Multiphase drives: towards a system approach
ENTRAINEMENTS ELECTRIQUES POLYPHASES :VERS UNE APPROCHE SYSTEME
Résumé
The transport of electrical energy by three-phase grid has led, by the past, to the development of three-phase electrical machines. These have benefited from the development of power switches and control components such as Digital Signal Processor (DSP). The performances of the conventional three-phase electrical machines are found then increased when used associated with power inverters, especially in the field of variable speed.
However problems arise both in the VSI and machine when it is desired to increase the transmitted power or when working at low level of voltages as in automotive. The switches have then to switch voltages and/or currents of higher amplitude (higher unit cost for modules and increased electromagnetic pollution). Moreover, for a given current, increasing power leads to constraints for voltage insulators. This latter effect of stress (rapid aging of dielectrics) is even more pronounced when the machine is classically supplied by a Pulse Width Modulation voltage source inverter. A classic way for solving these problems is the use of multi-levels converters but a split of power by increasing the number of stages of the machine is an alternative. For given power and current the voltage constraints decrease. Multiplying the number of phases allows the use of electronic modules of identical power cost per unit (a positive element in terms of maintenance costs). Moreover, this kind of multiphase structure can increase the fault tolerance of the electromechanical converter since it is possible to work when one phase is open-circuited . In fact, the main idea is to distribute stresses between the converter and the machine. Similarly, in the case of low voltage equipment (e.g. in automotive), the presence of currents of very high intensity generally requires to synthesize one switch by association in parallel of elementary switches. In this case it can be appropriate (in order to reduce oversize of switches) to distribute all these switches and to use more than 3 phases. Again, the multiphase machines are an economical alternative since they can reduce the torque pulsations and hence the noise of electromagnetic origin.
The research problem is the study and development of complete sets including the electronic static converter, the multiphase machine and the vector control. Indeed, the match between the machine and the converter is more necessary than in the case of a three phase machine since the control of the converter cannot compensate constructive defects of the machine. Thus, a voltage inverter that supplies a machine with a multiphase winding optimized for a sinusoidal magnetomotive force will induce eddy currents of high amplitude in the machine. It is therefore necessary to redesign the coil in order to decrease the sensitivity of the electrical machine.
The adequacy of the electromechanical converter to static power converter is sought at first by acting on the constructive parameters of the multiphase machine. On the other hand, the degrees of freedom offered by the static converter control (choice of vector voltage activated) are used in order to best exploit the multiphase machine (reducing stray currents, working in fault configuration, increasing torque density ...).
Thus it is presented a system approach that simultaneously combines the design of machine and the control of electronic power converter.
However problems arise both in the VSI and machine when it is desired to increase the transmitted power or when working at low level of voltages as in automotive. The switches have then to switch voltages and/or currents of higher amplitude (higher unit cost for modules and increased electromagnetic pollution). Moreover, for a given current, increasing power leads to constraints for voltage insulators. This latter effect of stress (rapid aging of dielectrics) is even more pronounced when the machine is classically supplied by a Pulse Width Modulation voltage source inverter. A classic way for solving these problems is the use of multi-levels converters but a split of power by increasing the number of stages of the machine is an alternative. For given power and current the voltage constraints decrease. Multiplying the number of phases allows the use of electronic modules of identical power cost per unit (a positive element in terms of maintenance costs). Moreover, this kind of multiphase structure can increase the fault tolerance of the electromechanical converter since it is possible to work when one phase is open-circuited . In fact, the main idea is to distribute stresses between the converter and the machine. Similarly, in the case of low voltage equipment (e.g. in automotive), the presence of currents of very high intensity generally requires to synthesize one switch by association in parallel of elementary switches. In this case it can be appropriate (in order to reduce oversize of switches) to distribute all these switches and to use more than 3 phases. Again, the multiphase machines are an economical alternative since they can reduce the torque pulsations and hence the noise of electromagnetic origin.
The research problem is the study and development of complete sets including the electronic static converter, the multiphase machine and the vector control. Indeed, the match between the machine and the converter is more necessary than in the case of a three phase machine since the control of the converter cannot compensate constructive defects of the machine. Thus, a voltage inverter that supplies a machine with a multiphase winding optimized for a sinusoidal magnetomotive force will induce eddy currents of high amplitude in the machine. It is therefore necessary to redesign the coil in order to decrease the sensitivity of the electrical machine.
The adequacy of the electromechanical converter to static power converter is sought at first by acting on the constructive parameters of the multiphase machine. On the other hand, the degrees of freedom offered by the static converter control (choice of vector voltage activated) are used in order to best exploit the multiphase machine (reducing stray currents, working in fault configuration, increasing torque density ...).
Thus it is presented a system approach that simultaneously combines the design of machine and the control of electronic power converter.
Le transport de l'énergie électrique par des réseaux triphasés a conduit par le passé au développement de convertisseurs électromécaniques triphasés. Ces derniers ont bénéficié de l'essor des interrupteurs de puissance et de celui des composants de commande type Digital Signal Processor (DSP). Les performances de ces classiques machines électriques triphasées associées à des onduleurs s'en sont trouvées accrues notamment dans le domaine de la vitesse variable.
Néanmoins des problèmes apparaissent tant au niveau de l'onduleur que de la machine lorsqu'on désire augmenter la puissance transmise. Les interrupteurs doivent en effet alors commuter des tensions et des courants d'amplitude plus élevée (coût unitaire plus élevé pour les modules et pollution électromagnétique accrue). Par ailleurs, à courant donné, l'augmentation de la puissance mène à des contraintes en tension pour les isolants. Ce dernier effet de contrainte (accélération du vieillissement des diélectriques) est d'autant plus accentué lorsque la machine est alimentée « classiquement » par un onduleur de tension fonctionnant en Modulation de Largeur d'Impulsions. Une piste classique pour la résolution de ces problèmes est celle, toute électronique, des convertisseurs multi-niveaux.
Un fractionnement de la puissance par augmentation du nombre de phases de la machine est une solution alternative et/ou complémentaire. A puissance et courant donnés les contraintes en tension diminuent. La multiplication du nombre de phases permet l'utilisation de modules d'électronique de puissance identiques de moindre coût unitaire (élément favorable en terme de coût de maintenance). De plus, ce type de structure polyphasée permet d'augmenter la tolérance aux pannes du convertisseur électromécanique. En fait, il s'agit de répartir les contraintes entre le convertisseur électromécanique et le convertisseur statique. De même, dans le cas des machines basses tensions (automobile par exemple), la présence de courants d'intensité très élevée nécessite en général une mise en parallèle de nombreux interrupteurs qu'il peut être judicieux (pour des raisons de surdimensionnement notamment) de répartir entre plus de 3 phases. Là encore, les machines polyphasées constituent une alternative économique d'autant qu'elles permettent de réduire les pulsations de couple et donc le bruit d'origine électromagnétique.
La problématique de recherche est l'étude et le développement d'ensembles complets comprenant le convertisseur statique, le convertisseur électromécanique polyphasé ainsi que la commande. En effet, l'adéquation entre la machine et le convertisseur est encore plus nécessaire que dans le cas d'une machine triphasée, la commande du convertisseur ne pouvant raisonnablement compenser certains défauts constructifs de la machine. Ainsi, un onduleur de tension qui alimente une machine polyphasée dont le bobinage est optimisé pour obtenir une force magnétomotrice sinusoidale va induire des courants parasites de forte amplitude dans la machine. Il est ainsi nécessaire de reprendre la conception du bobinage pour « désensibiliser » la machine.
L'adéquation du convertisseur électromécanique au convertisseur statique est recherchée d'une part en agissant sur les paramètres constructifs de la machine polyphasée afin de l'adapter le plus possible au convertisseur dont le caractère discret impose des contraintes à la machine. D'autre part, on agit également sur les degrés de liberté offerts par la commande du convertisseur statique (choix des vecteurs tension activés) afin d'exploiter au mieux la machine polyphasée (réduction des courants parasites, marche dégradée...).
C'est donc une approche SYSTEME qui allie simultanément la conception de machine à celle de la commande de convertisseur d'électronique de puissance.
Néanmoins des problèmes apparaissent tant au niveau de l'onduleur que de la machine lorsqu'on désire augmenter la puissance transmise. Les interrupteurs doivent en effet alors commuter des tensions et des courants d'amplitude plus élevée (coût unitaire plus élevé pour les modules et pollution électromagnétique accrue). Par ailleurs, à courant donné, l'augmentation de la puissance mène à des contraintes en tension pour les isolants. Ce dernier effet de contrainte (accélération du vieillissement des diélectriques) est d'autant plus accentué lorsque la machine est alimentée « classiquement » par un onduleur de tension fonctionnant en Modulation de Largeur d'Impulsions. Une piste classique pour la résolution de ces problèmes est celle, toute électronique, des convertisseurs multi-niveaux.
Un fractionnement de la puissance par augmentation du nombre de phases de la machine est une solution alternative et/ou complémentaire. A puissance et courant donnés les contraintes en tension diminuent. La multiplication du nombre de phases permet l'utilisation de modules d'électronique de puissance identiques de moindre coût unitaire (élément favorable en terme de coût de maintenance). De plus, ce type de structure polyphasée permet d'augmenter la tolérance aux pannes du convertisseur électromécanique. En fait, il s'agit de répartir les contraintes entre le convertisseur électromécanique et le convertisseur statique. De même, dans le cas des machines basses tensions (automobile par exemple), la présence de courants d'intensité très élevée nécessite en général une mise en parallèle de nombreux interrupteurs qu'il peut être judicieux (pour des raisons de surdimensionnement notamment) de répartir entre plus de 3 phases. Là encore, les machines polyphasées constituent une alternative économique d'autant qu'elles permettent de réduire les pulsations de couple et donc le bruit d'origine électromagnétique.
La problématique de recherche est l'étude et le développement d'ensembles complets comprenant le convertisseur statique, le convertisseur électromécanique polyphasé ainsi que la commande. En effet, l'adéquation entre la machine et le convertisseur est encore plus nécessaire que dans le cas d'une machine triphasée, la commande du convertisseur ne pouvant raisonnablement compenser certains défauts constructifs de la machine. Ainsi, un onduleur de tension qui alimente une machine polyphasée dont le bobinage est optimisé pour obtenir une force magnétomotrice sinusoidale va induire des courants parasites de forte amplitude dans la machine. Il est ainsi nécessaire de reprendre la conception du bobinage pour « désensibiliser » la machine.
L'adéquation du convertisseur électromécanique au convertisseur statique est recherchée d'une part en agissant sur les paramètres constructifs de la machine polyphasée afin de l'adapter le plus possible au convertisseur dont le caractère discret impose des contraintes à la machine. D'autre part, on agit également sur les degrés de liberté offerts par la commande du convertisseur statique (choix des vecteurs tension activés) afin d'exploiter au mieux la machine polyphasée (réduction des courants parasites, marche dégradée...).
C'est donc une approche SYSTEME qui allie simultanément la conception de machine à celle de la commande de convertisseur d'électronique de puissance.
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