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Submitted on 1 Jan 1997
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Conséquences des nouvelles formes de commande sur les matériaux de l’isolation statorique
J. Bellomo, Th. Lebey, Fr. Peltier, J. Oraison
To cite this version:
J. Bellomo, Th. Lebey, Fr. Peltier, J. Oraison. Conséquences des nouvelles formes de commande sur les matériaux de l’isolation statorique. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1997, 7 (5), pp.993- 1008. �10.1051/jp3:1997170�. �jpa-00249635�
J. Phys. III llrance 7 (1997) 993-1008 MAY 1997, PAGE 993
Cons4quences des nouvelles formes de commande sun les mat4riaux de l'isolation statorique
J-P- Bellomo (~), Th. Lebey (~,*), Fr. Pettier (~) et J-M- Oraison (~)
(~) Leroy-Somer, 1 bd Marcehn Leroy, 16015 Angoulkme, France
(~) Laboratoire de Gdnie #lectrique, 118 route de Narbonne, 31062 Toulouse, France
(Regu le 9 septembre 1996, rdvisd le 5 ddcembre 1996, accept4 le 28 janvier 1997)
PACS 84.50.+d Electric motors
PACS.77. Dielectrics, piezoelectrics and ferroelectrics and their properties PACS.77.22.Gm Dielectric loss and relaxation
R4sum4. L'utilisation de nouvelles formes de commande pour les machines h courant alter- natif se traduit par l'apparition d'un nouveau type de contraintes sur les mat4riaux de l'isolation
statorique. L'4tude de leur comportement sous l'action de ce type de contraintes revAt un int4rAt tout particuher pour la validation et la stabiht4 de ces systAmes dans le temps. Nous pr4sentons,
tout d'abord, ces diR4rentes formes de tension identifi4es h l'aide d'un moteur spdcialement mstrumentd. L'existence de fronts de tension trAs dlev4s, de surtensions importantes (jusqu'h
500 V) et d'oscillations hautes fr4quences (2 MHz), est mise en 4vidence. La reproduction de ces contraintes en laboratoire sur des 4chantillons de polyesters (Poly#thylbne Tdrephthalate) per-
met alors de ddterminer l'influence des formes de tension carr4es sur les propriAtds intrinsbques
du matdriau. Elle se traduit par l'existence d'une charge pidgde en surface du didlectrique. Cette charge superficielle est associde, d'une part h l'existence de phdnombnes de relaxation dans les
matdriaux dtud14s et d'autre part h la valeur des fronts de tension appliquds. Pour finir, les
cons4quences possibles de l'existence de ces charges superficielles sont discut4es.
Abstract. Use of inverter drive for rotating machines speed control leads to the application of new stress on stator insulation materials The integrity of these materials under such stresses has therefore to be studied. Thanks to specially equipped motor, the diRerent voltage shapes
have been identified. Very short rise time fronts, large overvoltages and high oscillation fre- quencies are obtained. These voltages are then reproduced on laboratory samples (Polyethylene Terephtalate). The main result is the existence of trapped surface charges related both to the rise front value and to the existence of polar mechanisms in the material bulk The consequences of this surface charge existence on the reliability of a real system are then discussed
1. Introduction
La recherche de dispositifs 41ectromdcaniques de plus en plus souples a fa~,orisA l'apparition de
nouveaux systbmes particuliArement performants. Ces systAmes reposent gdndralement sur l'as-
sociation d'un dispositif dlectronique, permettant le contr61e de l'ensemble, et d'une machine
(*) Auteur auquel doit Atre adress4e la correspondance (e-mail lebeyfllget.ups-tlse.fr)
© Les #ditions de Physique 1997
tournante assurant la conversion dlectrique mdcanique. Le ddveloppement rapide de nouvelles
structures de convertisseurs ainsi que de nouveaux composants dlectroniques autorise aujour-
d'hui la commande des machines h courant alternatif avec des frdquences de d4coupage au-dell du domaine audible (supdrieures h 16 kHz). Toutefois, il ne faudrait pas qu'en contre partie ces
contraintes spdcifiques entrainent des ddfauts lors du fonctionnement des machines tournantes ainsi alimentdes, notamment au niveau de leur isolation dlectrique. En effet, prdvue et dimen-
sionnde initialement pour des applications 50 Hz sinusdidal, cette isolation est aujourd'hui
soumise h des tensions carr4es iii, qui pourraient s'avdrer particuliArement ddgradantes pour
les d141ectriques [2]. L'dtude de l'influence de ce type de contraintes sur l'isolation revAt donc
un intArAt crucial, d'une part pour la validation de l'utilisation de ces dispositifs, et d'autre part, dans le cadre des nouvelles stratdgies de maintenance des systAmes dlectrotechniques complexes.
Dans un premier temps, nous rappellerons les principales formes de tension gdndrdes par un
variateur de vitesse, dont le principe fait appel h la Modulation de la Largeur des Impulsions (MLI). Outre l'observation classique des signaux h l'entrde du moteur, la visualisation de la
propagation des tensions dans le bobinage, rendue possible par l'instrumentation d'un moteur
triphasd, permet d'dtudier aussi les contraintes appliqudes sur l'isolation entre spires.
La reproduction de ces formes de tension sur un mat6riau modAle, le PolyAthylAne TAreph- thalate (Mylar~~), permet alors d'entreprendre l'Atude de leurs consAquences sur l'intAgritA du
diAlectrique. En comparant ces rdsultats h ceux obtenus aprAs un vieillissement en sinusoidal 50 Hz, une tentative d'explication du phdnomAne observd pourra ensuite Atre proposde. Enfin,
nous tenterons dans notre discussion d'dvaluer les risques que font courir pour une isolation
rdelle alimentde par un dispositif variateur de vitesse, le phAnomAne mis en Avidence.
2. Identification des formes d'ondes g4n4r4es par un variateur de vitesse
2. I. DisPosiTif EXPtRIMENTAL. Pour (valuer de maniAre pr4cise les contraintes issues d'un variateur de vitesse, it faut non seulement mettre en Avidence les formes de tension prAsentes
h l'entrAe du moteur, mars aussi lors de leurs propagations dans le bobinage. I partir d'un ensemble industriel classique (onduleur MLI + moteur 380 V de puissance 7,5kW) un dispositif expArimental sp4cifique a dtA mis au point Pour permettre la visualisation de la tension dans le
bobinage, un ensemble de points de mesure a dtd d4fini. Ce moteur possAde 6 bobines par phase comportant chacune Ii spires de fil de cuivre dmail14 de 1,7 mm de diamAtre. Afin d'observer le cheminement du signal dlectrique dans le moteur, une phase a dtd dquipde de 36 fils blindds
soudds h mAme la spire en sortie d'encoche. Ces fils permettent d'avoir accAs aux tensions entre
spires et masse des deux premiAres spires, des deux spires du milieu et des deux demiAres spires pour chacune des 6 bobines (Fig. I).
L'onduleur utilisd pour alimenter ce moteur est de type h Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI) h contr61e vectoriel et est dot4 de semi-conducteurs rapides (de type IGBT). Ce variateur, autorisant une charge de lo kW, peut assurer une modulation avec une frdquence de ddcoupage de 8 h 16 kHz.
L'observation des signaux est alors rdalisAe h l'aide d'un oscilloscope numdrique placA en
sortie d'un sdlecteur assurant la liaison entre les 36 fils blind4s issus du moteur et les 2 entrdes de l'oscilloscope.
2.2. OBSERVATION DES FORMES D'ONDES. Dons ces exp4riences, la carcasse du moteur est relide h la terre qui jouera le role de masse. Les premiers rdsultats relatifs h l'observation du signal h l'entrAe du moteur permettent de voir que la tension entre une phase et la masse
(qui correspond h la tension appliqude sur l'isolation de fond d'encoche) se prdsente sous la
N°5 INFLUENCE DU P-W-M SUR L'ISOLATION BASSE TENSION 995
Plwse2
12 7 8 IS16j
bob~e I bob~e 6 ~~~
Plwse
Fig 1. Sch4ma du bobinage du moteur dquipd [Scheme of the equipped Inotor winding.]
Base de tenips : 4 psldiv
Tensiont : iuow&v
Fig 2 Les diRdrents fronts gdndr4s par l'onduleur. a) dV/dt
= 2800 V~Js~~,b) dV/dt
= 800 V~Js~~,
c) dV/dt = 280 V ~ts~~.
[Inverter ouputs rise time, a) dV/dt = 2800 V ~s~~, b) dV/dt
= 800 V ~ts~~, c) dV/dt = 280 V ~ts~~
forme d'un signal carrA compris entre +255 et -255 V dont la frdquence de r4pdtition est de l'ordre de lo kHz. Si la base de temps est dilatde, la visualisation du signal met en dvidence une
multiplicit4 des fronts. Dans notre cas, 3 types de fronts allant de 300 V ~Js~~ h 2,8 kV ~Js~~ ont pu Atre identifids (Fig. 2). La prdsence de ces 3 types de fronts de montAe traduit les diffArences de commutation des interrupteurs de puissance, qui d4pendent de la valeur du courant [16].
De plus, le front d'impulsion le plus rapide (dV/dt
= 2800 V ~Js~l) entraine des oscillations parasites haute frAquence qui n'apparaissent pas pour les deux autres fronts caractArisAs par des dV/dt de 800 V ~Js~l et de 280 V ~Js~l [3,4]. La visualisation de la tension en sortie de l'onduleur (sans oscillations) permet d'avancer l'hypothAse selon laquelle ces oscillations
r4sultent de la prdsence du chble entre l'onduleur et le moteur [5]. Enfin, pour un type de chble donna, la longueur de celui-ci conditionne de maniAre univoque la frdquence et l'amplitude de
ces oscillations (Figs. 3a et 3b).
Concernant la propagation de ces fronts dans le moteur, on constate une forte attdnuation du front le plus rapide [6] (Fig. 4). Une dtude similaire mende pour les fronts de tension plus
250
I ~~ (
q iso
j g
f ~°° )
,i
50 ~ m
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10 100
longueur(m) bngueur(m)
a) b)
Fig. 3 Amplitude la) et fr4quence 16) des oscillations en fonction de la longueur du cible.
[Oscillation magnitude la) and frequency 16) us cable length.]
de ~mps :
o,3psldiv
Teusians:
100 Vldiv
Fig. 4. Att4nuation des fronts de tension de 2800 V ~ts~~ h l'entr4e de la bobine 1 la), de la bobine 2 16) de la bobme 3 (c), de la bobine 4 Id), de la bobine 5 (e), de la bobine 6 If)
[Decrease of the shortest rise time value (2800 V ~ts~~) at diRerent coil inputs.]
faibles montre que cette attdnuation est, soit moins importante, soit inexistante (Fig. 5).
Outre cette attdnuation, l'existence d'un retard lid h la propagation du signal dans le fil 4mailld composant le bobinage peut Atre observd. La valeur maximale de ce retard entre l'entrAe et le point milieu est de 2,2 ~Js. Ces deux phAnomAnes (retard + attdnuation) sont h la base de surtensions trAs importantes au niveau des tensions entre spires, qui sont alors nettement
supArieures h celles obtenus en AC 50 Hz. La plupart des machines Alectriques basse tension 4tant bobindes mdcaniquement, la possibilitA que des spires non consdcutives soient jointives
doit Atre envisagde [7]. L'observation de la tension entre diffdrentes spires d'une mAme bobine constitue logiquement la premiAre (tape de cette analyse L'dtape suivante est consacrde h la recherche de la contrainte maximale pour les diffdrentes bobines formant le bobinage statorique.
N°5 INFLUENCE DU P-W-M SUR L'ISOLATION BASSE TENSION 997
~_
2500
~ 2000
iS fi
>
'~
500 0
2 3 4 5 6
bobine
Fig. 5. Att4nuation des fronts
[Sum-up of rise time decrease
Base de temps spsldiv
Tensions:
50 vldiv
iC)
Fig 6 Tension entre spires (3~ bobine) et 16 (a), la spire1et 8 16), 1et 2 (c).
[Turn to turn voltage (third coil).]
La figure 6 reprdsente la rdpartition de la tension entre spires h l'intdrieur d'une mAme bobine.
La tension entre spires consdcutives (c) est suflisamment foible pour qu'elle puisse Atre consi- ddrde comme non nocive pour l'isolation entre spires. Par contre, la tension entre 8 spires (b) prdsente un pic relativement important (80 V), et ce pic devient beaucoup plus important (160 V) dans le cas de la tension entre les spires I et 16 (a) II semble donc que la tension entre
spires se rdpartisse de fa~on dquipotentielle dans une bobine.
La contrainte maximale semblant apparaitre entre la premiAre et la derniAre spire de la
bobine, une dtude de la tension aux bornes de chacune des 6 bobines constituant le bobinage permet de d4terminer le maximum de celle-ci sur son ensemble.
Ce pic, qui 4tait de 160 V pour la troisiAme bobine, est de 240 V pour la seconde et atteint prAs de 350 V pour la premiAre. Par contre, pour les bobines proches du point neutre, l'amplitude
de ce pic diminue fortement (Fig. 7).
Le tableau I prAsente un bref r4sum4 comparatif entre les caractAristiques des signaux iden-
tifi4s et les valeurs relatives h une alimentation en AC 50 Hz.
400 350 300
~~~~
( 200
I
~~~
ioo 50
0
2 3 4 5 6
bobbles
Fig. 7. Pic de tension aux bornes de diff4rentes bobmes.
[Turn to turn overvoltages for diRerent coils
Tableau I. Comparaison des caractdristiques des tension entre une alimentation carrde et sinusoidale 50 Hz.
[Summary of voltage characteristics between inverter and AC 50 Hz power supply.]
Alimentation type MLI AC 50 Hz
Forme
: carrde Forme Sinus
entre spires et Frdquence qqs 10 kHz Frdquence 50 Hz
masse Amplitude jusqu'h 500 V Amplitude 2204
= 310 V
Fronts jusqu'h 2,8 kV ~Js~l Fronts 60 V ms~l
Forme pic trAs bref Forme : sinus
entre bobines Frdquence qqs 10 kHz Frdquence : 50 Hz
Fronts jusqu'h 2,8 kV ~Js~l Fronts 60 V ms~l Amplitude jusqu'h 350 V Amplitude 220/6
= 36,7 V
3. #tude du vieillissement 41ectrique
3.I. DLTERMINATION Du MODLLE DE L'isoLATioN STATORIQUE. Pour tenter de d4celer l'influence des formes de contraintes prdcddentes sur les matdriaux de l'isolation statorique, ii convient de choisir d'une part un matdriau modAle h la fois simple et reprdsentatif, et d'autre part, une observable caractdristique du matdriau et de son vieiliissement. Concernant le choix du matdriau modble, la premiAre diflicultd rdside dans la multiplicit4 des systAmes d'isolation
rencontr4s dans un moteur. En effet, un premier type d'isolation se situe au niveau des fils constituant chaque enroulement ((mail), puis, entre le bobinage ainsi rdalisd et la carcasse mAtallique (isolation en fond d'encoches) et enfin entre les trois phases du moteur. Selon le type
d'isolation dtudid, entre spires, entre spire et masse ou entre phases, le matdriau utilisd pour la rdaliser sera diffdrent compte tenu de l'environnement dans lequel il se trouve (tempdrature,
N°5 INFLUENCE DU P-W M SUR L'ISOLATION BASSE TENSION 999
Fig 8. Ddgradation de l'dtat de surface (x20).
[Surface degradation (x20)
gdomdtrie, tension). Toutefois, il semble que dans les cas les plus courants, l'utilisation de matdriaux polyesters puisse convenir. Le matdriau modAle utilisd est donc un polyester trAs
r4pandu, le Poly4thylAne Tdrephthalate (&lylar~~). Son dpaisseur est de 25 ~Jm.
Pour le suivi de l'dvolution du matdriau, dans une premibre (tape, nous avons envisagd
d'utiliser la permittivitd complexe [18]. Afin de rdaliser une mesure reproductible, la capacitd gdomdtrique de nos dchantillons (Co " eosle oh S est la surface des dlectrodes et e l'dpaisseur du
didlectrique) doit Atre parfaitement dAfinie. Des dlectrodes sont donc ddposdes par dvaporation thermique sous vide sur les dchantillons. Cette mAtallisation nous permet de plus de ddfinir de maniAre prAcise la rAgion dans laquelle le vieillissement est effectuA.
Cependant, comme nous le verrons par la suite, compte tenu des consAquences de, l'ap- plication d'une tension carrd sur ces dchantillons mdtallisds, ils seront abandonnds au profit
d'dchantillons non mdtallisds.
Pour procdder h une acc41dration du vieillissement de ces dchantillons, un dispositif dlectro- technique original a dtA mis au point [8, Iii. II s'agit d'un gdndrateur de signaux carrds I kV de
rapport cyclique modulable dont les fronts de tension 4galent, voire ddpassent ceux engendrds
par le variateur de vitesse. Dans un premier temps, une dur4e de vieillissement de 1000 heures
a dtd choisie.
3.2. R#SULTATS
3.2.1. llchantillons m4tallis4s. DAS les premiers essais r4alisds pour des fronts de tension
supArieurs h I kV ~Js~~ mais d'amplitude faible (+250 V) sur des Achantillons mAtallisAs, une dAgradation de l'Atat de surface de la mAtallisation est apparue (Fig. 8). Cette dAmAtallisation
apparait tant sur la face supArieure (soumise h la haute tension) qu'au niveau de la face infArieure (masse ou point milieu). L'dtude des contours de ces ddmdtallisations h l'aide d'un microscope dlectronique h balayage, rdvAle que les bordures du mdtal sont retourndes vers l'extdrieur de la structure et non pas dirigdes vers le didlectrique. Tout se passe donc comme si cette dAmdtallisation rAsultait d'une pulvArisation du mAtal vers l'extArieur.
Compte tenu de l'occurrence de ces dAmAtallisations, une Atude des conditions expArimentales
a AtA entreprise, ceci afin de relier de maniAre univoque le phdnombne mis en dvidence h la forme
particuliAre de la contrainte et h son interaction avec le didlectrique et non h des problAmes expdrimentaux. Nous avons ainsi dtud14 l'influence de
la rugositd des dlectrodes d'amende de tension
la nature du mdtal de ddp6t (aluminium puis or) et de son dpaisseur
la mdthode de ddp6t de cette couche m4tallique (pulvdrisation cathodique ou dvaporation thermique).
Dans tous les cas, le mAme phdnomAne a dtd ddtectd avec toutefois des seuils d'appantions diffArents La ddmdtallisation ne semble donc pas reliAe aux conditions d'application de la ten- sion. C'est donc la forme carrde de la tension et son interaction avec le matdriau qui expliquent
ce rAsultat.
L'Atude d'un vieillissement en sinusoidal 50 Hz d'amplitude supArieure (+500 V), rAalis4 h la tempArature ambiante, n'a pas conduit aux mAmes phAnomAnes. II parait donc Avident que la forme de tension particuliAre de ces contraintes soit bien la cause de ces ddmdtallisations.
Enfin, il semble que ce phdnomAne soit particuliArement rapide puisque des vieillissements de dur4es beaucoup plus courtes (quelques heures) conduisent h des rdsultats similaires.
Pour (valuer la nocivitd des fronts et de l'amplitude de la tension appliqude, une localisation de la ddm4tallisation s'avAre ndcessaire en limitant la surface de l'dlectrode solide amenant la tension, le ph#nomAne devant se produire sous celle-ci, il serait trAs simple de la visualiser.
En poussant ce raisonnement h l'extrAme, l'idAe d'une dlectrode de type pointe s'est imposde.
Relativement facile h rdaliser, il fallait toutefois qu'elle n'entraine pas un renforcement de
champ. La pointe sdlectionnde, dont le rayon de courbure est de 500 ~Jm, remplit largement
cette condition.
D'autre part, en diminuant l'dpaisseur de la mdtallisation, il est possible d'accdldrer encore plus l'apparition de la ddmAtallisation pour arriver h une dAmAtallisation trAs rapide, voire
instantanAe. Ainsi, la localisation prAcise du phAnomAne et sa manifestation quasi instantanAe favorisent son observation. II est alors possible d'envisager de dAfinir un critAre de nocivitd. Si dans un temps infdrieur h une seconde, une ddmAtallisation a eu lieu, celle-ci est comptabilisde.
En effectuant 10 essais successifs en diffdrents points de la surface, la virulence de la contrainte
appliqu4e peut Atre estimAe. La modification des fronts de tension ainsi que de l'amplitude de la tension conduisent h une reprAsentation de ce phAnomAne (Fig. 9) lorsque la frAquence reste
constante et (gale h I kHz.
I l'aide de cette expdrience, l'activation du phdnomAne par le couple amplitude/front est ciairement mise en Avidence. La dAmAtaflisation est bel et bien un marqueur de la rAponse
du matAriau diAlectrique h la sollicitation appliquAe. Cependant, si cette expdrience permet de quantifier sa manifestation, qu'en est-il de sa nature ? Enfin, si l'utilisation de matdriaux
mdtaflisds est intdressante pour une dtude en laboratoire, sa reprdsentativitd en terme d'isolation statorique de moteurs est loin d'Atre assurAe. L'Atude d'une isolation non mdtaflisAe, mAme si efle nous Aloigne des conditions optimales d'application de la tension, constitue donc une dtape
nAcessaire h la comprAhension du phAnomAne.
3.2.2. Vieillissement d'une isolation non m4tallisde. En tenant compte des remarques prdcd- dentes, de nouveaux essais ont donc Atd mends sur des films de polyAthylAne tArephthalate non
mdtallisds pour des niveaux de tension et de fronts similaires aux pr4cAdents. Aucune trace de dAgradation visible n'dtant apparue en surface du matdriau aprAs vieillissement, de nouvelles
analyses ont dtd rdalis4es en vue de dAterminer sa signature sur ces Achantillons non mAtallisAs.
Parmi celles-ci, l'analyse des charges prdsentes h la surface du matdriau se rdvAle particuliA-
rement intdressante. En effet, il apparait que la quantitd de charges prdsentes en surface est
N°5 INFLUENCE DU P-W-M SUR L'ISOLATION BASSE TENSION 1001
lo _'
u ~
)~ 4 2 o
amplitude (V)
~) &nits (Vl~s)
lo 8
~ ~
)~
4 2 0
mnplitude~v)
b) &onts (VIM)
Fig. 9. #tude de la dAm4tallisation locahs4e a) PET b) PEN
[Study of focused demetalhzation: a) PET b) PEN-j
beaucoup plus importante aprAs un vieillissement sous tension carr4 que dans le cas d'un ma- tAriau vierge ou d'un matAriau ayant AtA soumis h une tension sinusoidale 50 Hz. Le dispositif qui permet de rAaliser cette mesure utilise un voltmAtre Alectrostatique de type sans contact et h champ nul (MONROE 204). Les matAriaux AtudiAs sont placAs dans une enceinte hermA- tique permettant le contr61e des conditions extArieures (humiditd relative, tempArature, ...).
Pour effectuer les mesures, ils sont posAs sur un support mAtallique, rel14 h la masse, dont les mouvements, suivant les axes X et Y, sont automatisAs h l'aide de deux moteurs pas h pas.
I l'aide de
ce dispositif, il est possible d'obtenir des cartographies du potentiel en surface du matAriau, et donc de connaitre, non seulement le niveau des charges prAsentes mars aussi leur
position. Ces cartographies prouvent l'augmentation des charges prAsentes en surface dons le
cas d'un vieillissement sous une tension carrAe dotAe de fronts rapides (Fig, 10). L'influence du front peut Atre AtudiAe en comparant la courbe 10(b) avec la courbe de la figure II obtenue
