Reconfiguration de l’onduleur classique à trois bras

La première topologie tolérante aux pannes la plus décrite dans la littérature est celle de l’onduleur classique à 3 bras. Plusieurs variantes de reconfiguration existent. L’onduleur classique est reconfigurable de façon à tolérer :

 un fonctionnement sur deux phases du moteur suite à l’isolation de la phase ou bras défaillant ;

 fonctionnement sur deux phases par l’ajout d’un quatrième bras connecté au neutre de la machine ;

 fonctionnement à trois phases par l’ajout d’un quatrième bras redondant.

4.1.1 Fonctionnement à deux phases

C’est la reconfiguration la moins coûteuse car il n y a aucun ajout de semi-conducteurs ou de circuit de commande associé (Figure I. 19) [Wei 2007]. Parallèlement, les pertes au niveau du convertisseur (conduction et commutation) vont être réduites. Toutefois, quelques inconvénients sont présents tels que la nécessité d’isolateurs de défaut installés sur chacune des phases et d’une connexion au point milieu du bus DC (deux condensateurs en série).

La reconfiguration de l’architecture du convertisseur n’est pas suffisante pour assurer le fonctionnement post-défaillance. Les consignes en courant des deux phases restantes doivent être également modifiées (ia et ib sur Figure I. 19). En effet, la forme d’onde des courants dans ce mode est de même valeur efficace mais les courants sont déphasés l’un de l’autre de 60° [Byoung-Gun 2006].

En termes de performances mécaniques disponibles après reconfiguration, le couple de la machine est réduit par un facteur √3 par rapport à sa valeur en fonctionnement normal à trois phases, soit 57% du couple nominal [Yantao 2013]. Du point de vue de la commande, le fonctionnement à deux phases réduit le nombre de tensions réalisables à 4 tensions [Jang 2003], soit la moitié du nombre de tension en fonctionnement normal [Dan 2005]. Cela est fortement contraignant car les courants dans les deux phases restantes présentent de fortes ondulations, qui se répercutent sur le couple délivré [Jang 2007].

Figure I. 19 : Reconfiguration de l’onduleur classique : fonctionnement sur deux phases restantes.

4.1.2 Fonctionnement à deux phases avec un bras supplémentaire

connecté sur le neutre

La deuxième reconfiguration possible est l’ajout d’un bras au niveau du point neutre de la machine (cf. Figure I. 20). De nombreuses contributions ont été publiées sur cette architecture, comme [Khwan-On 2009]. Au cours de la dernière décennie, plusieurs approches de reconfiguration ont été exposées dans le but d’améliorer la tolérance aux pannes [Mavier 2010], le contrôle [Bianchi 2003] et aussi l’isolation et le confinement des défauts [Welchko 2004] [Bolognani 2000] [Richardeau 2007]. La reconfiguration des consignes en courant est identique au cas précèdent. De plus, il est nécessaire ici de piloter le bras ajouté sur le neutre de façon à conduire le courant résultant des deux phases restantes (ia+ib).

L'un des avantages de cette topologie est le fait que la connexion avec le point milieu du bus DC ne soit pas nécessaire. L’ajout du bras permet également d’augmenter le nombre de tensions de commande réalisables par le convertisseur, il y a ici 8 tensions. Cependant, cet ajout est synonyme d’augmentation de coût, de complexité (des circuits de commandes supplémentaires) et de pertes au niveau du convertisseur. En termes de performances d’entraînement, on retrouve ici les mêmes efficacités que celles de la topologie précédente, à savoir un couple de l’arbre mécanique réduit à (1 √3)⁄ de la valeur nominale.

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Figure I. 20 : Reconfiguration de l’onduleur classique : ajout d’un quatrième bras connecté sur le neutre de la machine

4.2. Segmentation de puissance

Les architectures de segmentation de puissance présentées ici sont des topologies mono-convertisseur et mono-machine. Plusieurs approches de segmentation sont envisageables ; de la source d’alimentation, du convertisseur de puissance ou bien au niveau de la machine électrique.

4.2.1 Architecture électronique en ponts en H alimentant une

machine à phases séparées

La machine électrique utilisée est une machine dont les phases sont physiquement et électriquement séparées (Figure I. 21). De cette manière, chaque phase est alimentée par un onduleur monophasé en pont en H (composé de deux cellules de commutation). Le nombre de bras mis en jeu est donc doublé par rapport à la topologie classique. De ce fait, cet arrangement permet d’appliquer directement la tension du bus DC sur chacune des phases tout en laissant les courants indépendants [Mecrow 1996].

En fonctionnement normal sans défaut, les trois ponts en H permettent d’appliquer plusieurs tensions d’alimentation (27 tensions réalisables) augmentant ainsi les degrés de liberté au niveau de la commande. La particularité de cette architecture est la possibilité de piloter la machine en mode dégradé sans le moindre ajout de composants semi-conducteur

[Abolhassani 2009]. En effet, après l’isolation de défaut (côté convertisseur ou machine), la

machine est capable de produire un couple avec seulement deux ponts en H actifs [Szabó 2008] [Baudart 2012] [Welchko 2006]. La reconfiguration de l’asservissement des deux courants restants est nécessaire et identique à celle de l’onduleur classique (cf. § I.4.1)

Néanmoins, le nombre d'interrupteurs de puissance requis est plus élevé par rapport à la configuration classique. Cela est contraignant du point de vue économique mais lui procure également des caractéristiques très intéressantes telles que le calibre réduit des composants de puissance et donc un faible coût.

Figure I. 21 : Machine triphasée alimentée par trois onduleurs monophasés en pont en H

L’isolation électrique des phases de la machine constitue en revanche un véritable inconvénient de cette architecture. A la différence de la connexion en étoile, la somme des (trois) courants de phase n’est pas structurellement annulée. En représentant la machine dans le repère de Concordia (cf chapitre 3), on constate une composante homopolaire du courant de la machine : cette composante homopolaire est indésirable car, sans contribuer au couple moyen (machine idéale), elle génère des pertes supplémentaires importantes (pertes Joule et pertes magnétiques) ainsi que des ondulations du couple électromagnétique de la machine. Plusieurs travaux ont été menés pour réduire l’effet de ce courant et pour optimiser les performances de l’architecture. Ces solutions sont basées sur des approches d’optimisation de la commande et/ou de la configuration structurelle du convertisseur.

L’optimisation de la commande consiste à exploiter les 27 possibilités d’alimentation du convertisseur pour contrôler les courants sur l’échelle de la période de découpage. Les travaux de [Kestelyn 2003] [Kestelyn 2004] [Martin 2002] [Martin 2003] [Bruyère 2010] [Sandulescu 2011] ont permis d’élaborer plusieurs méthodes de commande pour le contrôle du courant homopolaire.

L’approche structurelle consiste à utiliser deux sources d’alimentation d’amplitudes différentes (cf. Figure I. 22). Les six bras du convertisseur sont configurés de façon à former deux onduleurs classiques, chacun alimentant trois bornes des phases de la machine. La tension d’alimentation de la machine est donc obtenue par la superposition des tensions de sortie de chacun des convertisseurs. La composante homopolaire du courant est forcée à zéro lorsque la connexion entre les deux points O et O’ est retirée [Reddy 2011] (cf. Figure I. 22). Dans ce cas chaque onduleur fonctionne avec une alimentation isolée pour délivrer les tensions désirées.

Il est également envisageable d’assurer le fonctionnement en mode dégradé lorsqu’un défaut apparaît dans l’un des deux convertisseurs. Il existe plusieurs variantes plus au moins coûteuses et destinées à des applications stationnaires [Tekwani 2007][Liegeois 2010] mais aussi embarquées [Shamsi-Nejad 2010].

Figure I. 22 : Topologie de segmentation de la source et du convertisseur.

4.2.2 Architecture électronique alimentant une machine

double-étoile

Cette structure est constituée d’une machine électrique (synchrone à aimants permanents, selon [Shamsi-Nejad 2008]) possédant deux enroulements en étoile. Chaque étoile est alimentée via un onduleur classique à trois cellules de commutations (Figure I. 23). En fonctionnement normal, les deux onduleurs en parallèle alimentent les enroulements en étoile et la tension maximale imposée à chaque phase est identique à celle imposée à chaque phase d’une machine simple étoile [Vaseghi 2011]. En revanche, le courant de phase est égal à la moitié du courant de phase d’une machine triphasée. En cas de défaut de l’un des convertisseurs, l’étoile correspondante doit être isolée en sectionnant la connexion avec le convertisseur. La machine fonctionne alors avec une seule étoile alimentée [Meibody-Tabar 2005][Scuiller 2010]. Avec une telle configuration de la machine, la continuité de service est assurée lorsque l’un des onduleurs présente un défaut [Shamsi-Nejad 2007].

Figure I. 23 : Machine double-étoile alimentée par deux onduleurs de tension

Les deux architectures présentées, en ponts en H et à machine double-étoile présentent certaines caractéristiques communes :

– les deux structures peuvent assurer un fonctionnement post-défaillance lorsqu’un défaut survient au niveau d’une phase ou d’une étoile. Le couple développé est réduit à 57% de sa valeur en mode normal ;

– le nombre de composants semi-conducteurs mis en jeu est le même, et soumis aux mêmes contraintes en courant et en tension.

Et d’autres distinctes :

– La tension nominale de la machine à phases séparées est double de celle en double-étoile ;

– En fonctionnement normal, la structure en double étoile nécessite quatre boucles de courant (4 capteurs de courant) tandis que celle à phases séparées n’en requiert que trois (un capteur de moins) ;

– En mode dégradé, il est alors nécessaire de modifier l’amplitude des courants dans les phases saines afin de développer le même couple par rapport au fonctionnement normal, contrairement au cas de la MSAP double-étoile où la forme d’ondes du courant reste identique.

4.2.3 Structures multi-phase

Ces types de convertisseurs sont particulièrement adaptés aux applications à hautes criticités telles que l’aéronautique [Bennett 2004] et aérospatiale [De Lillo 2010].

Les structures multi-phases consistent à augmenter le nombre de phases, réciproquement de cellules de commutation, de façon à maintenir la continuité de service après la défaillance d’une cellule (ou phase) (cf. Figure I. 24) [Kestelyn 2004] [Bruyère 2008]. On rencontre plusieurs variantes, suivant les nombres de phases installées. Leur majeur inconvénient est le nombre important de composants semi-conducteurs requis et la complexité de la machine associée. Ces derniers sont soumis à de fortes contraintes en courants [Locment 2008]. Cela implique l'utilisation de dispositifs de refroidissement de volume important, complexifiant le système [Kestelyn 2009].

L'avantage des systèmes multi-phase est la grande fiabilité et tolérance aux pannes et la capacité de filtrer plus efficacement les pulsations de couple [Martin 2000].

La problématique de continuité de service, certes cruciale pour le VE n’est cependant pas l’unique préoccupation des acteurs industriels automobiles. En effet, pour réduire les coûts et promouvoir la commercialisation des véhicules, ils travaillent sur la question de rendre communes pour le convertisseur de traction, les fonctionnalités de traction et de recharge. La section suivante traite en détail cette approche de conception.

5. Architectures de recharge et de mutualisation des