Mesures dynamiques et précises de puissance

L’évaluation et la caractérisation de transmissions électriques et de leurs stratégies de contrôle associées, dans les domaines de l’industrie et de la mobilité,  requièrent des mesures précises et très dynamiques. Le système électrique, dans ces domaines d’application, est typiquement constitué d’un convertisseur à 2-étages, d’une machine électrique à 3 phases et d’une source de tension associée.

Dans cet article, la topologie du double convertisseur à 2-étages (DTLI) est présentée dans le détail. Cela est suivi par une présentation des modalités d’acquisition des variables mécaniques et électriques avec un système d’acquisition de données GEN3i et des calculs de puissance Temps Réel associés.

Les auteurs

Simon Wolfstädter, M.Eng., Thomas Kowalski, M.Eng., Prof. Dr.-Ing. Johannes Teigelkötter, University of Applied Science Aschaffenburg, Dipl.Ing. Klaus Lang, HBM

Double convertisseur à 2 étages

Fig. 1: Topologie du DTLI avec alims DC séparées

La topologie du double convertisseur à 2 Etages consiste à coupler 2 convertisseurs à 2-Etages entre eux. Les bobinages de la machine électrique sont raccordés aux 2 convertisseurs. La machine électrique est alors alimentée par 6 phases de tension. La Figure 1 présente la topologie du DTLI avec alimentations source DC séparées.  

Parmi les avantages de cette topologie DTLI vous aurez une amélioration des performances de fiabilité, une tension d’alimentation DC réduite (avec puissance équivalente sur la machine), et aussi un nombre de niveaux de tension supérieur à comparer avec ceux d’une application avec convertisseur simple étage [1].

En même temps, cette topologie permet la distribution de la puissance électrique absorbée ou restituée par la machine électrique à destination des 2 convertisseurs ou des 2 sources connectées à eux. La Figure 2 illustre les flux d’énergie possibles dans le système. Les flux se font non seulement entre la machine et les convertisseurs mais également entre les 2 convertisseurs. Cela veut dire aussi qu’il est possible d’échanger de l’énergie entre les 2 sources au travers des bobinages de la machine.    

Fig. 2: Directions des flux d’énergie dans le système

Banc d’essai et Acquisition de mesures

L’acquisition métrologique et l’analyse des quantités électriques et mécaniques dans le système requièrent un bon nombre de points de mesures.

En plus des quantités mécaniques telles que la vitesse de rotation, couple et angle de rotation, les valeurs électriques tension/courant des différentes phases, les tensions/courants des sources DC, sont requis pour évaluer les phases statiques comme dynamiques en opération.

La Figure 3 illustre, sous forme de schéma, les différents points de mesures raccordés à l’enregistreur de données GEN3i.

Fig. 3: Grandeurs mesurées sur le système

Le banc d’essai et l’acquisition de données sont structurés de la manière suivante :

  • La machine électrique sous test est une machine à aimant permanent (PSM), alimentée par le DTLI. Chaque convertisseur est alimenté par un banc de batteries lithium. La position du rotor est déterminée à l’aide d’un capteur resolver.
  • Les paramètres d’opération sont assignés via une interface CAN.
  • Le frein dynamomètre est une machine à aimant permanent, asservie en vitesse et alimentée par un contrôleur séparé. Ce convertisseur est alimenté par une source sur le réseau domestique. La vitesse de rotation est mesurée par un encodeur incrémental.
  • Les courants de phase sont mesurés avec des transformateurs de haute précision de type LEM IT 400 S. Les shunts de mesures sont les shunts de précision HBR 2.5 positionnés directement sur chaque voie haute tension assignée sur le GEN3i.
  • Les tensions de phase des 2 convertisseurs sont mesurées, via un adaptateur réseau Etoile artificiel, directement sur les voies haute tension du GEN3i.
  • Les tensions de batterie sont mesurées directement par les voies haute tension du GEN3i.
  • Les valeurs de couple et position angulaire sont accessibles au travers du capteur de couple HBM T12. Celles-ci sont connectées au GEN3i via le module d’adaptation voies IO vers Txx.

La Figure 4 illustre la machine en cours d’essai avec les connections des 2 côtés du bobinage. Sont également visibles le capteur de couple, les transformateurs de courant et les prises de tension de phase.

La Figure 5 illustre un des 2 bancs de batteries lithium pour alimentation des convertisseurs.

La Figure 7 illustre les entrées haute tension du GEN3i avec les shunts de courant et les adaptateurs réseau Etoile artificiel.

Fig. 4: Banc moteur avec couple mètre T12, transformateurs de courant, prises de tension
Fig. 5: Banc batteries Lithium pour alimentation d’un convertisseur
Fig. 6: GEN3i, PC de contrôle,
alimentation des T.I et module adaptateur IO vers Txx
Fig. 7: Entrées tension GEN3i avec shunts de courant et adaptateurs réseau Etoile artificiel

Calculs de puissance Temps Réel

Les mesures de signaux bruts peuvent être utilisées pour déterminer les puissances individuelles du système [2][3]. Les quantités, par phase, sont utilisées pour calculer les puissances instantanées en sortie des convertisseurs :

En raison du sens de comptage sur le second convertisseur, , des tensions de phase négatives contribuent à une puissance de sortie positive :

Les puissances apparentes sont déterminées par moyenne cyclique sur la période du fondamental d’un courant de phase :

Les puissances apparentes des 2 convertisseurs , vues de l’entrée, peuvent être déterminées de façon similaire :

La puissance instantanée de la machine électrique peut être représentée comme la différence de tension entre les différentes phases, multipliée par le courant de phase :

Ou par la somme de la puissance des 2 convertisseurs :

La puissance mécanique sur l’arbre machine est calculée à partir du couple M et de la vitesse de rotation n :

Connaissant les puissances AC et DC, il est possible d’en déduire le rendement des convertisseurs :

Si le rendement est connu et la tension de batterie est continue, le courant de batterie peut alors être déduit comme suit :

Résultats de Mesure

Les mesures et méthodes de calculs décrites précédemment ont été appliquées lors de l’essai  de la machine électrique présentant les caractéristiques suivantes: tension de phase nominale 270V, courant nominal 150A, couple 190Nm, vitesse de rotation 1500 tr/min, nombre de paires de pole 2.  

Les 2 convertisseurs IGBT du DTLI sont synchronisés et présentent une fréquence de commutation de 8 kHz. Les 2 convertisseurs sont alimentés par une tension DC de 210V chacun.

A titre d’exemple, 2 séries de tests sont décrites, ci-dessous, pour déterminer le comportement en opération du DTLI et de la machine électrique.   

(A) Distribution d’énergie aux 2 contrôleurs à 2 étages

Pendant la mesure, le frein dynamométrique est contrôlé à une vitesse constante de 750 tr/min. La machine sous test est d’abord alimentée symétriquement (PAC,1 = PAC,2) par le double contrôleur à 2 étages., puis asymétriquement (PAC,1 ≠ PAC,2). Le couple en sortie du moteur est de 120 Nm. La Figure 8 montre les puissances P du système calculées par le GEN3i. Les puissances en entrée et en sortie des convertisseurs, ainsi que les sorties électriques et mécaniques totales du système. On peut constater, par exemple, que les variations dans la distribution des énergies affectent les puissances des 2 premiers convertisseurs et non la puissance délivrée par le moteur lui-même.

(B) Echange d’énergie entre les convertisseurs à 2 étages

Partant du même point de fonctionnement que dans (A) avec alimentation symétrique, l’échange d’énergie commence entre les 2 convertisseurs et les batteries lithium. Un courant de charge de 20A est initialement requis puis 30A et enfin 15A pour être assigné à la batterie 2 (fig. 10). La Figure 9 montre les puissances P du système calculées par le GEN3i. L’alimentation symétrique de l’énergie aux 2 convertisseurs pendant le point de fonctionnement est remplacée par l’échange des énergies à partir de t = 4.3 s approx.  Le convertisseur 1 restitue ensuite l’énergie requise par la machine électrique ainsi que l’énergie requise pour la charge de la batterie 2.

Fig. 8: Puissances déterminées pour le système (A)
Fig. 9:Puissances déterminées pour le système (B
Fig. 10: Courants de batteries mesurés (B)

Calculs Temps Réel et calculs en post-traitement

Les courbes de puissance active en Figure 11 montrent les puissances en entrée et sortie du convertisseur 1 ainsi que la puissance mécanique et une comparaison des 2 méthodes de calcul entre le temps réel et le post-traitement pour les mesures décrites dans le paragraphe 4 (A). Les 2 méthodes aboutissent aux mêmes résultats.

Fig. 11: Courbes de puissances actives calculées en temps réel et en post-traitement

Formules pour les calculs en post-traitement

La Figure 12 illustre un extrait d’une feuille de formules telle que créée dans Perception. Les calculs des 2 sources DC et de la puissance en sortie du convertisseur 1 sont présentés à titre d’exemple.

Fig. 12: Extrait des formules de post-traitement

Formules pour le calcul Temps Réel

La mise en œuvre des calculs de puissance Temps Réel est illustrée en Figure 13.

Les puissances actives en entrée et sortie du convertisseur 1 sont présentées à titre d’exemple. Noter les petites différences de syntaxe entre les formules Temps Réel et post-traitement.

Fig. 13: Extrait des formules Temps Réel

References

[1] Grandi, Gabriele; Rossi, Claudio; Lega, Alberto; Casadei, Domenico: Multilevel

Operation of a Dual Two-Level Inverter with Power Balancing Capability. In: Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting, 2006, 603–610

[2] Teigelkötter J.: Energieeffiziente elektrische Antriebe [Energy-Efficient Electrical Drives], 1st edition, Springer Vieweg Verlag, 2013

[3] Berechnung von Leistungsgrößen mit Perception-Software [Calculating Power Values with Perception Software]: www.hbm.com/en/3783/calculating-power-quantities-with-perception-software/