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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

Amarir, Said (2008). 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. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

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.

Les 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.

Le 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.

Certaines 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.

D'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.

En 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:

Sur le plan théorique, des méthodes originales servant à l'analyse des ondes réfléchies le long du câble d'alimentation du moteur, ont été développées:

1- Un développement théorique avancé ayant permis l'analyse complète des surtensions transitoires, en tout point le long du câble électrique.
2- Développement de schémas équivalents, dans le domaine temporel, facilitant le calcul des courants dus à la réflexion d'onde.
3- Un développement théorique avancé ayant permis l'analyse complète des courants parasites en mode différentiel, en tout point le long du câble de liaison.
4- 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.
5- 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.
6- Développement, dans le domaine temporel, de modèles pour les ondes incidentes et réfléchies
7- Développement, dans le domaine temporel, de modèles pour les surtensions et courants parasites en mode différentiel, intégrant les coefficients de réflexion
8- Développement, dans le domaine temporel, d'un modèle pour les surtensions et courants parasites en mode différentiel, sans utilisation des coefficients de réflexion.

Sur le plan pratique, les contributions théoriques précédentes ont été suivies des réalisations originales qui sont les suivantes:

9- Développement et mise en oeuvre d'une approche de mesure des paramètres contribuant aux surtensions, sur un prototype industriel de puissance 5 kVA.
10- Validations expérimentales des modèles développés, réalisées sur le même prototype.
11- Investigations expérimentales et interprétations des surtensions dont la valeur crête dépasse le double de la tension du lien à courant continu.
12- Recommandations élaborées pour protéger à la fois le moteur et son câble d'alimentation des surtensions, tenant compte de leurs classes d'isolation.
13- 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.
14- 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.

Les 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.

Résumé anglais

A multitude of industrial processes use Adjustable Speed Drive (ASD) systems, which consist of a Pulse Width Modulation (PWM) source inverter with lnsulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) power devices. These drives offer many advantages including precise control of the motor speed, high efficiency, and retention of the motor torque at very low speed. However, in many applications, these systems require long motor leads; this is why motors often undergo overvoltages stress due to the reflected wave. These overvoltages increase with the length of the feeding cables (up to a critical cable distance) and the dv/dt generated by the inverter IGBT switches. In addition to torque oscillation and localized heating problems, they can cause the destruction of the motor insulation, in particular in the early turns. They can also cause partial discharges in the drive-to-motor cable thereby reducing its lifespan. Besides, the reflected waves affect the common mode (CM) voltage and the bearing current problems. As it will be shown in this thesis, they are also associated with oscillating currents in differential mode (DM) with a frequency range that can go up to several MHz (depending on the cable length), that have not been previously examined in detail. As a result, the conducted EMI problem, which is a common problem in ASD systems, gets worse.

Historically, traveling-wave problems have been studied using graphical Bewley diagrams, also known as Lattice diagrams. Since this method was poorly adapted to computer analysis, other methods have started appearing in the literature. In these methods, differential equations of lumped elements L and C of the transmission line were transformed into algebraic difference equations using the trapezoïdal rule of integration. But these methods appeared to be poorly adapted so as to represent a distributed parameters line. The Electromagnetic Transient Program software (EMTP) method has long been the best suited for digital computer analysis. lndeed, it does not use reflection coefficients but instead it uses a line model (MatlabTM The Mathworks. Inc). But, in the latter method, an exact solution requires that the time propagation "'C should be an integer multiple of the calculation step ~t ( "t = k8t; k integer). Moreover, it is difficult to use this method to determine the voltage transient at any point x along the cable.

Matlab SimPowerSystems (SPS) has two types of cable models. ln the first one, SPS uses the same approach as the EMTP technique. In the second one, the cable is represented by multiple Pi equivalent sections. When using this second model, the cable eigen frequencies will increase with the number of Pi sections. But, as more sections are added, the step time must be very small to get accurate results. This implies convergence problems, as well as longer time simulations.

In the last decade, the application of the traveling-wave theory to ASD systems has been addressed by several researchers. Qualitative analysis relating to this phenomenon has been reported in the literature. These analyses show that, in general, the peak overvoltage can reach, and sometimes exceed, twice the DC bus voltage (2 p.u; the DC bus voltage being the base). Several authors have studied the impact of the phenomenon on the motor and/or the cable. Others proposed some mitigation techniques, especially to design output filters capable of matching the cable's characteristic impedance. Other authors focused on the frequency modeling of the motor and resorted to known traveling wave methods to analyze overvoltage at the motor terminals.

Recently, two approaches have been reported in the literature. The first approach consists on using the known telegrapher's equation for sinusoïdal steady state excitation in order to analyze the cable' s frequency response. The inverter PWM output voltage is decomposed into sinusoïdal waveforms using Fast Fourier Transform (FFT). The cable-motor response constitutes the sum of its responses to each of the PWM voltage sinusoïdal harmonie. The second approach has proposed a measurement methodology for the cable's high frequency parameters using the Maxwell 2D Finite Element Analysis (FEA). This methodology is privileged over the LCR meter measures in order to i) take into account different geometrie configurations of power cables (for more accurate results) and to ii) eliminate costly and complicated cable testing. Using the FEA methodology, the measured cable parameters have only been applied to various known cable models (including the Pi section line model, using 5 to 20 LC Pi branches with lumped resistance) to analyze the CM current and DM motor overshoot voltage in the ASD system.

This thesis gives both theoretical and practical contributions, to the reflected wave phenomenon, with the principal aim of solving the high frequency overvoltage problems in industrial ASD-Motor Drives.

First, it offers a new method of direct and fast calculation of the overvoltages due to the traveling waves. This method does not require any representation of the system components since it uses a mathematical formula which is weil adapted to computer solutions. Besides, it expresses overvoltages not only at the cable terminais but also at any point along the cable.

Then, the thesis offers new mathematical expressions and new modeling schemes for incident and reflected waves of both current and voltage. Moreover, it identifies expresses and models the parasitic DM currents that have not been previously · examined. These mathematical developments have led to sorne simulation tools for diagnosing ovevoltages and their associated DM currents along the cable, at the motor terminais and at the inverter output. These methods take into account the cable characteristics (e.g. type, length), the motor impedance, the inverter impedance, its voltage rise and fall times and finally its carrier frequency. As a result, the oscillation frequency, the critical cable length, the peak voltage and the parasitic current amplitude could ali be determined. Overvoltages higher than 2 p.u are also be investigated. To validate the proposed techniques, simulations and experiments
have been carried out on an industrial 5 kVA ASD prototype using a 4-wire braided-shielded long cable.

Apart from the developed tools, which are useful in design and implementation of ASDs, the thesis offers a major contribution to solve the problem. In fact, a new mitigation device has been designed, realized and tested on the previous 5kVA prototype. The proposed device could be implemented during exploitation, and allows eliminating over-voltages at the motor terminals, whatever the cable length. This constitutes an important industrial innovation; that is why an application for patenting has been already submitted.

In addition to this patent pending, the contributions of this thesis have been subject of three journal papers and 13 papers in international conferences, cited in reference. In addition, one oftheses articles was awarded the best paper at the conference CCECE IEEE 2008.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l’école de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de Doctorat en génie". Bibliogr : f. [246]-256.
Mots-clés libres: Surtension. Courants vagabonds. Commande électrique. alimentation, câble, compensateur, entraînement, MD, mitigation, onde, réfléchi, système
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Al-Haddad, Kamal
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 15 avr. 2013 14:41
Dernière modification: 01 déc. 2016 20:25
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1152

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