Contributions aux surtensions et courants haute fréquence dus à la réflexion de l'onde dans les câbles d'alimentation des entraînements à vitesse variable à commande PWM

摘要

L'application des Systèmes d'entraînement à vitesse variable (SEVV) est en croissance grâce à leur efficacité pour l'économie d'énergie et la facilité de contrôle. Le développement des interrupteurs avancés de puissance, à commutation rapide, a pennis une haute fréquence de commutation et a amélioré la performance de la commande par modulation de largeur d'impulsion (MLI) dans ces systèmes. La fréquence de commutation de 2 à 20 kHz est rendue possible grâce aux transistors à grille isolée (IGBT) pour différentes gammes de puissance dépassant 800kW. Toutefois, les forts gradients dv/dt de la tension générée par le convertisseur, pouvant dépasser 6000V /f.ls, ont différents impacts sur les cartes de contrôlecommande du convertisseur, sur ses dispositifs de d'interface et de protection qui sont sensibles aux interférences électromagnétiques (lEM). Par ailleurs, le plus grand pourcentage des perturbations de fonctionnement des procédés contrôlés par les SEVV sont dues à la destruction des enroulements du moteur, à la destruction de ses roulements ainsi qu'aux lEM.ududLes considérations sur ces problèmes doivent être révisées si on tient compte, en plus des impulsions à front raide générées par le convertisseur, des caractéristiques du câble de liaison entre le convertisseur et le moteur. En effet, les problèmes précités deviennent plus graves avec le phénomène de la réflexion d'onde, causant des surtensions transitoires hautes fréquence (HF), qui risquent d'apparaître le long du câble de liaison et surtout aux bornes du moteur. Ces surtensions, souvent, dépassent les valeurs limites d'isolation indiquées par les normes et, par conséquent, détruisent cette isolation du moteur, surtout à 1 'entrée des bobines. Elles favorisent davantage la circulation des courants dans les paliers du moteur, problème d'ailleurs observé dans tous les SEVV, pour causer une détérioration prématurée des roulements. Elles peuvent également causer des décharges partielles sur le câble et réduire ainsi sa durée de vie. Enfin, les oscillations HF de ces surtensions sont associés à des courants parasites qui ont pour effet de favoriser les lEM conduites (en modes commun et différentiel) ainsi que rayonnées.ududLe but de cette thèse est d'apporter des contributions à ce problème de surtensions ainsi qu'aux courants parasites qui leurs sont associés. Elle porte un intérêt particulier au comportement de la liaison entre le convertisseur et le moteur car celle-ci joue un rôle déterminant auquel on doit porter une attention suffisante. L'étude est dédiée aux systèmes d'entraînement, utilisant des onduleurs de tension à commutation rapide commandés par MLI, mis en oeuvre dans des procédés industriels requérant de longues distances entre le moteur et le convertisseur.ududCertaines contributions réalisées se présentent d'abord en des développements théoriques avancés ayant permis l'analyse complète des tensions et courants réfléchis dans le câble de puissance reliant le moteur au convertisseur. Ces développements ont conduit à des outils de simulation précis pour diagnostiquer les courants et tensions le long du câble et au niveau du moteur. Ces outils de simulations ont pour rôle de coordonner entre les différents paramètres du système afin de limiter les risques potentiels des surtensions HF, des courants parasites et des interférences électromagnétiques qui leur sont associés. Les modèles développés ont été validés expérimentalement sur un système d'entraînement industriel de puissance 5 kVA.ududD'autres contributions réalisées apportent des solutions au problème. Elles se présentent sous formes de recommandations élaborées pour protéger à la fois le moteur et son câble d'alimentation des surtensions, tenant compte de leurs classes d'isolation. Elles comportent surtout la proposition de deux approches de protection efficaces. Chacune des approches proposées a été mise en application par la conception et réalisation de deux nouveaux systèmes de protection qui permettent de résoudre le problème pour n'importe quelle distance séparant le moteur de 1 'onduleur. T enant compte des nombreux avantages que présentent ces systèmes par rapport aux solutions déjà commercialisées, ils sont considérés bel et bien deux innovations technologiques à mettre en valeur. D'ailleurs, une demande de brevetabilité a déjà été déposée pour une des deux solutions proposées. ududEn plus d'une synthèse globale personnalisée sur les entraînements électriques et une présentation de la problématique de cette recherche, on liste ci-après les contributions déterminantes de cette thèse: ududSur le plan théorique, des méthodes originales servant à l'analyse des ondes réfléchies le long du câble d'alimentation du moteur, ont été développées: udud1- Un développement théorique avancé ayant permis l'analyse complète des surtensions transitoires, en tout point le long du câble électrique.ud2- Développement de schémas équivalents, dans le domaine temporel, facilitant le calcul des courants dus à la réflexion d'onde.ud3- Un développement théorique avancé ayant permis l'analyse complète des courants parasites en mode différentiel, en tout point le long du câble de liaison.ud4- Une formulation mathématique de l'évolution en fonction du temps des ondes de tension, incidente et réfléchie, en tout point, le long du câble de liaison.ud5- Une formulation mathématique de l'évolution en fonction du temps, des ondes de courant, incident et réfléchi, en tout point le long du câble de liaison.ud6- Développement, dans le domaine temporel, de modèles pour les ondes incidentes et réfléchiesud7- Développement, dans le domaine temporel, de modèles pour les surtensions et courants parasites en mode différentiel, intégrant les coefficients de réflexionud8- Développement, dans le domaine temporel, d'un modèle pour les surtensions et courants parasites en mode différentiel, sans utilisation des coefficients de réflexion.ududSur le plan pratique, les contributions théoriques précédentes ont été suivies des réalisations originales qui sont les suivantes:udud9- Développement et mise en oeuvre d'une approche de mesure des paramètres contribuant aux surtensions, sur un prototype industriel de puissance 5 kVA.ud10- Validations expérimentales des modèles développés, réalisées sur le même prototype.ud11- Investigations expérimentales et interprétations des surtensions dont la valeur crête dépasse le double de la tension du lien à courant continu.ud12- Recommandations élaborées pour protéger à la fois le moteur et son câble d'alimentation des surtensions, tenant compte de leurs classes d'isolation.ud13- Une première invention consistant à la conception et réalisation d'un système de protection efficace, intitulé "Compensateur Passif", à faible perte et qui protège le moteur contre les surtensions pour n'importe quelle distance séparant le moteur de 1'onduleur.ud14- Une deuxième invention consistant à la conception et réalisation d'un système de protection efficace, intitulé "Compensateur Actif", qui protège à la fois le moteur et le câble contre les surtensions pour n'importe quelle distance séparant le moteur de 1'onduleur.ududLes contributions 1 à 12 ont globalement fait objet de trois articles de journaux et de treize articles de conférences internationales, cités en référence. La treizième contribution constitue une invention dont une demande de brevetabilité a été déposée et ne peut par conséquent être publiée à ce jour. La quatorzième contribution pourra faire l'objet d'autres publications.