Une nouvelle étape dans le domaine des systèmes de propulsion électrique de forte puissance à onduleurs MLI et moteurs asynchrones

31/08/2017
Publication REE REE 2006-4
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-4:19726
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Une nouvelle étape dans le domaine des systèmes de propulsion électrique de forte puissance à onduleurs MLI et moteurs asynchrones

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LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE. EVOLUTIONS TECHNIQUES RECENTES DES EQUIPEMENTS (2u,llepartie) Une nouvelle étape dans le domaine des systèmes de propulsion électrique m de forte puissance à onduleurs MLI et moteurs asynchrones r'Ir ! n ? W ! fS IGBTPress-Pack, PPI, Hautedensitédecouple, Moteursasynchrones, ML ! optimisée, Commandesanscapteur Pascal MANUELLE 1, Guy FLURY', Jean-Charles MERCIER 1 Converteam SAS (avant ALSTOM Power Conversl'On) 1, Converteam Moteurs SA (avant ALSTOM Moteurs) L association moteurs asynchrones et convertisseurs de puissance à MLI et com- posants de type IGBT press-pack améliore sensiblement les performances des systè- mes de propulsion électrique de forte puissance. 1. Introduction Depuis l'origine des systèmes de propulsion électrique et comme ce fut le cas pour les gros moteurs électriques industriels, l'évolution technologique des moteurs de pro- pulsion est allée dans le sens de la simplicité. Manifestement, l'équation principale est " plus de simpli- cité conduit à davantage de fiabilité et de disponibilité ". Sur les navires modernes, à quelques exceptions près, les machines électriques à courant continu ont quasiment disparu, du fait de la complexité de leur rotor qui reçoit la puissance électrique principale via le collecteur et les balais. Ce type de rotor complexe est limité en termes de niveau de puissance et de tension. De plus, pour la même raison, cette technologie requiert un haut niveau de main- tenance qui augmente radicalement le coût de cycle de vie du système. L'utilisation des machines à courant alternatif s'est généralisée et, dans le cas des applications de forte puis- sance, ce sont principalement les machines synchrones à rotor bobiné qui ont été utilisées. Dans ce cas, le rotor reçoit uniquement le courant inducteur, ce qui limite le dimensionnement et les difficultés de réalisation. Les bagues et les balais ont pu être supprimés grâce à l'utilisa- tion d'une excitatrice et d'un redresseur tournant. La fonc- ESSENTIEL SYNOPSIS Une étape importante pour la propulsion électrique vient d'être franchieavecles nouveauxconvertisseursà modulationde largeur d'impulsionset à composants IGBTde type press-pack.Associés auxmachinesasynchrones,ces convertisseursoffrent des avanta- ges significatifs : rendement élevé, compacité,robustesse,dispo- nibilité élevée, niveaude bruit et vibrationfaible... Cette solution très performante, compétitive et pérenne s'applique à un grand nombrede types de navires. A major step in electric propulsion has been achievedwith the new PWM press-packIGBTconverters.Combinedwith induction motors, these converters offer significant advantages: high effi- ciency, compactness, robustness, high reliability, low noise & vibration level... This solution is high performing, cost-effective and durable; it appliesto a large numberof vesseltypes. REE No 4 Avril2006 Une nouvelle étape dans le domaine des systèmes de propulsion électrique de forte puissance à onduleurs MLI et moteurs asynchrones tion du collecteur lui-même (commutation de courant) est assurée grâce à l'utilisation d'un convertisseur et d'une technologie de commande adaptée pour entraîner ce type de machine à vitesse variable. Aujourd'hui, sur le marché industriel, le moteur asyn- chrone standard à cage est utilisé autant que possible en raison de sa robustesse et de son intérêt économique (depuis quelques dizaines de kW jusqu'à plusieurs MW). Dans le domaine marine, le moteur asynchrone a trouvé une gamme étendue d'applications : . Fonctionnement à vitesse fixe jusqu'à plusieurs mégawatts pour les propulseurs à pas variable (pour une grande part, les propulseurs d'étrave), et les compresseurs, lorsque le réseau est suffisam- ment puissant pour assurer la séquence de démarrage (moteurs DOL), sinon au travers d'un démarreur à variation de vitesse ou d'un autotransfonnateur . Fonctionnement à vitesse variable lorsque le moteur est alimenté par un onduleur de tension (VSI) pour les grues, compresseurs, ventilateurs et groupes de propulsion, à partir d'une centaine de kilowatts jusqu'à plusieurs mégawatts. A la fin des années quatre-vingt-dix, l'arrivée sur le marché de nouveaux composants d'électronique de puis- sance plus performants, comme les PPI de grande puis- sance, a permis une nouvelle approche dans la conception des convertisseurs marine destinés à l'alimentation à vitesse variable des moteurs de propulsion de forte puis- sance. Ces nouveaux composants sont plus performants en termes de densité de puissance que les IGBT flat pack classiques. Les onduleurs MU à base de PPI sont actuel- lement disponibles dans une gamme étendue de puissan- ces à partir de 3 MW jusqu'à 33 MW, sous 3,3 kV jusqu'à 6,6 kV. Par conséquent, il est possible aujourd'hui de concevoir un ensemble propulsif perfor- mant et fiable basé sur des machines à induction de très grande puissance. 2. Système de propulsion électrique L'association d'un moteur asynchrone et d'un ondu- leur PPI moyenne tension est devenue une solution très intéressante pour une gamme étendue d'applications aussi bien en vitesse lente qu'avec des machines semi-rapides associées à des réducteurs. Le design global du système est optimisé en fonction de chaque type d'application, de façon à obtenir la puissance de sortie maximale sur toute la gamme de fréquences. Pour atteindre cet objectif, ont été pris en compte les cinq éléments suivants : . Moteur asynchrone à cage à haute densité de couple . Technologie PPI pour augmenter la densité de puis- sance et la fiabilité . Stratégie de modulation pour optimiser le fonction- nement des convertisseurs en fonction des contrain- tes de chaque application (machine lente, semi rapide, à fort couple au démarrage comme dans le cas des brise-glace, etc.) . Contrôle du couple haute performance, sans capteur (basé sur l'utilisation d'un filtre de Kalman adapté (KF) et de régulateurs RST . Faible niveau de bruits et vibrations. Dans les exemples suivants, nous développerons trois applications typiques différentes pour la marine mar- chande (applications navires de croisière et navires méthaniers) et pour les navires militaires (propulsion hybride de type CODLAG). 2.1. Solutions convertisseur NPC PPI avec Diode Front End (DFE) Le variateur de fréquence est basé sur la technologie PPI avec une topologie 3 niveaux à point neutre clampé (NPC) comme représenté figure 1. coc- L,L' E.-TIFIER 1 ['bR * cc Jr :, JI J'e, '.:.- ! JP DOD : 1 JY J J j jL. MC-TOR i... Il J Figafre I. Pont oiidiileiii- 3 iiii ; eaiix à point iieiiii-e clai7ipi a. ; socié à iiii pont i-edi- (sseiii- à diode., Ce type de convertisseur utilise un hacheur et une résistance de freinage pour absorber l'énergie de récupé- ration nécessaire lors d'une inversion rapide de la rotation de l'arbre d'hélice. Par rapport aux convertisseurs à thyristors traditionnels, cette nouvelle configuration offre des avantages, à savoir : . Pertes moteur réduites . Bruits et vibrations moteur réduites < Diminution du taux de distorsion harmonique sans utilisation de systèmes de filtrage dédiés (redres- seurs d'entrée 12, 18 ou 24 impulsions) < Optimisation du facteur de puissance pour réduire le dimensionnement de l'alternateur (en général, sous réserve d'un réseau de bord particulier, un facteur de puissance de 0,9 est acceptable). 2.2. Solutions convertisseur NPC PPI avec Active Front End (AFE) Les ponts redresseur et onduleur sont cette fois consti- REE No 4 Avril2006 Dossier LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE. 1 EVOLUTIONS TECHNIQUES RÉCENTES DES E (IUIPEMENTS (2p'lle partie) tués de topologies 3 niveaux à neutre clampé. Le convertisseur est donc du type quatre quadrants : < Le freinage électrique de la ligne d'arbre s'effectue en renvoyant l'énergie vers le réseau de bord w Le convertisseur peut alimenter le réseau de bord à tension et fréquence fixes lorsque les machines de propulsion sont entraînées mécaniquement. Elles sont alors pilotées comme des générateurs asynchro- nes conventionnels. G v;c ! Figitre 2. Exeniple de schéina tinifilaire de propiilsion élec-ti-i- que pour navire de croisière à deux lignes d'arbre. GS" GS 1 %, 1 , "' nr GS -.'-'... %tz 1 , - , , 1. i t, 1 1 Al .r'. 1.1, iC'Li04t -i 1 .e, h : ! CFL M M 12C I. " l Za R,, T C.) -c ',, ,,, 1 t.hi..t.Ut ; 1 Cj- Il - 1 i.-. ",. 1,'j MI\' . n,, Figi,ire 3. Exeinple de schéiiia iinfilaii-c de pi-optilsion élecli-i- qtie de navire LNG avec moteiir. senii-rapide. et rédtictet (i- atlaguant trne ligne d'arbre unigzre. 2.3. Avantages de FAFE Le convertisseur de fréquence " Active Front End " (AFE) met en oeuvre la toute dernière technologie à taux d'harmonique faible sous la forme de deux ponts PPI identiques, assurant ainsi le contrôle de puissance com- EC t FFLP C,'i , 1 J J J.LFPL. Jtj Jt Jt 1 "', L ",' - "., TL'Jffl l::'.r: ;r,K:'W:- ;, :...'t -1If" 1 1 1 1 > t,'.d j 'il 1 1 1 - : r'i -4 - ".'. J J j lw 1 il 1 1 L' Figure 4. Convertisseur AFE avec ponts réseau et onditletir 3 niveaux à point neiitre claiîipé. plet dans les quatre quadrants. Il fonctionne avec un cou- rant entièrement sinusoïdal et un facteur de puissance unitaire. Les principaux avantages sont développés ci- après : 2.3. 1. Architecture sans transformateur avec une ten- sion de réseau de 6,6 kV Dans le cas d'un réseau de bord 6,6 kV, le niveau de tension n'a pas besoin d'être adapté avec un transforma- teur et le convertisseur peut être directement raccordé sur le jeu de barres MT par l'intermédiaire d'un filtre d'en- trée. Les principaux avantages de la suppression des transformateurs de propulsion et des filtres d'harmoni- ques sont : . La réduction des encombrements hors-tout et de la masse des équipements de propulsion . L'augmentation du rendement du système de pro- pulsion par suppression des filtres réseau conven- tionnels et des pertes transformateur . La diminution des interfaces (câblage de puissance, auxiliaires transformateurs et filtres, etc.). La figure 5 illustre la qualité de la tension et du courant mesurés côté réseau d'un pont AFE. 2.3.2. Facteur de puissance unitaire Le facteur de puissance à l'entrée du convertisseur est très proche de 1 sur toute la plage de vitesse du moteur. 2.3.3. Compensateur statique de puissance réactive Le convertisseur de propulsion est capable de fournir de l'énergie réactive au réseau afin de contrôler le facteur de puissance de la centrale d'énergie (consommation de charge de bord). Il peut être considéré comme faisant par- tie intégrante de l'équipement de production d'énergie et reste opérationnel même lorsque les machines de propul- sion sont à l'arrêt. De ce fait, l'AFE peut réguler un fac- teur de puissance unitaire malgré la charge de bord induc- tive (en général, facteur de puissance de 0,8) puisque le REE No 4 Avi il 2006 Une nouvelle étape dans le domaine des systèmes de propulsion électrique de forte puissance à onduleurs MLI et moteurs asynchrones M ;o·pprrt ; >nn7;nilnanrc:M.;s =Tr " k2= Ft " l --- OC'lli Lr)1:L f_un:Ul.1 IJO(?1.1.70YO/; fPMO Alltcd dL 1 Ii II=T·s.---_.::':= ,-li- ":- "";: 'u: - iN xPa m h, n o mf . Aa09JmVw Figure 8. Pont machine d'iin convei-tissetir 6 A11WI3,3 kV IGBTü,,aracersation Opti " ial warkitig p (ynt SOAlimas 1 0.8 zi u Therma) imtts 0.6 m o -0 OA 0.2 o 0 0.5 1 1''5 ratedswiîchngfrequency 2 2.5 Figtire 9. Caractérisation du PPI. Compte tenu de ces trois critères, on peut définir la fré- quence de commutation comme indiqué en figure 9. La figure 9 montre que, pour les basses fréquences de commutation, les limitations sont imposées par le courant maximal commuté, en fonction de la SOA (qui est carac- térisé par le fabricant du composant PPI). Pour des fré- quences supérieures, la limite est cette fois liée au régime thermique, c'est-à-dire à la température de jonction. Quant au courant harmonique, il varie inversement à la fréquence de commutation. L'optimal est donc de définir une fréquence de commutation maximale qui corres- ponde à un courant commuté aussi élevé que possible. Ce point optimal dépend principalement de la qualité du radiateur (technologie) et du type de MLI (commande). L'étude du motif MLI est réalisée en fonction des trois critères suivants : *Taux de distorsion en courant le plus faible possible pour une fréquence de commutation donnée Minimisation du dimensionnement des condensa- teurs du bus continu .Optimisation de la valeur maximale du taux de modulation afin d'obtenir la tension de sortie maxi- male pour une tension de bus continu donnée. Le modèle de modulation et la fréquence de commutation sont parfaitement réglables en ligne pendant le fonction- nement. Le meilleur compromis est toujours disponible en termes de pertes convertisseur, harmoniques de cou- rant moteur et performance en bruits et vibrations. 6. Commande vectorielle haute performance Pour des questions de disponibilité, le contrôle du couple des machines de propulsion à induction est réalisé à partir d'une commande sans capteur dont la caractéris- tique première est d'être d'une très grande robustesse : < Précision de l'estimateur de vitesse sur toute la plage de fonctionnement < Stabilité du système à très faible vitesse < Stabilitéde la commande au point de fonctionne- ment nominal qui, dans les applications marine, cor- respond au courant et à la tension maximaux (limite de contrôlabilité du système). Le pilotage de l'onduleur est réalisé par une com- mande vectorielle haute performance. Le flux rotorique est déterminé par un filtre de Kalman adaptatif. Quant au contrôle des courants actif et magnétisant, il est réalisé avec des régulateurs RST afin d'optimiser l'équilibre robustesse/performance. Les principes généraux de ce type de contrôle sont décrits plus en détail dans un précé- dent article intitulé " Robust sensorless induction motor control for electric propulsion ship " EPE [7] publié pour EPE 2003. 7. Réduction des vibrations dans une machine asynchrone alimentée par onduleur MU 3 niveaux NPC Dans les applications marine, les bruits et vibrations nuisent au confort des passagers sur les navires de croi- sière, perturbent les équipements scientifiques des navi- res de recherche océanographique ou réduisent la discré- tion acoustique des navires militaires. Nos études sont basées sur un moteur asynchrone de 1,6 MW à 150 tr/min alimenté par un onduleur MLI 3 niveaux. Une vibration est un mouvement oscillatoire autour d'une position d'équilibre. C'est la réponse mécanique, dans le temps, d'une structure à une ou plusieurs force (s) REE No 4 Avi il 2006 Dossier LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE. EVOLUTIONS TECHNIQUES RECENTES DES EQUIPEMENTS ( ? n,e partie) d'excitation variable (s). Il est nécessaire de déterminer et caractériser les sources vibratoires dans une machine électrique en fonction de leur origine : . Aérodynamique (variation de pression, pales de ven- tilateur, bruit à large spectre pour les moteurs à pôles saillants) *Mécanique (défauts de fabrication, déséquilibre mécanique, mauvais alignement des paliers, défaut d'accouplement) Electromagnétique (force magnétostrictive, force de Laplace, force de Maxwell, harmoniques de l'ali- mentation). Habituellement, les vibrations d'origine électroma- gnétique passent inaperçues par rapport à celles d'origine mécanique ou aérodynamique et leurs effets sont négli- geables. Elles deviennent toutefois rapidement audibles pour les machines qui ont une très bonne conception mécanique. Dans ce cas, des solutions électriques peu- vent être employées pour optimiser les niveaux de bruits et vibrations du moteur de propulsion [4], car il est bien évident que le type de commande MLI influe considéra- blement sur le niveau vibratoire [4]. Quelques exemples sont énumérés ci-après. . Pour une vitesse donnée du navire, il est possible de régler la fréquence de commutation et/ou le motif de modulation avec précision. C'est la stratégie MLI qui vise à réduire les niveaux de bruit et vibration < Intégrer directement un modèle de vibration dans la commande de moteur asynchrone sans capteur. Il s'agit cette fois d'une stratégie de contrôle actif des vibrations, c'est-à-dire d'intégrer à la commande de l'onduleur un terme qui va influer sur une ou des raies vibratoires données. Dans le cas d'une machine très silencieuse, il est parfois nécessaire d'éliminer tout le spectre harmonique lié à la MLI (fréquence porteuse et ses harmoniques). La solu- tion consiste à intercaler un filtre d'onde porteuse (ou fil- tre sinus) entre l'onduleur et la machine de propulsion afin d'éliminer tout le contenu harmonique haute fré- quence de la tension de sortie du convertisseur. Le résultat en termes de spectre harmoniques est réel- lement spectaculaire et garantit de très hautes performan- ces en termes de niveau de bruits et vibrations. 8. Conclusion Les progrès réalisés dans le domaine des composants d'électronique de puissance, combinés aux avantages d'une topologie " trois niveaux ", permettent désormais l'entraînement à vitesse variable de moteurs asynchrones basse vitesse et à haute densité de couple, spécifiquement destinés aux applications marine. Figure 10. Tension et courant moteur sans filtre d'onde porteuse (filtre sinus). 1 ......, . -1 » . 1 l » 1 Il Il .1. I.- . , ......... Figztre ll. Tension et courant nvoteur avec filtre d'onde porteuse (filtre sinus). Cette nouvelle architecture de propulsion apporte de nom- breux avantages aux architectes navals, aux chantiers de construction ainsi qu'aux armateurs et opérateurs de navires : < Optimisation de la centrale de production d'énergie (facteur de puissance, architecture sans filtre d'har- moniques) < Optimisation de l'encombrement et de la masse des équipements *Réduction des coûts d'installation et de mise en service . Très haut niveau de disponibilité de la chaîne propul- sive grâce à la machine à induction . Faible coût d'opération (très haut rendement, faible coût de maintenance) . Haute performance en termes de bruits et vibrations. Références 111 BEGIN, GOLLENTZ et GRUAU, "Low Losses PWM for High Power Press Pack IGBT Inverters ", Cent. Rec. EPE, 2003. [2] CASSORET,'Active Reduction of the Magnetic Noise of the Induction Machines Directly Connected to the Network " Ph.D. Thèse, Université dP,rtois, décembre 1996. [31 HARLING, RAFFEL et OFiUK. "Energy-Efficient Qas/- Direct Converter with Reduced Switching Losses Using an Intelligent Modulation Strategy ", Conf. Rec. EPE, 2001. [41 HUBERT, FRIEDRICH,'A Method for Choosing the Power Converter Control Strategy te Reduce the Acoustic Noise byTaking into Account the Mechanical Structure Response ;' CDROM Conf. Rec. EPE, 2001. i5l MAES et MELKEBEEK,'Adaptative Flux Observer for Sensorless Induction Motor Drives with Enhanced Dynamic Performance " Conf. Rec., EPE 1999, REE ,NO 4 Avril 2006 Une nouvelle étape dans le domaine des systèmes de propulsion électrique de forte puissance à onduleurs MLI et moteurs asynchrones. [61 SIALA, " Motorisation asynchrone d'un robot mobile, obser vation et régulation, contrôle d'alimentation pour le suivi de trajectoire ", PhD thèse d'INPT, W 533, 1992. [71 TERRIEN et SIALA " Robust Sensorless Induction Motor Control for Electric Propulsion Ship ", EPE 2003 proceeding, 2 au 4 septembre 2003, Toulouse, France. [81 GOLLENTZ, GRUAU, MIRZAIAN et E LEWIS,'A New Medium Voltage IGBT Press-Pack Converter. A Significant Step ln Electrical Propulsion Drives, " Conf. Rec. AES, 2003. NPC PPI SOA THD VSI Neutral Point Clamped Press Pack IGBT Safe Operating Area Total Harmonic Distortion Voltage Source Inverter Glossaire Les auteurs AFE Active Front End CODLAG Combined Diesel Electric And Gas CODLOG Combined Diesel Electric Or Gas DBR DFE DOL HVAC HTD IGBT LNG ML ! Dynamic Braking Resistor Diode Front End Direct On Line Heating Ventilating and Air Compressor High Torque Density/Haute densité de couple Insulated Gate Bipolar Transistor Liquefied Natural Gas Modulation de Largeur d'Impulsions Pascal Manuelle, ingénieur de l'Université de Franche-Comté, rejoint le Département Systèmes de puissance de Cegelec en 1990, puis participe aux programmes de développement des sys- tèmes d'entraînement à vitesse variable et systèmes de filtrage actif pour les applications marine au sein de Converteam. Guy Flury, ingénieur de l'Ecole supérieure atlantique d'ingénieurs en génie électrique, a rejoint le département R&D des Systèmes de puissance de Cegelec en 1999. II participe aux programmes de développement des systèmes d'entraînement à vitesse variable et des redresseurs réseaux à absorption sinusôidale (Active Front Endl Jean-Charles Mercier, Ingénieur Ensem Nancy en Génie Elec- trique, Docteur de l'INP de Lorraine, thèse sur modélisation par éléments finis des machines asynchrones. Rejoint Alstom Moteurs à Nancy en 1990, comme ingénieur de recherche. Après un par- cours en design électrique et management de projets, Il devient responsable du bureau d'études puis directeur technique de Converteam Moteurs SA. REE No 4 Avi il 2006