Introduction aux essais de puissance électrique

Ce type d'essais peut se révéler relativement complexe et requiert un analyseur de puissance en temps réel capable de supporter un nombre de voies élevé, des variations de charge dynamiques, l'acquisition de données brutes et une analyse avancée. Les essais de moteurs électriques et d'onduleurs sont effectués dans les secteurs de l'automobile, des transports, du ferroviaire, de l'aérospatiale, des industries, de l'énergie éolienne et de la production d'électricité. Les domaines d'application types sont le moteur électrique de bateau, les chariots élévateurs électriques, les générateurs d'énergie éolienne, les voitures électriques ou hybrides, les trains grande vitesse, les pompes haute performance, les moteurs électriques d'Airbus A320, les onduleurs VF industriels, les moteurs industriels à courant alternatif multiphasé, etc.

L’importance des essais

L'objectif principal des essais de puissance électrique est d’améliorer le rendement du groupe motopropulseur électrique. Plusieurs solutions sont possibles pour optimiser l’onduleur, le moteur, l'adaptation onduleur/moteur et la « stratégie » de l'entraînement. Le rendement du groupe motopropulseur est optimisé en fonction de la compatibilité entre l’onduleur et le moteur. Pour y parvenir, le moteur doit être minutieusement caractérisé en fonction de l’onduleur. Les données brutes doivent être stockées et analysées en continu par le biais d'un équipement approprié de haute qualité.

Les essais de groupes motopropulseurs électriques nécessitent des systèmes d'acquisition de données performants.

Quelle que soit la chaîne cinématique testée, les tensions, courants, couples, vitesses et températures à mesurer sont très similaires. L'opération est toujours la même : La tension et le courant de la batterie doivent être mesurés à l’entrée de l’onduleur. La sortie de l’onduleur est généralement constituée de 3 phases ou plus (par exemple 6 phases dans l'aérospatiale, on peut également trouver 6 phases dans des applications autres que l’aérospatiale, comme dans des ascenseurs), de tensions modulées en largeur d'impulsion jusqu'à +/-1000 volts et de courants jusqu'à quelques centaines d'ampères à mesurer. Mesurer individuellement chacune de ces tensions et chacun de ces courants permet de calculer la puissance électrique de la batterie et de l’onduleur. Un couplemètre permet de mesurer les signaux en sortie du moteur (couple, vitesse et position), ce qui permet de calculer la puissance mécanique du moteur. En calculant les ratios de chacune de ces sections, on obtient le rendement de l’onduleur de fréquences, du moteur électrique et le rendement de l'ensemble du groupe motopropulseur électrique.

Actuellement, la configuration filaire se présente comme suit : Des multimètres numériques (DMM) permettent de mesurer la tension de la batterie, un analyseur de puissance mesure la tension et les courants triphasés, un oscilloscope peut être utilisé si l'on veut voir les signaux en temps réel, et un petit système d'acquisition de données (DAQ) permet de mesurer le couple, la vitesse et l'angle du moteur électrique.

Mais cette configuration avec différents appareils de mesure ne permet quasiment pas d'obtenir des résultats fiables. Les causes sont multiples :

  1. Les analyseurs de puissance conventionnels ne fournissent que peu de calculs et ne sont pas fiables lors de variations dynamiques de la charge.
  2. Nombre limité de voies pour la puissance et le couple/vitesse.
  3. Synchronisation horaire difficile entre les différents systèmes.
  4. Le stockage des données est limité par différents systèmes et différents formats.
  5. Aucune donnée brute n'est disponible pour vérification ou analyse.

Ainsi, la demande pour une solution système unique haute performance est plus importante que jamais, les groupes motopropulseurs électriques prenant de plus en plus d'importance..

Exigence du marché : Un seul système pour toutes les opérations

Pour simplifier les essais de moteurs électriques, le marché a besoin d'un système unique offrant une configuration système flexible pour stocker les données brutes et les analyser en continu. Si nécessaire, les données peuvent être utilisées ultérieurement pour une analyse approfondie.   

Un système unique permet d'acquérir et d'afficher la tension et le courant de la batterie (entrée de l’onduleur), les tensions et courants triphasés (ou six phases) modulés en largeur d'impulsion (sortie de l’onduleur), ainsi que le couple, la vitesse et l'angle du moteur électrique.

Avantages de ce système :

  • Évolutif, depuis un petit nombre jusqu'à un grand nombre de voies.
  • Un seul système pour la puissance, la mécanique, le contrôle, l’acoustique et les vibrations
  • Acquisition et échantillonnage grande vitesse de tous les signaux sans déphasage
  • Résultats en temps réel et stockage des données brutes dans un seul fichier et format.
  • Acquisition et enregistrement simultanés de tous les signaux.
  • Intégration simple du système grâce à des interfaces logicielles et d’un format de données ouvert.
  • Transfert des résultats en temps réel vers le système d’automatisation.
  • Exécution de calculs de puissance en temps réel par demi-cycle (même sur la base de vos propres formules pour des configurations « spéciales »).
  • Affichage de tous les signaux enregistrés et calculés en temps réel, en toute sécurité et en toute simplicité depuis le poste de pilotage.
  • Enregistrement en continu ou instantanés par valeur de référence pour la cartographie, la vérification et l'analyse.
  • Capacités d’analyse avancées, comme le vecteur spatial, la transformation dq0 ou le couple d’entrefers

Résultat de la configuration : Indépendamment du déroulement des essais, les données brutes sont stockées et l'opérateur peut les analyser attentivement et procéder à des changements et modifications.

Une sécurité maximale peut être obtenue en installant le système d'acquisition de données à l'intérieur de la cellule d’essai et en le connectant via un réseau Ethernet à fibre optique à un PC de contrôle à l’extérieur de la cellule d’essai.

Autres avantages du stockage des données brutes

Le stockage des données brutes offre d’autres avantages. Les données peuvent être exploitées pour des analyses complémentaires et plus approfondies de la chaîne de transmission électrique. Tous les résultats peuvent être enregistrés (fichier CSV) ou diffusés en continu vers un système d’automatisation.

Quelques exemples d’analyses d’onduleur :

  • TDH (taux de distorsion harmonique)
  • Fréquence de commutation
  • Méthode de modulation
  • Comportement du contrôle de l’onduleur

Quelques exemples d’analyses moteur :

  • Diagramme de circuit équivalent
  • Pertes de fer et de cuivre
  • Courants de démarrage
  • Couple d'écartement
  • Ondulation de couple / Couple de détente
  • Effets de saturation

Exemple d’analyse d’entraînement

  • Essais WLTP

Résumé

Les essais de puissance électrique sont particulièrement complexes. Un système unique simplifie les essais et permet de procéder à une analyse approfondie des données. Un analyseur de puissance de haute qualité ( tel que l'analyseur de puissance eDrive ) permet notamment d'acquérir tous les signaux : haute tension, courant, couple, vitesse, températures, CAN, vibrations, son, etc. Ce système peut collecter tous les signaux simultanément, avec un taux d'échantillonnage élevé et une haute résolution.

Les données brutes seront stockées en continu ou sous forme de snapshot, par valeur de référence, et à des fins de vérification et d'analyse. Une configuration d’essai depuis un simple menu avec des applications préconfigurées est possible. Les cartographies, FFT, traces et résultats de puissance sont calculés en temps réel. eDrive Creator et les formules Utilisateur permettent de répondre aux applications complexes. Une base de données de formules a été constituée pour permettre une analyse détaillée du moteur et de l’onduleur. Les résultats peuvent être transférés et contrôlés via des interfaces logicielles / matérielles vers le système d’automatisation.