le grand nombre d’interrupteurs possibles, une mé thodologie de synthèse de cellules admettant une réversibilité de source, dont les interrupteurs sont identiques, est présentée permettant de faire apparaître différentes solutions, dont deux semblent particulièrement intéressantes : les cellules onduleur et redresseur à disjonction, utilisant toutes deux le thyristordual disjoncteur. Ce dernier sert de support d’étude du principe de blocage automatique. Puis, le manuscrit se concentre sur l’étude de convertisseurs, associations de cellules élémentaires, faisant apparaître notamment le transformateur à courant continu et le redresseur triphasé réversible. Ce dernier fait l’objet d’un prototype industriel. Enfin, à partir du cahier des charges d’une chaîne éolienne, notre montage a été mis en concurrence avec ce qui se fait à l’heure actuelle en matière de raccordement au réseau, faisant apparaître un gain au niveau des pertes ainsi qu’un rendement énergétique supérieur. Mots Clés ·Disjoncteur·Thyristordual ·Commutation automatique·Intégration de puissance ·Redresseur réversible·Commutation commandée ·Commutation spontanée ABSTRACTThis thesis deals with a new switching process which integrates the semiconductor protection directly in the switching principle, in order to generate new static converters. It consists of a selfcontrolled transition which proceeds on a nonzero current or voltage level.
It can be associated with controlled or naturally switching processes making it possible to go from two to five change of state types of a switching cell. So, new elementary operation rules of a switching cell emerge. Considering the great number of possible switches, a synthesis methodology of cells with a source reversibility, whose switches are identical, is presented making it possible to reveal various solutions, of which two seem particularly interesting: the selfbreaking inverter and rectifier cells, both using the selfbreaking thyristordual. This last is used as study support of the selfbreaking principle. Then, the manuscript concentrates on the study of converters, associations of elementary cells, revealing in particular the DCcurrent transformer and the reversible three phase selfbreaking rectifier. This last had been developed as an industrial prototype. Lastly, starting from the concept of a wind chain, our assembly has been compared with what is presently done as network converters, revealing lesser losses as well as a higher energetic efficiency. Key words ·Breaker·Thyristordual ·Selfswitching·Power integration ·Reversible rectifier·Controlled switching ·Naturally transition
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AVANTPROPOS
Ces travaux de recherche se sont déroulés au sein de l’équipe « Convertisseurs Statiques » du Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle (LEEI) à Toulouse. Le prototype a été réalisé par la société CIRTEM. Tout d’abord, je tiens à remercier M.Yvon CHERON, directeur du LEEI pour m’avoir accueilli au sein de sa structure ainsi que M. Philippe LADOUX qui m’a accepté dans son équipe de travail. Mes remerciements vont également vers M. Christian SAUBION, directeur du CIRTEM, pour les différents moyens mis à ma disposition et son accueil. J’adresse également mes remerciements aux différentes personnes qui ont accepté d’être membres du jury de thèse :  M. Robert BAUSIERE, Professeur au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille, pour m’avoir fait l’honneur de présider ce jury et avoir scrupuleusement relu ce manuscrit. Ses différentes remarques ont permis de grandement améliorer la version finale.  M. JeanLuc SCHANEN, Professeur au Laboratoire d’Electrotechnique de Grenoble, pour avoir accepté d’être le deuxième rapporteur de ce manuscrit et pour ses différentes remarques ainsi que son rapport.  M. JeanLouis SANCHEZ, Directeur de Recherche au Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes de Toulouse, et M. Hubert PIQUET, Professeur au LEEI, pour avoir accepté de prendre part à ce jury et avoir apporté un éclairage lié à leur domaine de compétences respectif.  M. Didier FERRER, ingénieur au sein de la société CIRTEM, pour sa présence au sein du jury et son éclairage d’industriel sur ces travaux. Sur un plan plus personnel, je le remercie pour les journées agréables au CIRTEM. Nos nombreuses discussions techniques ainsi que son éternel optimisme, même après un bon « flash » resteront gravés dans ma mémoire.  M. Henri FOCH, Professeur à au LEEI, pour avoir accepté d’être mon directeur de thèse. Nos conversations se sont toujours révélées très intéressantes, ainsi que fructueuses.
Avantpropos
Son enthousiasme pour la recherche ainsi que sa pédagogie et sa grande simplicité en font un être à part qui laisse un grand vide depuis son départ à la retraite. Il fait partie des gens qui m’auront marqué. J’espère que ce manuscrit permettra à ses successeurs d’adapter l’enseignement de l’électronique de puissance.  M. Frédéric RICHARDEAU, Chargé de recherche au LEEI, pour m’avoir proposé ce sujet de recherche. Sa rigueur et sa passion pour la recherche se ressentent à travers ce manuscrit. Je tiens à le remercier tout particulièrement pour le temps qu’il m’a consacré et la patience dont il a fait preuve au cours de ces trois années. Que ces quelques lignes témoignent toute ma reconnaissance. Je tiens également à remercier toutes les personnes que j’ai pu croiser au LEEI, au CIRTEM ainsi qu’à l’ENSEEIHT au cours de mes enseignements. Je pense plus particulièrement : à Mesdames BODDEN, CHARRON, ESCAIG, PIONNIE et MEBREK pour leur travail indispensable au bon fonctionnement du laboratoire. à M. JeanBaptiste DALZOVO, pour sa bonne humeur et sa gentillesse. Je ne t’ai pas oublié et la société Pim’Air assurera ton baptême. à M. Thierry CARITOUX, pour son aide au CIRTEM. Il a permis de réanimer par deux fois le prototype… aux différents thésards et stagiaires CNAM que j’ai côtoyé, et plus particulièrement Jérôme FADAT, Jérôme VALLON, Laurent PEYRAS (dit Pinpin), Laurent GASC (Monsieur 200 km/h), Jérôme DUVAL (dit Pastis), Sylvain CANAT, Lauric GARBUIO, Patrice LORENDEAUX, Dominique ESCANDE et Didier FLUMIAN. Une pensée particulière à Bernard PONTALIER pour son excellent travail de DEA et sont courage de refaire des études après 20 ans de carrière dans l’enseignement. Enfin, je pense à tous ceux qui m’ont supporté dans le bureau 135 : Laurent PEYRAS, Christophe TURPIN, Gilbert MANOT, Jérôme MAVIER, Alexis RENOTTE, Cédric LIOT et bien sûr Guillaume « Babouchesan » FONTES pour sa grande gentillesse. à tous les étudiants que j’ai eu durant ces trois années de monitorat à l’ENSEEIHT. Si tous les bons moments que nous avons partagés reflètent la carrière d’enseignant, je ne me suis donc pas trompé de voie.
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Avantpropos
J’ai également une pensée pour tous les amis qui m’ont soutenu durant ces années, notamment les excachanais : Laurent et Christine CABARET, dont la famille fait plaisir à voir, Fabien AESCHLIMANN et Juliette JOUHET qui se sont enfin mariés en grandes pompes (quelle voiture !!!!!), ainsi que Sébastien WYBO, le niçois, qui pense que la seule annonce à la coinche est le capot, et Nicolas LAVERDURE, mon binôme de Cachan, qui, grâce à sa grande patience, a supporté mes coups de sang et mon sale caractère. Un grand merci pour tous les toulousains du stage « RAYNAUD », Christelle MICHEL, Lise BAIGET, Christophe BLANQUEVAIN, Frédéric MELEUX, Laurent BERTRANDIAS et sa femme Géraldine (il va enfin devoir s’assagir) et Stéphane NARBONNET. Toutes nos soirées m’ont permis de me détendre au sein de ma deuxième famille. Une pensée à toute mon équipe de baseball avec qui nous avons remporté le championnat régional. Durant cette dernière année de thèse, ils m’ont permis de me défouler et d’évacuer la pression. Je tiens à citer en particulier Thomas KAPUSTA (dit Cacahuète), Nicolas CHALOUB (dit Fisherman), Eric «Pudge » SOLIVERES et Jérôme «2 grammes » LASSERRE. Je tiens à remercier ici une personne dont le nom aurait pu apparaître tout le long de cet avantpropos, Rémi SAISSET. Depuis sept ans que nous nous supportons, il a toujours été là quand j’en ai eu besoin. C’est un véritable ami et je lui souhaite bonne chance pour son poste à Rennes. Enfin, je finis ces remerciements par ma famille : mes parents, mes grandsmères et mon frère, ainsi que la famille Mayen. Ils m’ont toujours soutenu tout au long de mes études. Je leur dois beaucoup. Qu’ils trouvent dans ce manuscrit toute ma reconnaissance et le signe que je suis enfin arrivé au bout.
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TABLE DES MATIERES
RESUME ................................................................................................................................................................... 1
AVANTPROPOS ................................................................................................................................................... 3
TABLE DES MATIERES ..................................................................................................................................... 7
NOTATIONS..........................................................................................................................................................11
INTRODUCTION GENERALE.......................................................................................................................15
CHAPITRE I : NOUVEAU PROCESSUS DE COMMUTATION : LA COMMUTATION AUTOMATIQUE .................................................................................................................................................................19I.1.PROTECTION DES SEMICONDUCTEURS......................................................................................20................I.1.1. Protection en courant ........................................................................................................................20I.1.2. Protection en tension .........................................................................................................................23I.1.3. Bilan......................................................................................................................................................27I.2.DES COMMUTATIONS CLASSIQUES VERS LA COMMUTATION AUTOMATIQUE.......................................28I.2.1. Commutations commandée et spontanée........................................................................................29I.2.2. Introduction de la commutation automatique................................................................................30I.3.INTEGRATION DE LA COMMUTATION AUTOMATIQUE DANS LA CELLUL E DE COMMUTATION............32I.3.1. Rappel des règles d’association des interrupteurs dans une cellule de commutation...........32I.3.2. Modification des règles d’association des interrupteurs avec l’introduction de la commutation automatique...........................................................................................................................................33I.4.SATIQUEYNTHESE DES CELLULES A COMMUTATION AUTOM ..................36................................................I.4.1. Synthèse................................................................................................................................................36I.4.2. Stabilité de la commutation automatique.......................................................................................41I.4.3. Extraction des cellules intéressantes et étude de la protection..................................................43I.4.4. Etude du cas particulier de commutation commandée avec changement de quadrant..........45I.5.CE LHOIX DE LA CELLULE D ETUDE A SUIVRE..........................................................................................64I.6.AUTRES EXEMPLES DE CELLULES A COMMUTATION AUTOMATIQUE.....................................................47I.7.CONCLUSION..................................................................................................................................................51
CHAPITRE II : LE THYRISTORDUAL DISJONCTEUR ....................................................................53II.1.PRINCIPE DU THYRISTORDUAL DISJONCTEUR........................................................................................53II.2.REALISATION EXPERIMENTALE.................................................................................................................54II.2.1. Principe du blocage automatique sans capteur...........................................................................55II.2.2. Description de la carte de commande...........................................................................................56II.2.3. Caractéristique réelle réalisée.......................................................................................................57
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