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RÉSUMÉ
La démarche habituelle de conception de l’électronicien de puissance s'attache à optimiser l'efficacité énergétique, la densité de puissance traitée, le coût et la fiabilité de son convertisseur. Il devra à l'avenir intégrer de nouvelles contraintes portant sur la gestion des modes dégradés, l'insertion de redondances et la reconfiguration du pilotage rapproché des interrupteurs de puissance. Cet article présente ainsi les différentes approches de redondance (passive, active, système et mutualisation), les structures types et les stratégies principales de reconfiguration du pilotage. Les solutions génériques proposées concernent l'onduleur de tension et se caractérisent par des propriétés différentes en termes de puissance résiduelle, tension disponible et coût technologique.
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Frédéric RICHARDEAU : Directeur de recherche au CNRS - Laboratoire LAPLACE, Unité mixte de recherche INP Toulouse - Groupe Convertisseurs Statiques. Chargé de cours à l’ENSEEIHT, Département GEA - Université Paul Sabatier – CNRS, Toulouse, France
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Arnaud GAILLARD : Maître de conférences - Institut FEMTO-ST, Unité mixte de recherche Université Bourgogne Franche-Comté (UBFC) – CNRS, Département Énergie Université Bourgogne Franche-Comté, UTBM, Belfort, France -
INTRODUCTION
D’un point de vue historique, les techniques de sûreté de fonctionnement dans les systèmes de conversion de l’énergie électrique ont été proposées initialement pour les machines électriques triphasées vulnérables à la perte d’une phase externe (déconnexion ou coupure d’un câble d’alimentation entre l’onduleur de tension et la machine triphasée) ou à un défaut interne de l’onduleur (défaut de type circuit-ouvert ou de court-circuit, défaut de commande…) [D3179]. Une topologie classique d’onduleur de tension triphasé intégrant des interrupteurs auxiliaires d’isolement peut tolérer une défaillance interne, mais les performances de la machine électrique en mode de fonctionnement secours, dans ce cas en monophasé, ne sont pas satisfaisantes pour l’ensemble des applications envisagées : réduction importante de la puissance, fortes ondulations de couple, démarrage incertain de la machine selon la position du rotor à l’arrêt. De ce fait, afin de maintenir une continuité de service du système électrique en termes de performances en couple et en puissance, des familles de structures de l’onduleur de tension, dites tolérantes aux défauts, ont été proposées et sont listées comme suit :
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structures de l’onduleur de tension sans redondance ;
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structures de l’onduleur de tension avec redondance active de composants de puissance ;
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structures de l’onduleur de tension avec redondance passive de composants de puissance ;
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structure de l’onduleur de tension avec une redondance au niveau du système de puissance ;
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structure de l’onduleur de tension avec une redondance par mutualisation de composants de puissance.
La première famille n’utilise pas de composants de puissance supplémentaires en plus de ceux utilisés lors d’un mode de fonctionnement normal (drivers, cellule de commutation, interrupteur de puissance) [D3176]. Dans ce cas, seuls les degrés de liberté au niveau de la source de tension du bus continu d’entrée (par exemple un point milieu ou des sources fractionnées) ou au niveau de la charge (par exemple un point commun ou neutre, des enroulements à bornes séparées) sont autorisés. A contrario, les structures de l’onduleur de tension avec redondance, qui seront -expliquées davantage dans la section 2, comportent, dès le mode de fonctionnement normal, des cellules de commutation dites « passives » ou « actives » en surnombre, ajoutant des degrés de liberté supplémentaires à ceux présents naturellement par la source et la charge, pouvant être mis à profit pour améliorer le mode de fonctionnement secours. Cet article introductif ne présentera qu’une analyse qualitative en mettant en avant des circuits et des propriétés fondamentales. Il s’agit en particulier d’examiner l’impact d’une défaillance interne d’un composant sur le dimensionnement global de l’onduleur et sur le mode de fonctionnement secours de la charge. L’occurrence de défauts internes ou externes rapprochés à l’onduleur sera considérée de manière macroscopique et idéalisée sous la forme de défauts complets et permanents. Pour simplifier l’analyse et le fonctionnement des différentes structures de l’onduleur de tension avec redondance, l’isolement de la phase défectueuse sera idéalisée, et donc la reconfiguration de la phase concernée sera instantanée et parfaite juste après l’apparition du défaut (la détection et l’isolation du défaut ainsi que les méthodes/outils associés feront l’objet d’autres articles). De plus, afin d’étudier qualitativement les impacts d’un défaut de type circuit-ouvert ou court-circuit d’un interrupteur de puissance sur les différentes structures de l’onduleur de tension qui seront présentés dans les sections ci-dessous, la notion de ratio pour le mode secours par rapport aux grandeurs électriques et/ou mécaniques en mode normal sera utilisée pour analyser les performances des structures présentées.
D’une manière générale, il sera considéré, que la tension du bus continu est suffisante pour garantir à la charge connectée à l’onduleur une tension par phase nominale ; cette hypothèse simplificatrice est suffisante afin d’expliquer qualitativement les modes dégradés du fonctionnement secours par rapport aux conditions nominales du fonctionnement normal. De ce fait, il n’est pas effectué de surmodulation sur les tensions simples de l’onduleur en mode de fonctionnement normal.
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Les structures de l’onduleur de tension avec redondance : classification et éléments de comparaison
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1. Les structures de l’onduleur de tension sans redondance : classification et éléments de comparaison
Les structures sans redondance sont définies, en se basant sur une structure conventionnelle d’onduleur de tension [D3179], comme n’utilisant comme seules redondances que celles du neutre artificiel, comme le montre la figure 1 a , ou celles des phases de la machine électrique via une connexion au point milieu du bus continu (figure 1 b ). Ces deux structures sont donc épurées et économiques avec un risque de défiabilisation réduit, ou du moins, bien maîtrisé.
Les deux structures présentées à la figure 1 permettent un mode de fonctionnement secours en cas de défaut. Une première analyse topologique nous indique que la structure de la figure 1 a ne nécessite qu’un seul interrupteur auxiliaire (noté Int1) afin de connecter le neutre de la machine électrique au point milieu du bus continu. Dans ce cas, il est nécessaire que le neutre de la machine soit accessible (ce qui nécessite un couplage étoile sur les enroulements du stator). Cette première solution permet également de suppléer à la défaillance d’une phase de la machine en permettant une poursuite sur les deux autres phases. Cette solution permet donc de traiter le cas d’un défaut interne ou externe à l’onduleur de tension (i.e. interne à la machine). La structure de la figure 1 b , quant à elle, nécessite trois interrupteurs auxiliaires (notés Int1, Int2, et Int3 ). Le coût de cette solution est donc légèrement augmenté mais son avantage réside dans le fait que cette structure peut être utilisée quel que soit le couplage des enroulements du stator de la machine, à savoir couplages étoile ou triangle sans accès au neutre. Cependant, cette seconde solution ne permet pas de suppléer à la défaillance d’une phase de la machine. De manière...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ELCH-HEB (T.), HAUTIER (J.P.) - Remedial strategies for inverter : AC motor system at the occurrence of a transistor drive fault. - Proceedings of the 4th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’91), Florence, Italy (1991).
-
(2) - ELCH-HEB (T.), HAUTIER (J.P.) - Remedial strategy for inverter : induction machine system faults using two-phase operation. - Proceedings of the 5th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’93), Brighton, Great Britain (1993).
-
(3) - LIU (T.-H.), FU (J.-R.), LIPO (T.A.) - A strategy for improving reliability of field-oriented controlled induction motor drives. - IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 29, no. 5, pp. 910-918, Sept./Oct. 1993.
-
(4) - FU (J.-R.), LIPO (T.A.) - A strategy to isolate the switching device fault of a current regulated motor drive. - Proceedings of the Industry Applications Society Annual Meeting, vol. 2, pp. 1015-1020 (1993).
-
(5) - BOLOGNANI (S.), ZORDAN (M.), ZIGLIOTTO (M.) - Experimental Fault-Tolerant...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Documentation sur les solutions “Pyroswitch / PSS – Safety Switch and Closing Switch” développées par la société Autoliv : http://www.pyroswitch.com
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