Essayer de contrôler l'énergie électrique

Il est probable que les mots électroniques de puissance et convertisseurs de puissance dissuadent peu. Cependant, il faut souligner l'importance de cette technologie dans les différentes applications qui nous entourent. Exemples de ces applications sont les systèmes de génération basés sur les énergies renouvelables (moulins à vent, systèmes photovoltaïques, etc. ). ), propulseurs, trains et véhicules électriques et hybrides. Parfois, la défaillance des composants du convertisseur de puissance est possible en compromettant l'intégrité des systèmes. À cet égard, le groupe de recherche de l'École supérieure d'ingénierie de l'UPV-EHU en électronique appliquée APERT a étudié le fonctionnement des convertisseurs matriciels de puissance pour aborder cette problématique. Le résultat de ce travail de recherche a été la thèse de doctorat de l'auteur.

Les convertisseurs de puissance sont construits en interconnectant des appareils électroniques qui agissent comme des interrupteurs, construits en combinant des dispositifs semi-conducteurs, afin de transformer l'énergie électrique de manière contrôlée. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire de contrôler correctement les périodes d'allumage et d'arrêt des interrupteurs. Cela permet de contrôler la position, la vitesse, le moment électromagnétique, etc. des machines électriques qui sont souvent connectées aux sorties des convertisseurs de puissance.

Dans les convertisseurs de puissance, nous pouvons différencier différentes topologies en fonction de la configuration des disjoncteurs. Les redresseurs et les onduleurs sont aujourd'hui l'une des topologies les plus matures et connues. Cependant, la thèse a étudié en profondeur le convertisseur de puissance connu sous le nom de convertisseur matriciel (MC, Matrix Converter). Ce convertisseur a des caractéristiques spéciales, et comme cette technologie est développée, son utilisation peut être considérablement étendu. Les caractéristiques présentées ci-dessous permettent d'utiliser le MC dans des applications très spéciales.

Convertisseur de puissance matricielle dans des applications critiques spéciales

La conversion de puissance pour alternance (AC/AC) est nécessaire dans plusieurs applications industrielles. Par exemple, cette conversion est réalisée pour adapter au réseau l'énergie électrique produite dans le générateur d'un moulin à vent. En ce sens, le MC est un convertisseur spécial qui effectue la conversion de puissance AC/AC. Les convertisseurs conventionnels de puissance type AC/AC réalisent la conversion en deux étapes : alternatif à continu (AC/DC), premier et continu à alternatif (DC/AC), puis. Pratiquement tous les convertisseurs de puissance classiques ont une caractéristique commune: ils ont un ou plusieurs condensateurs entre les étapes de conversion. Ces condensateurs ont généralement un poids et un volume élevés et sont très sensibles à la température et à la pression. En outre, ils sont chers et vieillissent vite.

À l'avenir, les MC peuvent être utilisés dans les systèmes électriques de flapage d'avions. Ed. Reproduit avec l'autorisation du photographe Helset Bierbaum (www.airliners.net)

Au contraire, les MC effectuent directement la conversion AC/AC, de sorte qu'ils ne disposent pas de condensateurs à mi-chemin. Cette technologie permet de surmonter largement les inconvénients découlant de l'utilisation de grands condensateurs électrolytiques. Cependant, la complexité des MC est très élevée par rapport aux convertisseurs conventionnels. Dans les applications normales, il est très difficile de remplacer les MC par d'autres convertisseurs de puissance, mais dans des applications spéciales où le volume, le poids et la pression sont des facteurs à prendre en compte, c'est un convertisseur très compétitif.

Aujourd'hui, des ingénieurs aéronautiques et des chercheurs, comme les systèmes utilisés pour le flap des avions, travaillent sérieusement à remplacer les systèmes hydrauliques lourds par des systèmes électriques. Compte tenu du faible poids et volume du MC, on peut dire que ce convertisseur peut être un candidat très approprié pour ces applications.

Les MC peuvent également être utilisés dans les sous-marins par télécommande. Les convertisseurs de puissance sont utilisés pour actionner des machines électriques qui déplacent ces sous-marins et alimenter les systèmes d'éclairage, entre autres. Ces sous-marins sont conçus pour fonctionner à des profondeurs allant jusqu'à quatre mille mètres, ce qui les amène à supporter des pressions très élevées. Les convertisseurs de puissance classiques ont de gros problèmes de fonctionnement dans ces conditions.

L'utilisation de ces sous-marins est très répandue aujourd'hui. Ces sous-marins, par exemple, sont utilisés pour des réparations dans des puits de pétrole, pour installer des réseaux transocéaniques de télécommunications ou pour la recherche océanographique. Par exemple, les sous-marins de ce type ont été utilisés pour étudier le volcan qui a émergé près de l'île d'El Hierro.

Les applications mentionnées ont une caractéristique commune : leur fiabilité est un facteur critique. Autrement dit, dans ces applications, il est nécessaire de garantir un fonctionnement continu des systèmes, même si l'un des composants des systèmes utilisés échoue. Par conséquent, y compris les convertisseurs de puissance, le système doit être tolérant de défaillance.

Plateforme expérimentale du convertisseur matriciel tolérant des pannes, développée dans le laboratoire du groupe de recherche APERT de l'UPV. De gauche à droite : RT-Lab eMEGsim numérique en charge du contrôle, prototype de MC, sources et charges programmables et oscilloscope. Ed. © Edorta Ibarra/UPV

Un système est considéré comme tolérant aux pannes lorsque ce système est capable de répondre aux pannes, c'est-à-dire qu'il maintient les fonctionnalités minimales nécessaires pour continuer à fonctionner en cas de panne. Ces fonctionnalités minimales à maintenir sont définies en fonction de l'application. Par exemple, dans le cas du Liropus subaquatique utilisé dans El Hierro et de plusieurs sous-marins de recherche océanographique similaires, il est important que le système ait la capacité de revenir à la surface, même si les systèmes de puissance qui déplacent le sous-marin échouent. Il faut noter que ces sous-marins sont vraiment chers (le sous-marin Liropus a eu un coût de 1.450.000 euros).

Si vous souhaitez utiliser les avantages offerts par le MC dans ces applications, vous devez améliorer la tolérance de défaillance de ce convertisseur. En ce sens, la thèse de doctorat a proposé de nouvelles solutions tolérantes aux défaillances pour le MC.

Nouveau convertisseur matriciel de puissance tolérante des pannes

Le MC a un nombre très élevé de commutateurs. Par conséquent, les disjoncteurs ont de très hautes chances de disposer de sources de défaillance, ainsi que des pilotes chargés de leur activation et désactivation, utilisés pour exciter les dispositifs semi-conducteurs qui forment les disjoncteurs. En ce sens, un interrupteur reste en circuit ouvert lorsque les pilotes correspondants échouent (c'est-à-dire que ce commutateur ne peut pas être activé). En plus d'aggraver le niveau de fonctionnement du système, si on n'agit pas, ces états de défaillance mettent en danger l'intégrité du système en cas de surtensions dans le convertisseur.

La thèse de doctorat propose une nouvelle stratégie tolérante de défaillances pouvant répondre à ce type de défaillances. D'une part, un nouvel algorithme de détection a été proposé qui détermine le composant défectueux. D'autre part, un nouvel algorithme de contrôle a été proposé qui protège le convertisseur des surtensions et améliore considérablement le niveau de fonctionnement du système.

Résultats expérimentaux des courants synthétisés à la sortie par le prototype MC: (a) quand le système fonctionne correctement, (b) quand un des commutateurs de MC est en circuit ouvert (dysfonctionnement) et (c) quand un algorithme de contrôle tolérant de défaut est établi (fonctionnement pseudo-optimal) (Les images présentant les résultats sont publiées dans cet article scientifique: Ibarra, E. et al. : (2011). New Fault TolresponMatrix Converter. Electric Power Systems Research. 81 (2): 538-552. ). Ed. © Edorta Ibarra/UPV

Une plate-forme expérimentale complexe a été construite dans le laboratoire de recherche pour valider le nouvel algorithme. Les résultats obtenus montrent que ce nouvel algorithme de contrôle permet un bon fonctionnement du système pour sortir de la situation de risque (le contrôle de vitesse présente une petite erreur dans une grande zone de vitesse). La solution proposée peut être une avancée majeure dans l'extension de l'utilisation du MC dans des applications critiques spéciales.

Bibliographie Bibliographie

Remerciements

Cette recherche a été financée par l'Université du Pays Basque à travers la bourse prédoctorale 2007-2011.