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Essais d’onduleurs

L’onduleur fait partie intégrante de la chaîne de traction des systèmes d’entraînement électrique. Améliorer son rendement suppose de calculer sa puissance de manière fiable à partir de mesures rapides, continues et corrélées dans le temps, comme celles fournies par les solutions HBK pour les essais de puissance électrique.

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Essais de rendement des machines électriques et des onduleurs — décrits du point de vue de l’utilisateur

Lors de la conception d’un système d’entraînement électrique, quelle que soit l’application, on retrouve trois éléments :

source d’alimentation
convertisseur de puissance
moteur

Le plus souvent, ces éléments prennent la forme d’une batterie servant de bus DC, d’un onduleur qui convertit la puissance DC en puissance AC, et d’un moteur qui utilise cette puissance AC pour transformer l’énergie électrique en puissance mécanique. On parle parfois de conversion de puissance électromécanique.

Quels sont les objectifs des ingénieurs ?

Lors de la conception de ces systèmes, les ingénieurs essaient généralement d’optimiser le rendement sur l’ensemble d’un cycle de fonctionnement. Ils y parviennent en maximisant le couple par ampère sur le plus grand nombre possible de points de fonctionnement. Cela peut se faire grâce à une conception intelligente de la machine ou par la mise en œuvre de la stratégie de commande appropriée. L’onduleur, la commande et le moteur doivent tous fonctionner en parfaite cohérence pour atteindre cet objectif, mais, bien souvent, ces éléments sont développés séparément. Cela conduit à des situations dans lesquelles un moteur très performant est associé à un onduleur peu efficace. C’est pourquoi les ingénieurs et spécialistes système cherchent à maximiser le facteur de puissance à l’échelle du système complet. Un moteur un peu moins performant peut s’avérer pertinent s’il améliore l’efficacité globale du système de commande du moteur.

Dans cet article, Mitchell Marks explique les bases et les exigences liées aux essais des onduleurs et des machines électriques. Ce qu’il préfère dans cette application :

Les moteurs ont dominé le monde industriel pendant 100 ans sans véritable possibilité de les piloter, parce qu’ils étaient propres et fiables : il suffisait de les brancher pour qu’ils fonctionnent. Maintenant que nous avons la capacité de les commander, ils sont intégrés partout, des téléphones portables aux sous-marins. Avec autant d’applications, le travail ne s’arrêtera jamais et aucune journée ne se ressemblera.

Qu'en est-il des alimentations électriques ?

Les alimentations de ces applications sont presque toujours des batteries, mais il peut parfois s’agir d’un système redresseur alimenté par le réseau pour créer un bus DC. Ce bus DC peut ensuite être relevé ou abaissé à l’aide d’un convertisseur DC-DC, puis envoyé à un onduleur. Le convertisseur DC-DC peut aussi être intégré au système de batterie afin d’ajuster le niveau du bus DC à ce que l’onduleur requiert. Ces batteries sont généralement de type lithium-ion, avec une plage de 200 à 400 volts pour les applications automobiles, mais elles peuvent atteindre 600 à 800 volts. Peu d’acteurs choisissent d’aller au-delà, car travailler avec un potentiel DC aussi élevé devient beaucoup plus complexe.

Le rôle de l'onduleur

L’onduleur est un élément central du système, car c’est lui qui assure à la fois la conversion de puissance et la commande. Il se compose généralement de six interrupteurs, dans le cas d’un fonctionnement triphasé, qui s’ouvrent et se ferment selon une séquence précise afin de générer une puissance AC. Cette séquence s’exécute à une fréquence de commutation généralement comprise entre 9 kHz et 25 kHz. Une fréquence inférieure à 9 kHz devient très audible ; en revanche, pour les applications de forte puissance, une fréquence de commutation plus faible est nécessaire afin de limiter les pertes. Les fréquences de commutation plus élevées sont quant à elles limitées à la fois par les contraintes physiques des interrupteurs et par l’augmentation des pertes de commutation. Ces interrupteurs sont généralement des IGBT ou des MOSFET. Le niveau de courant détermine le choix du composant. Les MOSFET sont généralement destinés aux applications de plus faible puissance. Les IGBT sont conçus pour des niveaux de puissance plus élevés. Des fréquences plus élevées permettent d’utiliser des composants passifs plus compacts et d’améliorer la commande. Cela a conduit à des investissements considérables dans les composants à large bande interdite. Il s’agit le plus souvent de composants en carbure de silicium ou en nitrure de gallium (GAN). Ces composants présentent des pertes plus faibles et peuvent généralement fonctionner à des courants plus élevés ainsi qu’à des fréquences de commutation supérieures. Ils restent aujourd’hui extrêmement coûteux et encore relativement peu robustes, mais ils représentent clairement l’avenir.

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Détermination du rendement des moteurs et générateurs électriques

Dans un avenir net zéro, la production d’énergie renouvelable, les voitures particulières électriques, les véhicules utilitaires, les aéronefs à propulsion électrique sur batterie et les navires à moteurs électriques domineront. Ce livre blanc explique comment améliorer la détermination du rendement des moteurs et générateurs électriques grâce à une meilleure interconnexion entre les parties mécanique et électrique, afin de réduire l’incertitude globale de mesure.

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Prendre le contrôle ?

La commande est un sujet sur lequel chacun reste généralement très discret quant à la manière exacte dont elle est mise en œuvre. Comme il s’agit d’un logiciel, il est relativement facile d’en préserver la confidentialité. Le contrôleur analyse le couple et la vitesse, puis détermine la fréquence de commutation, la méthode de modulation de largeur d’impulsion (PWM) et la manière d’optimiser le rendement. Ces paramètres peuvent évoluer très rapidement au cours d’un cycle. La plupart des stratégies de commande, quel que soit le type de moteur, reposent sur une variante de la commande orientée champ (FOC). Une tendance en forte croissance est la commande de courant Deadbeat, mais toutes les commandes resteront des commandes de courant en boucle fermée. C’est au niveau de la commande qu’intervient la transformation du repère direct-quadrature (dq0). Il s’agit d’une traduction mathématique destinée à visualiser et contrôler le PWM triphasé en fonction des besoins du système. Concrètement, il s’agit d’une manipulation sinus / cosinus avec une référence de position pour faire apparaître 3 phases comme 2, ce qui est loin d’être trivial.

The history of the math for controlling and understanding the induction machine took about 50 years for people to solve. It is amazing that we were using the machine 50 years before we could understand it!

Black and white portrait of Mitch Marks, Business Development Manager - EPT (Electric Power Testing), Electrification at HBK

Mitch Marks HBK

Les modèles doivent être validés

Tout le monde utilise des modèles informatiques avant de faire quoi que ce soit. Les modèles sont peu coûteux et peuvent être exécutés très rapidement, tout en étant optimisés. La fabrication de moteurs et de contrôleurs, en revanche, n’est pas un processus rapide. L’optimisation du moteur et de la commande se fait dans les modèles et analyse par éléments finis Tout le monde passe par cette étape avant de fabriquer quoi que ce soit. Les modèles sont très performants pour prédire le comportement des moteurs et des onduleurs, et constituent un outil extrêmement précieux. Dans la plupart des entreprises, des équipes entières d’ingénieurs travaillent sur ces modèles. Les chercheurs attachent une grande importance à la validation des modèles, car elle leur permet d’avoir davantage confiance dans leurs simulations et de mieux prédire le comportement du moteur et de la commande. C’est précisément un domaine dans lequel nos produits peuvent intervenir, pour valider les modèles.

En fin de compte, la plupart des applications sont soumises à des contraintes de taille et de coût, qui déterminent un grand nombre de variables avant même que la conception du moteur ne commence.

Ainsi, nous avons le choix de la topologie et des petits détails, en fonction du schéma de contrôle que les groupes souhaitent utiliser. Nous avons donc le choix de la topologie et de détails plus fins, en fonction du schéma de commande que les équipes souhaitent utiliser. Les principaux types de moteurs sont les moteurs à induction, à aimants permanents, à rotor bobiné et à réluctance commutée. Les moteurs à induction sont les plus faciles à commander, ce sont aussi ceux que nous connaissons le mieux, et ils constituent de véritables piliers de l’industrie ; leur inconvénient est toutefois que le champ doit être excité, ce qui génère des pertes. Les moteurs à aimants permanents (PM) sont largement utilisés dans les applications où le rendement est critique et où l’encombrement est limité, car ils offrent une densité de puissance plus élevée : l’aimant fournit le champ rotorique au lieu de générer des pertes dans le rotor. Ces moteurs PM nécessitent un onduleur, ainsi qu’un refroidissement important et beaucoup de précautions lorsqu’ils fonctionnent dans différents modes. Ils présentent aussi l’inconvénient d’une moindre capacité en rapport de vitesse à puissance constante (CPSR), car le champ ne peut pas être affaibli aussi facilement. L’affaiblissement de champ consiste à réduire le champ magnétique du rotor afin d’augmenter la vitesse d’une machine. Nous pouvons affaiblir le champ dans une machine à induction ou une machine PM en injectant un courant sur l’axe q. La nécessité de disposer de quantités contrôlées de courant sur l’axe q, utilisé pour piloter le couple, ou sur l’axe d, utilisé pour piloter le champ rotorique, dans le cadre de la FOC, explique pourquoi de nombreuses équipes souhaitent surveiller leurs courbes dq0 en temps réel. Avec une machine PM, des précautions supplémentaires doivent être prises, car les aimants peuvent se démagnétiser pendant l’affaiblissement de champ, et la force contre-électromotrice peut devoir être surveillée. Les moteurs synchrones à réluctance (SR) possèdent un rotor très simple, constitué uniquement d’un empilage de tôles selon une géométrie spécifique. Ces moteurs exploitent le couple de réluctance pour créer le mouvement de rotation. Ils sont très utiles dans diverses applications grâce à leur conception simple, mais présentent l’inconvénient de générer une quantité importante de bruit et de vibrations. C’est pourquoi ils n’ont été utilisés que dans des scénarios spécifiques. Lors des essais de ces machines, les chercheurs cherchent principalement à établir une cartographie vibratoire indiquant à quels niveaux de couple et de vitesse les vibrations sont les plus fortes.

Plus le moteur reste froid, plus les pertes sont faibles ; et plus les pertes sont faibles, plus le rendement est élevé.

De plus, si les aimants deviennent trop chauds, ils peuvent se démagnétiser dans certaines zones, ce qui peut être très problématique. Il est donc essentiel de maintenir les enroulements et les interrupteurs à basse température. Les interrupteurs génèrent davantage de pertes et peuvent même exploser s’ils deviennent trop chauds. Les chercheurs consacrent une part importante du temps de conception à explorer des stratégies de refroidissement pour améliorer le rendement de leurs machines. Les systèmes de refroidissement utilisent souvent de l’eau, de l’huile ou du glycol, pompés et pulvérisés sur les zones desquelles il faut extraire la chaleur. Les contraintes liées au refroidissement des machines ont fait du suivi de température du moteur un élément essentiel en fonctionnement comme en essais. Un essai comportera des thermocouples pour surveiller les températures, celles-ci étant enregistrées ou transmises à un système de commande pour arrêt. Le fait de disposer de ces valeurs enregistrées et synchronisées avec les données intéresse particulièrement les chercheurs, afin de savoir quand et où les variations de température se sont produites en réponse à leurs commandes. C’est un autre domaine dans lequel les données peuvent être utilisées pour la validation de modèles.

Améliorer le rendement

La meilleure manière de couvrir de nombreux sujets mentionnés ci-dessus est la cartographie de rendement ainsi que les essais sur banc dynamométrique. Tout le monde cherche à améliorer le rendement de ses systèmes. Disposer des données brutes est essentiel pour cela, car en cas de problème, vous pouvez vous référer à des essais antérieurs et réaliser des analyses approfondies dans un logiciel de post-traitement tel que nCode GlyphWorks ou MATLAB. C’est d’autant plus essentiel pour les essais dynamiques, car lors de charges dynamiques ou d’essais sur cycles de conduite, l’absence de données brutes peut conduire à des valeurs de rendement étranges et imprécises.

Au démarrage des essais, une tension de bus DC est définie, suivie d’une vitesse définie.

La machine est ensuite chargée avec un certain couple. Cette opération est répétée pour tous les couples et toutes les vitesses souhaités dans la plage de fonctionnement de la machine. Vous obtenez alors le rendement de tous les points de consigne visés, ce qui permet d’établir une cartographie de rendement. Ces points sont relevés dans une plage de température spécifique. Il faut parfois attendre que la machine refroidisse avant de pouvoir effectuer une mesure à un point de consigne donné. C’est là que peut faire gagner beaucoup de temps aux clients, car relever les points d’essai sur un certain nombre de cycles plutôt que sur un certain nombre de secondes permet à la machine de passer moins de temps à chauffer.

Souvent, les utilisateurs testent les limites de la machine, et la poussent jusqu’à la destruction — ou tentent de le faire. Ils cherchent à atteindre la vitesse maximale afin de connaître les limites mécaniques de leur machine. La capacité de déclencher l’enregistrement tout en disposant d’un tampon de données permet aux chercheurs de comprendre non seulement à quel moment leur machine a défailli, mais aussi comment elle a défailli.

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