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Le bobinage de la machine électrique
Le bobinage d’une machine électrique constitue une partie essentielle à son fonctionnement. Il est constitué de fils conducteurs le plus souvent à base de cuivre, pour sa bonne conduction électrique et son coût relativement abordable. Les conducteurs sont entourés par un vernis dont la fonction principale est d’assurer l’isolation électrique. Selon la façon dont les bobines sont disposées, on peut distinguer deux types de bobinages que l’on peut rencontrer dans les machines électriques tournantes : le bobinage distribué et le bobinage concentré ou dentaire.
Le bobinage distribué
Il s’agit d’un bobinage dont les conducteurs d’une phase sont distribués dans plusieurs encoches comme illustré dans les figures I.3-a et I.3-b. L’avantage majeur de cette répartition du bobinage est de réduire les harmoniques de la force magnétomotrice (FMM) [7]. Cependant, les têtes de bobine sont importantes et le taux de remplissage des encoches (en pourcentage de cuivre) est en général faible (35 – 42%). De plus, ce type de bobinage procure un coût de production relativement élevé de par la difficulté d’automatisation du processus d’insertion des bobines dans les encoches [2].
En effet, souvent les bobines sont formées séparément, et ensuite insérées dans les encoches manuellement ou à l’aide d’un appareillage spécialisé. Lors du processus d’insertion, les risques de « blessures » mécaniques des fils sont plus élevés, ce qui peut engendrer des contraintes électriques plus importantes. De plus, avec ce type de bobinage, les fils de phases différentes se croisent au niveau des têtes de bobines, conduisant à des contraintes électriques plus importantes, que l’on discutera dans ce chapitre.
Le bobinage concentré (ou dentaire)
Contrairement au bobinage distribué, avec le bobinage concentré, une bobine entoure seulement une seule dent du stator (figure I.4-a et I.4-b) voire une dent sur deux dans le cas d’un bobinage monocouche. Ce type de bobinage présente l’avantage majeur de réduire considérablement les têtes de bobines, ce qui permet de réduire les pertes joules et de réduire l’encombrement axial [8]. En contrepartie, la FMM des bobinages dentaires est riche en harmoniques.
D’un point de vue de la fiabilité, dans un bobinage dentaire les fils de phases différentes ne se croisent pas (sauf du côté des connexions des bobines si l’encombrement ne permet pas un passage des fils souhaité). De même, la répartition des spires est plus contrôlée par rapport au bobinage distribué, ce qui permet de réduire les risques de claquage électrique et de courts circuits. Nous détaillerons plus loin ces risques.
Figure I.4 : Bobinage concentré, a) Schéma illustrant la répartition du bobinage dans les encoches, b) photographie d’un stator comprenant un bobinage dentaire
Le convertisseur de puissance
Le convertisseur électronique est un dispositif électrique qui permet de convertir les formes des tensions et des courants. Dans le cas de la traction automobile, ce dispositif sert à convertir la tension continue issue de la batterie en une tension alternative à fréquence variable. On parle alors d’onduleur. Ce dernier possède également une autre fonction qui consiste à contrôler la vitesse de rotation via la fréquence des courants et le couple de la machine électrique par l’intensité des courants.
La base de l’électronique de puissance repose sur les interrupteurs statiques. Ils sont réalisés avec des matériaux semi-conducteurs tels que le silicium (Si), le germanium (Ge), ou l’arséniure de gallium (AsGa) [9]. Ces matériaux ont la propriété de passer de l’état isolant à l’état conducteur électrique, ou vice-versa, simplement à l’aide d’une commande en tension ou en courant.
Le développement de l’électronique de puissance commence dans les années 1960, avec l’apparition du thyristor. Depuis lors, les composants n’ont cessé de progresser et d’évoluer au rythme des technologies d’intégration. Aujourd’hui, on compte plusieurs types de composants qui sont utilisés dans tous les domaines de l’industrie. Ci-dessous sont listés les plus répandus dans le domaine du transport :
– GTO (Gate Turn-Off Thyristor) : c’est un interrupteur qui accepte une commande en courant. Il est surtout utilisé pour des applications de forte puissance, notamment dans la traction ferroviaire, car il supporte bien la haute tension, mais il est limité en fréquence.
– Le thyristor : commandé également en courant, il s’agit d’un interrupteur qui trouve sa place dans des applications à faible puissance tels que les gradateurs ou les redresseurs branchés au réseau électrique, notamment grâce à la simplicité de sa commande [9].
– MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) : commandé en tension, c’est le composant le plus rapide en termes de fréquence de commutation. On le retrouve dans les applications nécessitant des fréquences élevées. Cependant, il présente l’inconvénient de ne pas permettre de commuter des tensions élevées.
– IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) : c’est le meilleur compromis entre rapidité de commutation et tenue en tension. Également commandé en tension, c’est le composant le plus utilisé dans le domaine de la traction automobile.
Le schéma de la figure I.5 représente un moteur triphasé alimenté par un convertisseur de puissance (onduleur). Ce dernier est composé d’une association de transistors IGBT, disposés de manière à convertir la tension continue issue de la batterie, en une tension alternative qui alimente chaque phase de la machine.
La commande des interrupteurs du convertisseur permet de contrôler la vitesse de rotation et le couple de la machine. Cette commande est réalisée à l’aide de circuits électroniques, utilisant des microcontrôleurs, DSP ou FPGA.
Figure I.5 : Schéma illustrant une machine électrique triphasée alimentée par un onduleur de tension
Il existe plusieurs stratégies de commande des convertisseurs de puissance, mais la plus répandue dans le cas de l’entrainement à vitesse variable est la modulation de largeur d’impulsion (MLI).
La MLI consiste à faire varier le niveau de tension ou de courant en sortie du convertisseur et par conséquent de faire varier la vitesse de rotation et le couple de la machine. Elle consiste généralement à moduler une onde porteuse, de forme triangulaire, à une onde modulante de forme sinusoïdale. L’onde porteuse possède une fréquence, appelée fréquence de découpage, supérieure à la fréquence de la modulante, appelée fréquence fondamentale.
À la sortie de l’onduleur une forme d’onde de forme impulsionnelle est obtenue. La variation des largeurs des impulsions permet de varier l’amplitude de la composante fondamentale de la tension aux bornes de la machine. Ceci est réalisé par la variation du rapport cyclique. Ce dernier représente le ratio entre la durée de la tension non-nulle et la période de la porteuse.
La figure I.6 représente une période de la tension entre phases d’une machine alimentée par un onduleur commandé en MLI [10]. Il s’agit d’un convertisseur à cinq niveaux, on peut voir que le signal comporte des surtensions transitoires au niveau des fronts. En zoomant sur ce signal, on peut voir la forme d’onde du front de montée de la tension, représentée sur la figure I.7. On observe qu’a la tension en régime établi Ua se superpose une surtension Ub amortie au niveau du front. L’amplitude et la fréquence de la surtension dépendent de plusieurs paramètres, notamment du temps de montée de la tension tr, de l’impédance de la machine et de la longueur du câble d’alimentation reliant l’onduleur à la machine.
Ces surtensions ne sont pas sans conséquences sur le système d’isolation électrique de la machine. Ces points seront examinés plus en détail dans la partie I.5 de ce chapitre.
Figure I.6 : Exemple d’un signal de tension entre phases d’une machine alimentée par un convertisseur de puissance à cinq niveaux et commandé en MLI [10].
Le système d’isolation des machines électriques alimentées en basse tension
Le rôle principal d’un système d’isolation dans une machine électrique est de séparer les conducteurs de courant portés à des potentiels différents. Par exemple, des spires d’une même bobine ou appartenant à différents circuits électriques (conducteurs de deux phases différentes par exemple). L’isolation participe également à dissiper la chaleur, et à protéger les conducteurs contre des éléments extérieurs tels que l’humidité, la poussière ou l’huile.
Le facteur déterminant pour le choix de la structure de l’isolation est la tension nominale de fonctionnement de la machine. En fonction de celle-ci, les machines sont divisées en deux catégories : les machines à haute tension dont la tension nominale est supérieure à 1kV et les machines à basse tension qui fonctionnent à moins de 1kV [11]. Dans les deux cas, le choix des isolants doit tenir compte des contraintes auxquelles la machine électrique est soumise pendant son fonctionnement.
Dans le cas des machines à haute tension, les contraintes électriques, et plus particulièrement l’activité de décharges partielles, sont importantes. Cela peut engendrer un vieillissement prématuré des isolants. Pour cette raison, une protection supplémentaire dite « anti-corona » est généralement ajoutée entre le bobinage et la carcasse du stator dans les machines de plus 6kV. Cette protection permet d’augmenter la résistance du système d’isolation face à l’activité de décharges partielles.
Pour les machines à basse tension, la tenue diélectrique des isolants n’est souvent pas du premier ordre lors du choix des matériaux, car le bobinage n’est pas censé résister à des contraintes électriques importantes [10].
On distingue trois types d’isolations principales présentes dans le stator d’une machine tournante :
o L’isolation par rapport à la carcasse métallique de la machine (isolation de fond d’encoche) ;
o l’isolation entre phases ;
o l’isolation entre spires.
Ces isolations sont schématiquement représentées dans la figure I.8. Sur la figure de gauche, il s’agit d’un bobinage distribué typique d’une machine à basse tension. Tandis que le bobinage préformé de droite est surtout caractéristique des machines à haute tension : il comporte, en plus de l’isolation des machines à basse tension, des protections anti-corona.
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Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE I : ÉTAT DE L’ART SUR LES CONTRAINTES SUBIES PAR L’ISOLATION DES MACHINES ÉLECTRIQUES DANS LA TRACTION AUTOMOBILE
I.1 La chaine de traction d’un véhicule électrique
I.1.1 La machine électrique
I.1.2 Le bobinage de la machine électrique
I.1.2.1 Le bobinage distribué
I.1.2.2 Le bobinage concentré (ou dentaire)
I.1.3 Le convertisseur de puissance
I.2 Le système d’isolation des machines électriques alimentées en basse tension
I.2.1 Isolation de fond d’encoche
I.2.2 Isolation entre phases
I.2.3 Isolation entre spires
I.2.4 L’imprégnation
I.3 Les contraintes subies par le bobinage
I.3.1 Contraintes thermiques
I.3.2 Contraintes mécaniques
I.3.3 Contraintes environnementales
I.3.4 Contraintes électriques
I.4 Contraintes électriques subies par l’isolation d’une machine alimentée par onduleur commandé en MLI
I.5 Impact des paramètres de l’alimentation sur l’isolation de la machine
I.5.1 Influence du câble d’alimentation
I.5.2 Influence du temps de montée
I.5.3 Influence de la polarité de la tension
I.5.4 Influence de la fréquence
I.6 Distribution non-linéaire de la tension dans le bobinage
I.7 Les tendances de développement de la chaine de traction électrique
I.8 État de l’art sur les solutions proposées pour réduire les contraintes électriques sur les bobinages des machines alimentées en MLI.
I.8.1 Renforcement de l’isolation
I.8.2 Réduction de l’amplitude des fronts de tension
I.8.3 Modèles prédictifs de la distribution des fronts de tension dans un bobinage
I.9 Conclusion
CHAPITRE II : ÉTUDE DE LA DISTRIBUTION D’UN FRONT DE TENSION DANS UN BOBINAGE
II.1 Introduction
II.2 Dispositif expérimental
II.3 Choix de la représentation de la bobine
II.4 Détermination des paramètres du circuit équivalent par Éléments Finis
II.4.1 Calcul magnétique
II.4.1.1 Calcul des inductances propres Li et mutuelles Mi-j
II.4.1.2 Calcul des résistances Ri
II.4.2 Calcul électrostatique des capacités
II.5 Validation du modèle de la bobine dans le domaine fréquentiel
II.6 Étude en régime temporel
II.6.1 Le dispositif expérimental
II.6.2 Méthodologie de simulation en régime temporel
II.6.3 Résultats des simulations
II.6.3.1 Comparaison des tensions simples
II.6.3.2 Comparaison des tensions composées
II.6.4 Distribution de la tension dans le bobinage
II.7 Étude paramètrique
II.8 Conclusion
CHAPITRE III : ÉVALUATION DU RISQUE DE DÉCHARGES PARTIELLES PAR MODÉLISATION ÉLÉMENTS FINIS 2D
III.1 Introduction
III.2 Les décharges électriques dans les gaz
III.2.1 Mécanisme de Townsend
III.2.2 Loi de Paschen
III.3 Les décharges partielles dans les bobinages de machines électriques
III.3.1 Méthodes de détection et de mesure des décharges partielles
III.3.1.1 La détection acoustique
III.3.1.2 La détection optique
III.3.1.3 La détection chimique
III.3.1.4 La détection électrique
III.3.1.5 La détection électromagnétique
III.4 Méthodologie de modélisation
III.4.1 Description du modèle
III.5 Résultats
III.6 Influence des paramètres du bobinage sur les TADP
III.6.1 Influence de la permittivité relative
III.6.2 Influence de l’épaisseur d’isolant
III.6.3 Influence de la présence de vacuoles d’air dans une imprégnation
III.6.4 Influence de la géométrie du fil
III.7 Conclusion
CHAPITRE IV : ÉVALUATION EXPÉRIMENTALE DU RISQUE DES DÉCHARGES PARTIELLES
IV.1 Introduction
IV.2 Dispositifs expérimentaux
IV.2.1 Objet sous test
IV.2.2 Bancs de mesure
IV.2.2.1 Alimentation sinusoïdale (AC)
IV.2.2.2 Alimentation en MLI unipolaire
IV.2.2.3 Alimentation en MLI bipolaire
IV.2.3 Méthode de détection des DP
IV.2.4 Protocole expérimental
IV.3 TADP sous différents types de sources de tension
IV.4 Influence des paramètres d’alimentation sur les DP
IV.4.1 Contrôle des paramètres environnementaux
IV.4.2 Effet du rapport cyclique et de la fréquence
IV.4.3 Effet du temps de montée
IV.4.3.1 Cas 1 : niveaux de surtensions différents
IV.4.3.2 Cas 2 : iso-niveau de surtension
IV.4.4 Effet de la surtension
IV.5 Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES
ANNEXE
Annexe A
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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