Les convertisseurs pour les propulsions marines

25/10/2016
Publication 3EI 3EI 2016-86
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2016-86:17523
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Les convertisseurs pour les propulsions marines

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Les convertisseurs pour les propulsions marines La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 4 Les convertisseurs pour les propulsions marines Jacques COURAULT 1. Introduction Ces dernières décennies l’électronique de puissance a été l’un des moteurs de l’évolution des propulsions marines. Progressivement, les solutions vapeur et fioul ont été remplacées par des solutions électriques, jugées plus économique à l’exploitation et plus souples à l’utilisation. De plus les propulsions électriques autorisent des solutions de propulsions réparties, comme les POD par exemple, qui accroissent la manœuvrabilité des navires. Nous allons dans cet article passer en revue les différents types de conversion dans un mode historique. Ce qui tient compte d’une part des composants de puissance disponibles et d’autre part de nos connaissances en matière de topologie des convertisseurs. Le thyristor, dès le début des années soixante, a été le composant qui a initié, d’une manière générale, les motorisations électriques dans l’industrie. En propulsion marine c’est bien sûr des motorisations avec moteurs à courant continu, pour les petites puissances de l’ordre du mégawat, et cycloconvertisseurs pour les puissances plus élevées qui furent les premières. La seule topologie pratiquée avec ces types de conversion était le pont de Graëtz. Au début des années quatre-vingts sont apparus les premiers IGBT de puissance ouvrant la porte à l’alimentation des machines alternatives et plus particulièrement des machines asynchrones. Parallèlement les algorithmes de contrôle ont été développés et permis d’obtenir des performances comparables, voire supérieures, à celles obtenues avec les machines à courant continu alimentées par ponts de Graëtz. 2. Alimentation des machines par convertisseurs directs. Le pont de Graëtz et le cycloconvertisseur, lui-même constitué de plusieurs ponts de Graëtz sont des convertisseurs directs par opposition à d’autres qui comportent entre réseau et machine un stockage d’énergie, en courant ou en tension, ils sont dits convertisseurs indirects. 2.1. Entrainement des moteurs à courant continu. La topologie du pont de Graëtz est ancienne, elle date du début du 20ème siècle, mais sa généralisation doit beaucoup aux thyristors, qui ne sont apparus sur le marché qu’au début des années 60. C’est dans le domaine des petites puissances (P<1MW) que se font les premières propulsions, principalement quand une Résumé : Dans cet article sont évoqués et comparés les convertisseurs ou variateurs de vitesse utilisés pour la propulsion des navires de surface à vocation commerciale. Quelques explications sur les fonctionnements possibles du cycloconvertisseur sont données, avantages et inconvénients, principalement pour les réseaux de bord. Ce convertisseur, fut le premier à être utilisé en propulsion, aujourd’hui il peut être considéré comme obsolète du fait du développement des convertisseurs dits indirects. Pour les puissances supérieures à environ 16 MW les convertisseurs indirects en courant sont difficilement contournables. Quelques explications sont données sur ces convertisseurs (redresseur / onduleur) peu pris en considération dans la littérature technique. Pour les puissances plus faibles, du fait du développement des composants blocables par la commande, les alimentions en tension s’imposent. Les schémas possibles sont nombreux, plusieurs sont évoqués, en particulier avec des solutions multiniveaux adaptés pour monter en tension, donc en puissance. Ces convertisseurs dits MLI voire DTC, sont largement expliqués dans la littérature technique, c’est la raison pour laquelle les fondamentaux ne sont que partiellement évoqués. Cependant, il ressort de cet article que les pulsations du couple électromagnétiques sont fondamentales, elles doivent être connues des mécaniciens qui dimensionnent les lignes d’arbres : ces pulsations font l’objet d’une évaluation. Quelques architectures de propulsion sont proposées, avec leurs avantages et leurs inconvénients, certaines sont classiques d’autres plus futuristes elles s’inscrivent dans une évolution possible. Les convertisseurs pour les propulsions marines La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 5 fonction de positionnement dynamique est requise : en recherche scientifique ou dans l’industrie pétrolière. Le pont de Graëtz ne permet pas naturellement la réversibilité en couple des machines, le courant est unidirectionnel. Cette réversibilité étant le plus souvent souhaitée, plusieurs solutions ont été envisagées :  Deux ponts antiparallèles. o Circulation de courant (hautes performances dynamiques, non requises en propulsion). o Logique de basculement (bonnes performances dynamiques, non requises en propulsion). o Bande morte (calage au repos >140°, performances dynamiques très suffisantes en propulsion).  Réversibilité par le champ. Suffisante dans une grande majorité des cas. A une époque les thyristors étaient des composants coûteux, donc une réversibilité par le champ, en inversant le courant d’excitation, conduisait à des coûts moindres. Avec ces dispositifs les quatre quadrants de l’espace Cmot, rotation sont accessibles. Mais les difficultés principales, qui sont essentiellement liées à la maintenance des moteurs à courant continu, demeurent (balais et collecteur). Aujourd’hui le moteur à continu est totalement abandonné. 2.2. Entrainement des moteurs à courant alternatif. La puissance de certains moteurs de propulsion dépasse les 20 MW, l’utilisation du moteur à courant continu était impossible, les machines synchrones étaient les seules possibles à ce niveau de puissance. C’est dans ce but que les cycloconvertisseurs ont été développés et utilisés. Ils peuvent alimenter aussi bien des machines synchrones que des machines asynchrones. Figure 1 – Principe du cycloconvertisseur Pendant plusieurs décennies le cycloconvertisseur a été considéré comme le convertisseur par excellence des propulsions de navires, en particulier sur les brise- glaces, application nécessitant des couples importants aux basses vitesses, voire à l’arrêt. La réputation n’est pas usurpée mais d’autres convertisseurs ont des performances équivalentes (voir les alimentations en courant). Les performances d’un cycloconvertisseur ont pour origine sa topologie mais aussi son contrôle : maitrise du flux et de l’angle interne de la machine. A l’origine, on ne parlait pas de contrôle vectoriel, mais c’est bien ce que les ingénieurs de l’époque ont dû mettre en œuvre pour contrôler de manière optimale le couple des machines. . . Id1 .. Id2 . .. .. . . .. .. . . .. .. . Ed1 Ed3 Ed2 U12 U23 SY ou ASY 1 2 3 Is11 Is21 Is31 Is1 Pont positif Pont négatif Id3p Id3n Id3 Id3 Id3p Id3n Temps mort ou temps de basculement du pont P au pont N Is31 N . . Id1 .. Id2 . .. .. . . .. .. . . .. .. . Ed1 Ed3 Ed2 U12 U23 SY ou ASY 1 2 3 Is11 Is21 Is31 Is1 Pont positif Pont négatif Id3p Id3n Id3 Id3 Id3p Id3n Temps mort ou temps de basculement du pont P au pont N Is31Is31 N Les convertisseurs pour les propulsions marines La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 6 Chaque phase machine est alimentée par un convertisseur réversible (deux ponts de Graëtz antiparallèles), le courant délivré est ainsi bidirectionnel. Soit le passage d’un pont sur l’autre est réalisé en circulation de courant soit il l’est avec une logique de basculement très performante, de manière à minimiser les temps morts. La figure 1 a retenu l’option logique de basculement ; ledit basculement ne peut se faire qu’à courant nul… La mesure d’un courant nul est toujours délicate à réaliser, aussi on préfère faire une détection de tension aux bornes des semi-conducteurs : tension aux bornes de tous les thyristors équivaut à un courant nul. Ce temps mort doit être inférieur à 2 ms. Il faut noter dans la figure 1 que les convertisseurs de phase sont en étoile, cela permet d’augmenter la tension de sortie en introduisant sur les tensions Ed1, Ed2 et Ed3 de l’harmonique 3 (qui entre phases se trouve éliminé). Figure 2 – Dynamique en courant D’autres structures plus sophistiquées sont possibles. La figure 1 montre une structure hexaphasée mais des structures dodécaphasées sont envisageables, en dodécaphasé série ou dodécaphasé parallèle. Le but de ces options étant d’améliorer le contenu harmonique des courants sur le réseau. D’une manière générale, la dynamique en couple des équipements de propulsion est faible… Mais les différents convertisseurs d’un cycloconvertisseur doivent avoir une grande dynamique en courant pour garantir une bonne qualité du couple : lesdits régulateurs doivent prendre compte les phénomènes de conduction continue et discontinue avec la même rapidité pour suivre une référence courant sinusoïdale. De plus, comme le montre la topologie de la figure 1, la somme des trois courants machine doit être nulle, d’où la présence d’un quatrième régulateur, dit homopolaire, pour assurer cette fonction. Comportement sur le réseau : Le comportement d’un simple pont de Graëtz sur le réseau est bien connu, le