Chapitre II Topologies d’onduleur à tolérance de panne
II.7 Onduleur à bras secours connecté au neutre de la machine
II.7.2.1 Blocage de l’ onduleur
La première stratégie proposée consiste à ouvrir tous les transistors sains afin de provoquer une conduction intermittente de la phase du moteur concernée par le défaut. Il est considéré ici que le 4ème bras n’est pas utilisé en fonctionnement normal ; il est donc déconnecté et le neutre de la machine est alors flottant (figure II.43).
figure II.43 : phase de blocage de l’onduleur pour une défaillance de type "basse impédance" de T5
Comme les chemins de court-circuit avec les diodes sont toujours présents, l’énergie stockée dans les bobinages de la machine se décharge à travers les diodes de roue libre avec une dynamique imposée par l’impédance de la machine. Les courants de court-circuit
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interagissent avec les forces électromotrices et il en résulte un régime dégradé fortement perturbé (figure II.44). L’évolution du courant, conditionnée par la combinaison des forces électromotrices, produit sur l’arbre mécanique un couple de freinage fortement oscillatoire et l’ensemble machine-onduleur fonctionne en générateur incontrôlé. Ce régime de freinage dynamique se poursuit jusqu’à l’annulation des courants, lorsque les amplitudes des forces électromotrices, déterminées par la vitesse de rotation, deviennent inférieures au seuil de conduction des diodes.
figure II.44 : simulation d’un défaut de court-circuit du transistor supérieur du bras C avec blocage de l’onduleur
L’instant auquel se produit la défaillance conditionne le premier passage du courant par zéro. Une étude séquentielle est menée ici pour déterminer les conditions d’annulation du courant. Le cas traité est celui de courants en phase avec les forces électromotrices à l’instant du défaut (commande en couple maximum). Les autres cas, pour lesquels ces grandeurs sont déphasées, ne sont pas décrits mais ils peuvent être traités de manière identique1. Il est considéré que la détection de défaut est rapide par rapport à la période de modulation et ainsi le blocage de l’onduleur est immédiat.
II.7.2.1.a Apparition de la défaillance pendant l’alternance négative du courant
La défaillance concernant le transistor T5, la phase C est alors en permanence connectée au point chaud du bus continu et le courant iphC dans cette phase tend à être positif. En conséquence, si la défaillance se produit lors de l’alternance négative du courant iphC, celui-ci va rapidement s’annuler avant de croître de nouveau (figure II.45) et il est donc
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Chapitre II
possible de procéder au blocage de l’interrupteur d’isolement lors du passage par zéro du courant. Il s’agit donc d’un cas favorable dont la probabilité d’occurrence est de 50%.
figure II.45 : apparition de la défaillance, blocage de l’onduleur et isolement
Au contraire, si la défaillance se produit lors de l’alternance positive du courant, son annulation dépend en particulier de l’instant correspondant de la période de modulation, des paramètres de la machine et du point de fonctionnement.
II.7.2.1.b Défaillance pendant l’alternance positive du courant - cas d’isolement
Si le défaut survient au début de l’alternance positive du courant iphC, le courant iphA est négatif et le courant iphB est positif (figure II.46). Tant qu’aucun de ces courants ne s’annule, le potentiel du neutre par rapport au point froid du bus continu se trouve fixé à 2VDC/3 et l’évolution du courant iphC est déterminée par la source d’excitation que constitue la force électromotrice eC et par l’impédance de la machine.
C DC phC c phC ph e 3 V dt di L i R ⋅ + ⋅ = − (II-3)
( )
wt sin E eC = ⋅ (II-4)Le courant iphC est alors la somme d’une exponentielle décroissante vers 0 de constante de temps Lc/Rph et d’une sinusoïde déphasée de par rapport à la fem de la phase C.
= ph c R w L arctan ϕ (II-5)
En considérant que la composante résistive est peu influente, l’évolution du courant est directement imposée par le signe du terme (VDC/3-eC). Pour le point de fonctionnement auquel correspond la simulation de la figure II.47, l’amplitude de la fem eC est inférieure à VDC/3 et par conséquent le courant dans la phase C est légèrement croissant.
figure II.46 : schéma électrique équivalent onduleur-machine (i <0, i >0, i >0)
figure II.47 : blocage de l’onduleur et isolement
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Par contre, le courant dans la phase B subit une forte décroissance car VNB 2VDC/3 et il s’annule rapidement. Dès lors, le court-circuit n’a plus lieu que sur deux phases (figure II.48) et l’évolution du courant dans la phase C est conditionnée par la combinaison des fem des phases A et C. C A phC c phC ph e e dt di 2L I 2R ⋅ + = − (II-6)
Comme le terme (eA-eC) est alors négatif (figure II.50), le courant iphC décroît jusqu’à s’annuler et l’interrupteur d’isolement peut être bloqué (figure II.47).
figure II.48 : chemin de circulation du courant iphC
lorsque iphB s’annule
figure II.49 : chemins de circulation pour des courants négatifs dans les phases A et B
II.7.2.1.c Maintien du régime de défaut
Si la défaillance se produit plus tard au cours de la période de modulation et que le terme (eA-eC) devient positif avant que le courant iphC ne se soit annulé, ce dernier recommence à croître (figure II.50). Tant que le courant iphB est nul, le potentiel de la phase B dépend du potentiel du neutre et de la fem eB. Lorsque la tension composée VBC devient supérieure au seuil de conduction de la diode, le courant circule alors dans la diode supérieure connectée à la phase B (figure II.49). L’évolution du courant iphC n’est plus conditionnée que par la fem simple eC.
C phC c phC ph e dt di L i R ⋅ + =− (II-7)
Chapitre II
Comme les phases des bras sains ont des potentiels variables pendant la durée où leur courant est annulé par le blocage des diodes, une composante continue de tension s’instaure et celle-ci introduit une composante continue dans les courants de phase. Ainsi, les phases "saines" voient des courants dont les composantes spectrales prédominantes sont la composante continue, le fondamental et le 2ème harmonique (courant de type redressé mono-alternance). Dans la phase reliée au bras en défaut, la composante continue élevée du courant quasi-sinusoïdal fait que celui-ci ne s’annule pas avant de nombreuses périodes électriques (figure II.44). Les intensités mises en jeu sont élevées, car l’amplitude des courants n’est limitée principalement que par l’inductance cyclique de la machine et leur composante continue est limitée par la résistance statorique.
Pendant la durée de ce régime dégradé, les contraintes se reportent également sur les grandeurs mécaniques puisque le couple présente des oscillations d’amplitude élevée et que la vitesse n’est plus contrôlée. Le point de fonctionnement de l’actionneur a une influence sur le régime de défaut. La vitesse de rotation de la machine lors de la défaillance conditionne la durée de ce régime, mais elle n’agit pas sur les amplitudes des courants et du couple puisque la fem et la réactance de la machine lui sont proportionnelles (en dehors de la plage basse vitesse). Par contre, la force aérodynamique exercée sur la gouverne est plus déterminante car elle conditionne l’évolution du régime de défaut : tant que l’isolement onduleur-vérin n’est pas effectif, cette force peut entraîner le maintien de la rotation de la machine et donc du régime de court-circuit en faisant dériver ainsi la position du vérin.