Limitations des onduleurs MLI pour machine asynchrone

II.3.2.1. Principe de variation de vitesse de la machine asynchrone

L’étude de la qualité des signaux MLI basée sur leurs propriétés spectrales suppose de considérer des ondes de tension périodiques (et donc les signaux de commande associé également) sous-entendant un fonctionnement en régime statique. Le principe de pilotage en vitesse variable considéré dans un premier temps est donc la commande scalaire en U/F constant en dessous de la vitesse (ou fréquence) nominale, c'est-à-dire dans la zone de commande à couple maximal (ou flux) constant, puis à tension constante (ou puissance maximale constante) pour des vitesses supérieures comme le rappelle l’illustration de la Figure 12. Il est bien adapté à la modélisation mathématique spectrale des formes

d’ondes. L’exploitation des signaux de commande dans une boucle de contrôle vectoriel peut alors éventuellement être mise en œuvre comme expliqué dans [DEP96].

F no m V no m

F R E Q U E N C E

F lu x co n stan t T en sio n co n stan te T E N S I O N

Figure 12. Principe de pilotage scalaire de la machine asynchrone.

Le montage de la Figure 13 rappelle le schéma classique d’alimentation en tension par signaux MLI des machines asynchrones triphasées appliqué dans cet exemple au domaine des puissances élevées, et utilisant un onduleur à deux niveaux de tension à thyristors GTO (Gate Turn Off). La tension du bus continu Ec en entrée de l’onduleur est fournie par redressement du réseau et filtrage. Les commandes des deux thyristors d’une même cellule de commutation (ou bras d’onduleur) sont aux temps morts près complémentaires. Les tensions de sortie désirées définissent la commande des thyristors supérieurs, et peuvent prendre les valeurs +Ec/2 ou -Ec/2.

= ∼ ∼ MACHINE ASYNCHRONE CONVERTISSEUR A GTO CELLULE DE FILTRAGE PONT REDRESSEUR RESEAU TRIPHASE L _E c/2 -Ec/2 C M

Figure 13. Alimentation de la machine asynchrone triphasée par un onduleur de tension à GTO. II.3.2.2. Limitations et contraintes

Les onduleurs de tension se sont imposés dans de nombreuses applications où la variation de vitesse est requise. La modulation de largeur d’impulsion s’est révélée être la commande que l’onduleur de tension attendait, au point d’être aujourd’hui la référence incontournable. Cependant les machines asynchrones ont été initialement conçues pour une alimentation sinusoïdale. Cette constatation a amené la communauté scientifique à se pencher sur le comportement spécifique des machines asynchrones en alimentation non-sinusoïdale. Il faut prendre en compte le comportement de l’électronique de puissance et son importante interaction avec la machine. D’autre part, la nature et l’importance des contraintes et des limitations dépendent de la puissance des entraînements.

Les pertes supplémentaires :

Dans le domaine des très fortes puissances (plusieurs MW), les semi-conducteurs sont essentiellement des GTO qui sont soumis à des contraintes fortes et ne peuvent commuter qu’à basse fréquence (quelques centaines de Hertz). Or un signal MLI dont la fréquence de découpage est faible aura un très riche contenu harmonique sollicitant la machine [DHE94]. Les pertes par effet Joule supplémentaires dues au courant harmonique prennent alors une ampleur importante, en particulier au rotor des machines asynchrones en raison de la sensibilité des barres aux variations de température. Ces pertes sont non seulement fonctions du carré du courant harmonique mais elles dépendent également de la variation de la résistance des conducteurs avec l’effet de peau [RES99]. La résistance équivalente du rotor de valeur Rnom pour la fréquence nominale se voit ainsi augmentée pour atteindre la valeur Rf à la

f nom nom f R R . F = (3)

Les pertes au rotor sont obtenues à partir de la somme des pertes par effet Joule provoquées par chaque harmonique. Si on considère le cas des signaux périodiques (modulation synchrone), les harmoniques de tension ont une fréquence kF où k représente le rang de chaque harmonique et F la fréquence fondamentale de commande. On obtient alors l’expression suivante :

3 2 2 2 2 1 1 rotor nom k nom k F P R k V F _Lω +∞ ₋ >     =    

∑

La résistance nominale du rotor étant difficile à connaitre on préfèrera exprimer les pertes à partir d’un facteur permettant de s’en affranchir et d’évaluer de manière comparative les performances harmoniques des signaux MLI dans un contexte de conception de la commande optimisée :

3 2 2 2 1 1 rotor k k B P k V V +∞ ₋ >     =    

∑

où B représente une constante, V1 l’amplitude du fondamental de la tension simple et Vk l’amplitude des harmoniques de la tension simple.

Les perturbations mécaniques :

Certains harmoniques de courant dans les machines peuvent contribuer à la formation de vibrations mécaniques qui sont à l’origine de bruit acoustique et de dégradations mécaniques lorsque les modes mécaniques du système (moteur et support) sont excités. Si ces phénomènes ne sont pas entièrement dus à la commande il n’en reste pas moins qu’une attention particulière est nécessaire lors de sa conception. Une vérification du bon comportement de l’entraînement est nécessaire lors des essais, et une modification des propriétés harmoniques de la commande peut être nécessaire. Les interactions du flux fondamental avec les harmoniques de courant ont un impact négatif voire rédhibitoire sur le couple pulsant ainsi que sur le comportement vibro-acoustique de la machine [MUR89] et [UED91]. L’harmonique de courant Ikagit avec le flux fondamental Φ1 pour produire une pulsation de couple d’amplitude :

1 1

k k

T ± = Φ ⋅I (6)

Le rang (et donc la fréquence) de la pulsation de couple dépend du sens du champ tournant crée par l’harmonique de courant Ik. Dans le cas des signaux symétriques les harmoniques de tension (et donc de courant) ont des rangs de la forme 6n±1. La combinaison des différentes pulsations de couple donnent alors des couples résultants de rang multiples de 6 dont l’expression approchée et simplifiée est donnée par l’équation :

6 1 6 1 6 1 6 1 6 1 n n n V V n n T V − − + − + = (n≥1) (7)

Ainsi, le contrôle du contenu harmonique des tensions de sortie de l’onduleur permet d’agir sur le contenu harmonique du couple, ce qui est possible dans le cas de la modulation optimisée.

Pour les entraînements de moyenne puissance, on retrouve les limitations de la forte puissance mais dans une moindre proportion. En effet, la baisse de la puissance permet l’utilisation de semi-conducteurs tels que les IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) qui autorisent des fréquences de commutation plus élevées, et confèrent donc à la commande un résidu harmonique plus faible.

Cependant, l’utilisation de semi-conducteurs plus rapides (la rapidité est caractérisée par leur dV/dt) à des fréquences de commutation supérieures, engendre dans certains cas de nouveaux effets néfastes

Figure 14. Perturbations dues aux variateurs de vitesse (Extrait de [VID08]).

Les surtensions :

Les câbles reliant l’onduleur à la machine ont une certaine longueur et se comportent comme une ligne de transmission qui est sujette à des phénomènes de réflexion d’onde. La forte impédance de la machine par rapport à celle des câbles et au contraire la faible impédance de l’onduleur implique l’apparition d’un phénomène de surtensions côté machine. La durée de réflexion dépend de la longueur des câbles et définie la fréquence de l’oscillation observée à son extrémité. Les principaux responsables de ce phénomène de surtension sont les dV/dt et la longueur des câbles (le phénomène est important pour des câbles de longueur supérieure à quelques dizaines de mètres). Ce phénomène de surtension a pour conséquence de soumettre les bobinages de la machine à des tensions plus élevées que prévu ce qui entraîne une dégradation anormale des isolants et un vieillissement prématuré. L’augmentation des fréquences de commutation des semi-conducteurs de l’onduleur peut même engendrer des surtensions supérieures à deux fois la tension du réseau continu lorsque les commutations sont rapprochées. Ces surtensions peuvent être suffisamment importantes pour endommager rapidement les enroulements (phénomène de décharges partielles [NEA02], [LEB99]) et réduire la durée de vie de la machine [LAN00], [LAN001], [MAC99].

Le remède consiste à réduire l’amplitude des fronts de tension à l’aide de structures d’onduleurs multiniveaux par exemple et à baisser la fréquence de commutation (éventuellement compensée par une augmentation des performances par modulation optimisée). Le principe du filtrage actif optimisé associe ces deux techniques et apparaît donc comme tout à fait pertinent pour résoudre cette problématique.

Les perturbations électromagnétiques conduites et rayonnées :

Les harmoniques créées par les convertisseurs statiques induisent des perturbations électromagnétiques conduites et rayonnées. Les émissions électromagnétiques conduites sont dues en général aux composantes hautes fréquences (de 150 kHz à 30 MHz), fréquences auxquelles des éléments parasites (inductance des fils ou capacités entre conducteurs voisins) prennent une ampleur significative alors qu’ils étaient négligeables à basse fréquence [COC99] et [SKI99]. Les émissions rayonnées sont quant à elles limitées par les normes CEM (Compatibilité ElectroMagnétique) en vigueur qui tiennent compte des fréquences comprises entre 30 MHz et 1 GHz.

En particulier, les courants de mode commun dans la machine électrique sont dus à la présence de capacités parasites entre les bobinages du stator et la carcasse, ainsi qu’au contenu harmonique de la tension de mode commun qui va induire des courants à travers ces capacités parasites. La tension de mode commun appliquée à la machine est la différence de potentiel entre le point neutre N et le point milieu de référence O de l’onduleur et dépend de la forme du signal MLI :

3 AO BO CO mc NO V V V V ₌V ₌ + + (8)

Le schéma de la Figure 15 illustre la forme de la tension de mode commun obtenue pour un signal MLI issu d’une modulation sinusoïdale.

Ua π 2π Ub Uc V_NO 0

Figure 15. Tension de mode commun d’une machine alimentée par onduleur. Courbes obtenues par

modélisation sous Mathcad de la commande et de l’onduleur.

Les courants de mode commun dans la machine électrique s’écoulent par les zones de contact et donc par les roulements de palier. Il en résulte une dégradation et un vieillissement rapide des paliers. Ces courants peuvent également perturber le bon fonctionnement de la commande de l’onduleur qui est soumis à des tensions parasites. Il existe plusieurs actions sur la commande et donc sur le contenu harmonique de VNO pouvant aider à résoudre ces problématiques.

- La modulation optimisée : l’intégration dans le critère d’optimisation des propriétés de la tension de mode commun permet d’avoir une action bénéfique sur les perturbations conduites.

- L’utilisation de convertisseurs multiniveaux : la réduction des fronts de tension contribue à réduire également les amplitudes des perturbations conduites.

- La modulation stochastique : cette modulation qui consiste à faire varier les paramètres de la porteuse en forme et en fréquence permet d’étaler le spectre émis et évite sa concentration sur des fréquences, à des amplitudes élevées.

- La modulation flat-top : cette modulation consiste à supprimer alternativement les commutations de l’une des trois cellules de l’onduleur afin d’en diminuer le nombre. Son impact sur les perturbations conduites peut être bénéfique dans certains cas.

Concernant les perturbations rayonnées et susceptibles de perturber des appareillages voisins, il est plus difficile de définir avec exactitude leur origine. Il semble cependant acquis qu’elles sont liées aux perturbations conduites [VID08]. Une réduction des perturbations conduites pourrait alors contribuer également à la réduction des perturbations rayonnées.

Les contraintes de commutation :

La commande des semi-conducteurs de puissance est limitée par des contraintes spécifiées par les constructeurs, et permettant de respecter les limites dynamiques et thermiques du composant. Le GTO est un semi-conducteur caractérisé par de très fortes contraintes en raison du domaine des fortes puissances pour lequel il est dédié. L’étude est ici appliquée aux contraintes des GTO afin de la rendre exploitable aux onduleurs de forte puissance. Elle pourra cependant être utilisée avec des composants de contraintes inférieures, ou adaptée à de nouvelles contraintes, qu’il faut intégrer au processus de conception de la commande.

Les contraintes les plus sévères sur la commande de gâchette des semi-conducteurs imposent des limitations aux signaux MLI :

• Délai d’extinction : après la mise en conduction du semi-conducteur, le désamorçage ne peut être enclenché qu’à partir d’un délai minimum de conduction spécifié par le constructeur. • Délai d’amorçage : après extinction du semi-conducteur, la remise en conduction ne peut être

• Temps mort : afin d’éviter tout court-circuit dans les bras de l’onduleur lors des changements de niveau de l’onde MLI, un temps de sécurité appelé « temps mort » doit être introduit en retardant chaque mise en conduction des semi-conducteurs.

• Fréquence : la fréquence de commutation doit être limitée en fonction du pouvoir de dissipation thermique du semi-conducteur.

Ces contraintes impliquent une durée de conduction minimale Tmin établie en fonction du délai minimum de conduction, du délai avant remise en conduction et des temps morts. Le nombre d’impulsions par période fondamentale de l’onde MLI devra être limité afin de ne pas excéder la fréquence moyenne de commutation maximale acceptable Fcmax. Ces paramètres seront particulièrement incontournables lors de la définition des signaux MLI optimisés et seront intégrées dans l’algorithme de calcul.