facteurs à considérer pour l`utilisation d`inverseurs à modulation d

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FACTEURS À CONSIDÉRER POUR L’UTILISATION
D’INVERSEURS À MODULATION D’IMPULSIONS
EN DURÉE ET DE MOTEURS CA À INDUCTION À
L’INTÉRIEUR D’UN SYSTÈME COMPLET
Par Austin H. Bonnett, membre de l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
Conseiller technique et pédagogique, EASA (Electrical Apparatus Service Association)
Saint-Louis, Missouri
SOMMAIRE
L’inverseur à modulation d’impulsions en durée (MID)
constitue l’une des percées techniques les plus récentes qui
se développent le plus rapidement dans le domaine du
réglage de vitesse des systèmes d’alimentation électrique.
Les changements rapides et continus exigent une évaluation
constante de leurs impacts sur le système.
L’objectif de ce texte consiste à établir les critères
d’application d’un système à mécanismes d’entraînement
MID à basse tension et à moteurs à induction alternative sur
un équipement commandé.
L’accent porte sur l’impact de la forme d’onde MID sur
la longévité et la performance du moteur. Plusieurs tests
ont été effectués en laboratoire et sur le terrain afin de
valider les conclusions. Des recommandations sont faites
sur les systèmes d’isolation qui augmenteront la durée de
vie du moteur. L’impact des ondes stationnaires est
exploré au même titre que les surcharges de l’arbre
moteur. Une liste détaillée des facteurs d’application et
des contraintes est fournie afin d’orienter, dans le cadre
d’une approche systémique intégrée, l’utilisation des
mécanismes d’entraînement, des encablures, des
moteurs, des accouplements et des pièces d’équipement
menées. Une part importante de cette étude présente
une vaste compilation bibliographique de recherches
connexes.
INTRODUCTION
Cet article présume que la tension sinusoïdale
traditionnelle et fondamentale représente (sauf pour les
amorçages et les influences extérieures) un régime
stabilisé, doté d’un maximum et d’une valeur efficace
(RMS).
La forme d’onde de tension fournie par un mécanisme
d’entraînement MID peut, cependant, contenir des
phénomènes harmoniques et transitoires pouvant altérer
les caractéristiques de performance et l’espérance de vie
du moteur. Les effets de la tension maximale, du taux de
surcharge, des fréquences de commutation, de la
résonance et des phénomènes harmoniques seront tous
étudiés.
Beaucoup de choses ont été écrites au fil des ans sur
les différents types de mécanismes d’entraînement à
vitesse réglable (EVR) et les impacts reliés à leur
application sur les moteurs. Ce texte se concentre sur
l’impact de la tension transitoire (telle que définie plus
haut) générée par l’EVR sur les moteurs à induction à
cage d’écureuil. Le champ d’application du produit
examiné s’arrêtera aux moteurs MID et aux moteurs à
bobinage aléatoire à basse tension (600 volts ou moins).
MISE EN CONTEXTE
L’inverseur à modulation d‘impulsions en durée est
l’une des avancées techniques les plus récentes et qui se
développent le plus rapidement parmi les dispositifs non
linéaires utilisés dans les systèmes d’alimentation. À
l’origine, son développement fut motivé par sa capacité
de réglage de vitesse comparable à celle des
mécanismes d’entraînement mécanique ou à courant
continu. Avec l’accent accru mis sur la conservation de
l’énergie et la diminution des coûts, l’utilisation de
mécanismes d’entraînement MID plus performants a
augmenté de façon exponentielle.
La figure 1 illustre l’évolution des circuits
d’entraînement au cours des 20 dernières années,
passant des redresseurs commandés au silicium (RCS) à
300 Hz aux thyristors déclenchables blocables par la
gâchette (BGA) actuels et les transistors bipolaires à
porte isolée (TBPI) plus récents, qui fonctionnent jusqu’à
une portée de 20 kHz. Les TBPI sont maintenant la
norme dans l’industrie. Il est intéressant de noter à quel
point la tension de bobinage se modifie à mesure que la
fréquence de commutation augmente.
SYSTÈME D’ISOLATION DE BOBINAGE
Les systèmes d’isolation de bobinage de moteur sont
normalement classés selon leur capacité thermique. Les
systèmes à basse tension (600 volts ou moins) utilisés
dans les mécanismes d’entraînement sont généralement
de classe F (155 °C) ou de classe H (180 °C). Les tests
de qualification ont soumis les échantillons (motorettes) à
une série de cycles de tension thermique, de tension
mécanique et d’humidité. La tension électrique a
cependant été limitée à 60 Hz et à 600 volts RMS en
courant alternatif, dans le respect des normes de
l’IEEE [1]. Malheureusement, ces normes ne spécifient pas

Facteurs à considérer au moment d'utiliser des inverseurs MID Fiche technique No. 29
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la répétition maximale des phénomènes transitoires (Vm), la
fréquence de commutation (kHz) et le taux de surcharge
(dV/dt) auxquels le bobinage peut résister de façon
sécuritaire tout en respectant sa durée de vie normale.
Tel que suggéré plus haut, de nombreux types de
transistors de sortie et de schémas de modulation affichent
différentes valeurs Vm et dV/dt, lesquelles ont des effets
différents sur la durée d’isolation du moteur. La figure 2
illustre une forme d’onde de tension MID typique. De toute
évidence, il s’agit d’une condition beaucoup plus rigoureuse
que ce qui est normalement expérimenté sur une tension
sinusoïdale.
Les figures 3 et 4 illustrent un circuit de commande
MID typique et les formes d’ondes de courant et de
tension qui en résultent.
DÉFAILLANCE OU RUPTURE DU BOBINAGE
Quatre tensions de base agissent sur l’enroulement du
stator[2] :
• thermique ; • méc anique ;
• di électrique; • environnementale ;
Toutes ces tensions subissent l’impact des formes d’ondes
de tension du mécanisme EVR; dans de telles conditions, la
durabilité de l’enroulement repose sur l’intégrité de l’ensemble
du système d’isolation. Au cours des premiers essais
d’application des mécanismes EVR à six étapes de tension
sur les moteurs à courant alternatif, l’attention était
principalement portée sur la chaleur émanant de la tension
thermique générée par les effets harmoniques indésirables
qui se transmettaient au moteur. L’autre facteur critique
concernait la chaleur croissante qui résultait d’une capacité
de refroidissement réduite lorsque le moteur tournait à bas
régime. De plus, une plus grande attention a été portée à la
forme des barres du stator qu’à la capacité de résistance
tensiométrique de l’isolant du stator, étant donné que la
forme des barres influence grandement les caractéristiques
de vitesse et de couple du moteur.
Avec la technologie du mécanisme d’entraînement
MDI actuelle, qui utilise une bien plus grande vitesse de
commutation (parfois appelée fréquence porteuse), et
ses applications accrues, l’attention doit maintenant être
portée sur le système d’isolation du bobinage du stator.
Ceci ne veut pas dire que le design des rotors doit être
ignoré pour autant. L’isolation entre phases et l’isolation
phase-terre sont relativement faciles à prévoir. En fait, ce
n’est normalement plus le point de tension le plus élevé
comme c’était souvent le cas en utilisant une énergie
sinusoïdale, alors que la tension entre spires stabilisée
était relativement basse (normalement sous les
25 volts/tour). Le fil de bobinage commun utilisé par la
plupart des fabricants de moteurs est généralement de
classe H en polyester solidement revêtu (émaillé) avec
des côtés de 0,0025 pouce. Conformément aux normes
de la National Electrical Manufacturers Association
(NEMA), ce fil de bobinage a la capacité de résister, dans
des conditions normales (test de fils torsadés), à
5 700 volts à un taux de croissance n’excédant pas
500 volts/seconde.

Fiche technique No. 29 Facteurs à considérer au moment d'utiliser des inverseurs MID
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Les bobinages conçus spécifiquement pour les moteurs
alimentés par inverseurs présentent normalement un fil de
bobinage à conception renforcée (c’est-à-dire de 3 à 4 fois
plus résistant). Ces fils à base de polyester démontrent
une plus grande force de rupture diélectrique lorsqu’ils sont
soumis à une tension sinusoïdale ou à des phénomènes
transitoires intermittents. Cependant, leur capacité de
résistance se trouve diminuée lorsqu’ils sont soumis à de
hauts rapports dV/dt et à de rapides fréquences de
commutation. Les plus récents fils de bobinage conçus
pour les inverseurs permettent une capacité de vie
nettement accrue, tel qu’il est démontré à la figure 5.
Ces valeurs présument que la pellicule du fil est appliquée
concentriquement sur le cuivre et qu’aucun dommage ou
dépréciation n’est survenu à l’épaisseur de la pellicule lors de la
fabrication ou de l’utilisation du moteur. Les normes de ces
pellicules permettent dans certains cas un rapport maximal/minimal
allant jusqu’à 4/1. En réduisant ce rapport pour une même
épaisseur, la capacité de résistance tensiométrique peut être
améliorée de façon significative. En fonctionnant à haute
température, l’adhérence entre spires peut diminuer de façon
significative. De là, le mouvement de la bobine et l’abrasion
réduisent avec le temps l’épaisseur de l’isolation entre spires, ce
qui peut causer une rupture prématurée de l’isolation. Il est possible
de diminuer les risques de rencontrer cette situation en améliorant
le processus de traitement du bobinage. La figure 6 illustre les
différents modèles de ruptures du bobinage pour un stator typique.
Il est possible de rencontrer n’importe quelle combinaison de ces
modèles.
Peu importe l’origine du phénomène transitoire, les plus
hauts points de tension surviennent généralement lors des
premiers ou des derniers tours d’une phase donnée[2]. Sur
les machines fonctionnant à moyenne ou à haute
tension, il est possible d’ajouter de l’isolation entre spires
pour prévenir cette situation. Cette approche n’est
cependant pas possible avec les bobinages aléatoires à
basse tension. Sur ces machines spécifiquement
conçues pour fonctionner avec des onduleurs, certains
fabricants ont développé des systèmes d’isolation
spéciaux affichant une meilleure adhérence, une
température de fonctionnement plus basse et une
meilleure isolation, de même qu’une isolation de phase et
de sol modifiée. La prochaine section résume les
différentes options pouvant être exercées afin d’améliorer
et d’adapter le système d’isolation à une application
spécifique avec onduleur.
SYSTÈME D’ISOLATION SPÉCIFIQUEMENT CONÇU
POUR LES INVERSEURS DE MOTEURS EVR
Un système d’isolation conçu pour les inverseurs
comprend généralement les caractéristiques clés
suivantes :
• fil de bobinage doté d’une rigidité diélectrique
accrue ;
• isolation accrue sur les derniers tours, dans les
rainures et entre les phases ;
• frettage ou enrubannage robuste des derniers
tours ;
• cycles additionnels de vernissage ou d’imprégnation
sous vide ;
• contenu en cuivre maximisé dans les rainures ;
• isolation pour température élevée avec bas niveaux
d’accroissement thermique.
Fréquemment, ce système est combiné à un moteur à
efficacité supérieure conçu pour accroître la capacité
thermique et les possibilités à couple élevé. Le moteur est
généralement calibré pour fonctionner sous le plein point
de chargement sans utiliser le facteur de surcharge.
Les fabricants de moteurs et d’isolants effectuent
actuellement des investigations pour déterminer plus
précisément les niveaux de résistance de tension des systèmes
d’isolation actuels et futurs. Des résultats préliminaires [5] [13]
indiquent que les niveaux de tension transitoire combinés
aux températures de fonctionnement peuvent dépasser les
niveaux causant les décharges par effet couronne, ce qui
peut causer des bris à l’isolation si des précautions
adéquates ne sont pas prises (par exemple, des filtres en
ligne ou des systèmes d’isolation spéciaux).
La figure 7 illustre les résultats d’une étude menée [6]
[7] pour déterminer la baisse de tension maximale au
moment des premiers tours des bobines de tête. Il est
important de saisir que la théorie des ruptures aux
premiers ou aux derniers tours est fondée sur le postulat
que les autres bobines ne sont pas des chaînons plus
faibles, mais bien de rigidité diélectrique similaire.

Facteurs à considérer au moment d'utiliser des inverseurs MID Fiche technique No. 29
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LES ONDES STATIONNAIRES OU L’EFFET
D’OSCILLATION TRANSITOIRE
En utilisant la théorie classique de la transmission en
ligne, on peut démontrer, selon l’encablure entre le
mécanisme d’entraînement MDI et le moteur à courant
alternatif, qu’il est possible d’enregistrer une réflexion
complexe aux bornes du moteur allant jusqu’au double de la
tension appliquée (2Pu). L’impédance électrique d’un moteur
à induction typique se mesure majoritairement par effet joule
et apparaît comme un circuit ouvert lorsqu’elle est prise à de
hautes fréquences de commutation. De là, le risque existe de
voir une irrégularité majeure dans la forme d’onde de tension
se propager aux bornes du moteur et causer de sérieux bris à
l’isolation.
La figure 8 illustre l’impact de l’encablure sur les
valeurs de tension crête à crête aux bornes du moteur[6].
La figure 10 illustre le lien entre l’encablure et le temps de
montée[8].
L’effet d’oscillation transitoire peut être corrigé ou
diminué en utilisant différents dispositifs de filtres
disponibles sur le marché, en réduisant l’encablure
(généralement à moins de 50 pieds), ou encore en
utilisant des moteurs dotés de systèmes d’isolation
spécifiquement conçus pour les onduleurs. Dans certains
cas extrêmes, on doit utiliser plus d’une option. L’autre
alternative, lorsqu’une longue encablure est nécessaire,
est d’utiliser des mécanismes d’entraînement moins
propices à provoquer ces hautes réflexions de tension.
IMPACT DE L’ENCABLURE
L’impact des longues encablures peut être illustré par
l’exemple suivant, qui démontre l’échec sur le terrain de 8
des 15 moteurs à courant alternatif communs (10 ch,
4 pôles) en train d’effectuer une application alimentée par
des mécanismes d’entraînement MDI typiques à une
fréquence de commutation de 2 kHz. Lorsque les moteurs
se rompaient lors du démarrage initial (dans les 30 jours), il
fut conclu d’emblée que ceux-ci étaient défectueux. Les
15 moteurs furent tous remplacés par des nouveaux. Les
nouveaux moteurs commencèrent eux aussi à se rompre
dès leur première semaine de fonctionnement. On a ensuite
suspecté les mécanismes EVR d’être défectueux, mais
aucune anomalie n’a été détectée. Il fut alors révélé que
l’encablure entre les mécanismes EVR et les moteurs était
de 100 pieds.
Des simulations menées avec et sans longue encablure
ont démontré que des niveaux de tension excessifs et de
hauts rapports dV/dt subsistaient. La figure 10 illustre l’impact
découlant de l’installation des filtres en ligne entre le

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mécanisme d’entraînement et le moteur lorsqu’on
fonctionne avec l’encablure de 100 pieds.
Malheureusement, il ne fut pas possible de distinguer les
pointes causées par le mécanisme EVR et celles
causées par l’encablure.
La figure 11 présente un exemple clair de l’impact de
l’effet d’oscillation transitoire vu comme une conséquence
de l’encablure.
De nombreux exemples de ce problème spécifique ont
été recensés sur une large variété de mécanismes
d’entraînement MDI et de moteurs. L’inspection détaillée
de la plupart des unités brisées indique que des courts-
circuits rotatifs sont survenus à plusieurs endroits sans
signes significatifs de surchauffe généralisée. Cependant,
les données ne fournissent pas l’information nécessaire
pour confirmer que les défaillances entre spires se
trouvaient à la première ou à la dernière bobine d’une
phase donnée. Il est par ailleurs bon de souligner qu’il
existe de nombreuses installations qui fonctionnent avec
succès avec de longues encablures.
Une surtension et une oscillation transitoire peuvent
survenir au début et à la fin de chaque impulsion [9],
comme il est indiqué à la figure 12. Alors que la majorité
des phénomènes transitoires « extérieurs » pouvant être
notés sur les lignes de tension sont plutôt rares, la
surtension associée aux mécanismes EVR peut survenir
de 20 à 100 fois par cycle. Ces répétitions, jumelées au
temps de montée, représentent le plus grand potentiel de
bris d’isolation. Comme il est démontré à la figure 7,
laquelle offre une vue d’ensemble, jusqu’à 85 % des
pointes de surtension peuvent être diminuées au moment
du premier tour de la première bobine d’une phase
donnée, tout dépendant du rapport dV/dt[6].
IMPACT DES PHÉNOMÈNES HARMONIQUES
ÉLECTRIQUES
La distorsion des formes d’ondes fondamentales de
tension et de courant à l’intérieur des systèmes
d’alimentation électrique, comme les mécanismes EVR,
devient un problème grandissant. Les problèmes de base
créés par ces harmoniques indésirables comprennent :
• les ruptures de condensateurs causées par la
chaleur, de fusibles, de câbles et de moteurs;
• le déclenchement nuisible des dispositifs de
protection de surintensité;
• la capacité réduite de mise à la terre du point neutre;
• les niveaux de bruit excessifs;
• le par asitage des tél éc ommunications ou
d’ autres commandes él ectr i ques sensibl es;
• la résonance du circuit ;
• l’o nd ul at i on de c oupl e d e l’ ar br e.
BOBINES DE RÉACTANCE DE LIGNE (BOBINES
D’ARRÊT)
Ces harmoniques et leurs impacts peuvent être réduits
considérablement par l’ajout de filtres au système qui sont
généralement des condensateurs et des bobines d’arrêt.
Une combinaison de filtres peut être utilisée afin d’atténuer
les différentes harmoniques.
L’application de mécanismes EVR peut causer de la
distorsion aussi bien sur le « côté de ligne » que sur le
« côté demande » du mécanisme; cet article ne traite
que du « côté demande ». Il est à noter que, dans la
plupart des cas, la distorsion causée par les
mécanismes EVR ne crée aucun ou que de légers
problèmes, et ce, que l’équipement soit connecté au « côté de
ligne » ou au « côté demande » du circuit.
Peu importe le type de mécanisme d’entraînement,
d’encablure ou de moteur employé dans un système, lorsque