Analyse et simulation des surtensions aux bornes du moteur asynchrone alimenté par des longs câbles

Le transistor est un élément important de 1′ onduleur car c’est lui qui fixe le temps de montée du signal MLI et la tension de ce signal. Le problème qui peut se produire en utilisant une commande avec des IGBT est en l’occurrence des transitoires à haute tension sur les bornes du moteur qui peuvent produire une surtension potentiellement destructrice de l’isolation du moteur (Von Jouanne, 1996). Un phénomène connu sous le nom de tension réfléchie ou effet des lignes de transmission. Ce phénomène se produit quand une commande est installée avec un câble d’une certaine longueur entre l’onduleur et le moteur. Le fait que l’onduleur et le moteur soient à des endroits différents est commun en Amérique du nord, c’est pour cela que la majorité des problèmes viennent de là-bas, au contraire en Europe, l’onduleur et le moteur sont aussi proche que possible. Ce qui explique que l’Europe soit moins touché par ces phénomènes. Les câbles reliant le moteur représentent une impédance aux impulsions de tension de 1′ onduleur MLI. Ces câbles contiennent les valeurs significatives de l’inductance et de la capacité qui sont proportionnelles à leur longueur. À chaque passage d’un signal sur le câble, une réflexion se produira. La vitesse de ce signal sur le câble dépendant de la capacité et de l’inductance du câble. De plus, le temps de montée du dispositif de commutation et la longueur du câble déterminent la valeur que la surtension peut atteindre.

Il est important de comprendre que cette réflexion se produit indépendamment du type de dispositif de commutation utilisé pour l’onduleur. Les installations à base d’IGBT, de GTO et BJT sont toutes touchées par ce phénomène de réflexion dont l’amplitude peut être égale à deux fois la tension du bus CC, voir même dans certains cas être encore plus élevée.

Alors que ce phénomène a été présent depuis longtemps, il est venu au premier plan avec l’introduction d’onduleurs ayant un bus CC de 460 volts ou de 575 volts à base d’IGBT. Pour la plupart, les applications de 230 volts sont inchangées parce que les amplitudes reflétées de tension sont inférieures à l’isolation typique des moteurs, qui est identique à un moteur de 460 volts. Tandis qu’un certain nombre de cas de dégâts de moteur ont été répertoriés avec l’utilisation des onduleurs à base de BJT et de GTO, ils ont été généralement restreints pour de longs câbles (100 mètres et plus). C’est compréhensible quand nous nous rappelons que le temps de montée du dispositif de commutation détermine la distance à laquelle 1′ amplitude reflétée de tension atteint son maximum. Le temps de montée d’un GTO ou d’un BJT étant bien plus élevé que celui d’un transistor IGBT, laissant des longueurs de câble beaucoup plus longues avant que la tension maximale permise aux bornes du moteur soit atteinte. Pendant que les avantages des dispositifs ayant des temps de montée plus rapides (fréquence accrue avec la perte de commutation minimale) ont été réalisés, leur utilisation dans la construction d’entraînement a augmentée. Il existe plusieurs phénomènes destructeurs dans ce montage, particulièrement la surtension en mode différentiel et une élévation du courant en mode commun. Dans cette étude, nous allons étudier la surtension en mode différentiel et nous partirons du principe qu’une limitation de la surtension limitera aussi l’élévation du courant en mode commun. En installant une génération courante à base d’IGBT dans les mêmes conditions qu’une commande plus ancienne, cela peut avoir comme conséquence d’augmenter le phénomène de tension réfléchie et d’endommager le moteur. Prévoir la surtension permettra d’éviter de tels dégâts.

Le travail effectué dans ce mémoire consiste à valider un modèle de simulation permettant de représenter les surtensions aux bornes des moteurs dans certaines conditions (longueur du câble et temps de montée du signal MLI).

Nous avons trouvé plusieurs publications concernant les surtensions aux bornes des moteurs dues aux câbles d’alimentations. A l’heure actuelle, il ne semble pas y avoir de simulateur permettant de faire varier la longueur du câble et de jouer sur le temps de montée des impulsions qui soit utilisée sous Simulink:. Les simulations actuelles permettent surtout de faire apparaître une surtension et de la supprimer en modélisant les composants (onduleur, câble, moteur) par des formules mathématiques. C’est-à-dire en modélisant les coefficients de réflexion de l’onduleur et du moteur.

Ainsi, il y a notamment S. Lee et K. Nam (2000) qui en remplaçant les coefficients de réflexions de l’onduleur et du moteur par des expressions dans le domaine de Laplace réussissent à simuler les surtensions et à les réduire. Ils utilisent une représentation haute fréquence du moteur qui est remplacé par une résistance et une capacité. Cette représentation permet ainsi de simuler les surtensions sur Simulink grâce à des fonctions de transfert. Ayant testé ce modèle, je dois dire qu’il marche relativement bien. Toutefois, la simplicité du modèle amène à se poser des questions quand à sa précision. Il y aussi G. Skibinski, R. Kerkman, D. Leggate, J. Pank:au et D. Schlegel (2001) qui utilisent cette représentation de moteur haute fréquence afin de simuler ces surtensions sous Simulink:. Ils peuvent alors représenter le système à 1′ aide de gains et de retards.

Une autre approche de simulation est faite par Y. Dupraz, F. Cornu, P-F. Gaythey, C. Yechouroun et Vaclavik (2002) qui utilisent des équations différentielles pour représenter chaque cellule du câble et utilisent ensuite Simplorer pour simuler leur système. C’est une modélisation relativement lourde en programmation, pour autant elle semble être assez précise.

Un autre article intéressant sur les surtensions aux bornes des moteurs est celui de A. Von Jouanne et P.N Enjetti (1995) qui est une des premières publications sur le sujet. Là encore, ils représentent les surtensions en utilisant des fonctions mathématiques afin d’obtenir les coefficients de réflexion du moteur et de l’onduleur. Dans cet article, on s’intéresse plutôt à la longueur critique du câble en fonction du temps de montée. C’està-dire, la longueur de câble à ne pas dépasser pour différentes valeurs de temps de montée. Cet article permet de bien comprendre le problème et ses enjeux.

Pour finir, nous allons utiliser la représentation de A.F Moreira, T.A Lipo, G. Venkataramanam et S. Bernet (2001) qui permet de simuler un moteur en haute fréquence. Ils ont utilisé un plan de travail afin d’obtenir ce modèle, grâce à plusieurs mesures effectuées sur le moteur, et ont ensuite validé leur modèle grâce à des résultats expérimentaux. Leur modèle étant une amélioration du modèle de moteur haute fréquence précédemment établi par A. Boglietti etE. Carpaneto (2000).

Théories des réflexions sur les câbles 

Afin de bien comprendre le phénomène qui survient dans le cadre de notre expérience, il convient de faire un petit rappel sur les phénomènes de réflexions sur les câbles. La caractéristique commune de tous ces câbles est qu’ils se composent de longues paires linéaires de conducteurs avec un espacement uniforme. Comme un câble a une longueur physique finie, les signaux électriques ont aussi besoin d’un temps fini pour traverser le câble. Si ce temps devient important par rapport à la période d’un cycle de la tension d’excitation, alors le phénomène couramment appelé «Transmission line effects » commence à apparaître.

Les caractéristiques de propagation des signaux sur des lignes de transmission peuvent être déterminées par une solution des équations de base. Nous analyserons tout d’abord une ligne idéale qui n’a aucune résistance de série et aucune résistance en parallèle. Il est plus simple d’observer le phénomène sur une ligne idéale, et une fois qu’il est comprie, il sera alors possible de visualiser le comportement d’une ligne de transmission non idéale.

Description du modèle du moteur 

Un des éléments essentiels afin d’obtenir une analyse précise et fiable des surtensions est la représentation en haute fréquence de l’impédance d’entrée du moteur à courant alternatif. Elle doit aussi être valide dans une grande gamme de fréquences de l’impulsion d’entrée (le signal MLI). Afin de déterminer la surtension, il n’est en aucun cas nécessaire de vérifier comment s’effectue la distribution de la tension à l’intérieur des enroulements du moteur. En revanche, il est important de savoir quelle est l’impédance d’entrée du moteur et de savoir comment elle varie en fonction de la fréquence (Li po, 2001 ).

Le présent modèle est une représentation par morceaux de l’impédance d’entrée du moteur. C’est une représentation par phase. Une partie du modèle sert à capter les basses fréquences, c’est le modèle d- q (représenté par l’inductance Ld ), tandis que les autres composants R – L – C sont nécessaires pour représenter les hautes fréquences. Les capacités entre la phase et la terre et entre les enroulements d’une phase jouent un rôle majeur dans les phénomènes hautes fréquences.

Le modèle basse fréquence est approximé par inductance Ld, qui est l’inductance de fuite du moteur. La capacité Cg représente la capacité entre la phase et la terre. Le paramètre Rg est ajouté afin de représenter les effets dissipatifs qui sont présents dans 1′ armature du moteur. Le circuit représenté par les paramètres R, , L, et C, sert à capturer les secondes résonances de l’impulsion venant du câble, qui sont dues à la capacité entre les enroulements d’une phase. Le paramètre Re est utilisé afin de représenter les pertes par courant de Foucault à l’intérieur du noyau magnétique.