Contribution à la modélisation en compatibilité électromagnétique des machines électriques triphasées

HF common mode EMC modeling of AC three-phase motors

• Auteur / Autrice : Nidhal Boucenna
• Direction : François Costa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, électrotechnique, automatique
• Date : Soutenance le 27/05/2014
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Edith Clavel, Charles Joubert, Régis Meuret, Sami Hlioui, Bertrand Revol
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Bidan, Daniel Roger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Compatibilité électromagnétique

Mots clés libres

CEM

Comportement HF

Impédance en mode commun

Machines électriques triphasées

Modélisation prédictive

Tension de roulement

EMC

AC motors

Predictive modeling

Résumé

Le travail réalisé dans ce mémoire s’inscrit dans le cadre très large des études en compatibilité électromagnétique (CEM) de l’association convertisseur statique actionneur électrique. Il aborde la problématique de la CEM des machines électriques au travers de la modélisation prédictive des impédances de mode commun des moteurs électriques triphasés sur une large bande de fréquence, ainsi que certains aspects liés à l’apparition de tensions de roulements. Ce travail débute avec une identification par la méthode des éléments finis (EF) des paramètres qui régissent les chemins de propagation des courants de mode commun dans les parties métalliques des machines électriques : les tôles, la culasse, les flasques et l’arbre. Par la suite, un modèle circuit est élaboré pour la prédiction et la quantification de l’impédance de ces chemins. Cette première analyse a mis en évidence la prédominance des couplages capacitifs entre les enroulements statoriques et le stator. À cet effet, on propose dans une seconde partie un programme Matlab basé sur des formulations analytiques de capacitances qui permet de calculer automatiquement les différents couplages capacitifs ainsi que l’énergie électrostatique présente dans les encoches des machines à faible et moyenne puissance. Les prédictions analytiques obtenues présentent une bonne concordance avec les modèles numériques obtenus par EF et la mesure. Les conséquences de l’existence des capacités parasites de la machine sont illustrées au travers d’une étude sur l’apparition de la tension de palier dans un moteur synchrone à rotor bobiné de véhicule électrique. Le modèle simplifié, déduit de l’analyse électrostatique, permet de quantifier de façon satisfaisante les tensions observées qui induisent notamment la dégradation des chemins de roulement des paliers à billes. Dans les derniers chapitres, nous proposons une méthodologie de modélisation prédictive de l’impédance de mode commun des enroulements statoriques en prenant en considération l’ensemble des phénomènes inductifs et capacitifs. Un modèle électrique à paramètres discrets RLC, implantable dans un logiciel « circuit » de type Spice est généré - les paramètres géométriques et les propriétés des matériaux sont renseignés dans le modèle. Il permet de prédéterminer sans a priori l’impédance de mode commun d’une section d’enroulement expérimentale placée au stator d’une machine asynchrone sur une bande de fréquence de [10kHz -100 MHz]. Les résultats obtenus sont en concordance satisfaisante avec les résultats de mesure - d’autre part la méthodologie de modélisation développée, associée à des routines d’optimisation, permet d’envisager de contrôler les impédances de mode commun d’une machine électrique dès la phase de conception.

The research presented in this report addresses the problem of electromagnetic compatibility (EMC) in AC motors, which are supplied by PWM inverters, through the predictive modeling of the common mode impedance as well as aspect related to bearing voltage. We begin with identification of the parameters that govern the propagation path of common mode currents in the metallic parts of induction machines using finite element (FE) method. From analysis of the results, a circuit model was proposed to predict these propagation paths. The next chapter deals with the relationship between the existing parasitic capacitances and the development of the bearing voltage, which is responsible for premature failure of bearings. The study is realized on a wound-rotor synchronous motor with of an electric car. These approaches bring out the predominance of the capacitive coupling between the winding and the stator. For this reason, in the third chapter we developed a program based on analytical formulations, to automatically calculate the capacitive coupling as well as electrostatic energy within the slots of low and middle power machines. We find that the obtained results are in good agreement with FE calculation and the measurement. Finally, we propose a methodology for predictive modeling of common mode impedance of the stator windings taking into consideration all the inductive and capacitive phenomena. An electric model with lumped parameters RLC is then generated, which is implantable in SPICE type software. The prediction results are in good agreement with the measurement results on frequency band [10kHz - 100 MHz].