Study of Multiplexed Inverters for Medium Voltage Drives

La soutenance de thèse de Vinicius KREMER, intitulée Study of multiplexed inverters for medium voltage drives, se déroulera le 08 juillet 2022 à 10h à Grenoble – Schneider Electric.

Les travaux de thèse ont été réalisés au sein du groupe CS-LAPLACE en partenariat avec l’entreprise Schneider Electric – Grenoble (thèse CIFRE).

Jury :

M. Yves LEMBEYE, G2Elab – Université Grenoble Alpes, Rapporteur
M. Philippe LE MOIGNE, L2EP – Centrale Lille, Rapporteur
Mme Ilknur COLAK, Schneider Electric, Examinatrice
M. Timothé DELAFORGE, Berner Fachhochschule BFH, Examinateur
M. Alain LACARNOY, Schneider Electric, Invité et co-encadrant de thèse
M. Thierry MEYNARD, INPT – CNRS, LAPLACE, Directeur de thèse

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 semi-conducteurs 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.

Mots clés  : Variateurs de vitesse moyenne tension, topologies multiniveaux, topologie multiplexée, modulation vectorielle, caractérisation des semi-conducteurs de puissance, connexion en série des IGBTs.