Le progrès rapide des dispositifs de commutation rapide pose de nouveaux défis que les fabricants de matériaux isolants et les intégrateurs de systèmes doivent relever.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
La technologie de l’électronique de puissance évolue constamment, modifiant sans cesse les exigences. En particulier, le progrès rapide des dispositifs de commutation rapide pose de nouveaux défis que les fabricants de matériaux isolants et les intégrateurs de systèmes doivent relever.
Les systèmes d’isolation des machines tournantes, des transformateurs, des câbles ou des roulements subissent un stress plus élevé en raison des impulsions de tension dv/dt abruptes générées par les onduleurs. Cette tendance est renforcée par l’augmentation de la tension du système dans de nombreuses applications, comme on l’observe dans les véhicules électriques (400 ➜ 800 V) et les systèmes photovoltaïques (1000 ➜ 1500 V). L’application de pentes dv/dt abruptes des onduleurs entraîne un stress accru par rapport à la tension sinusoïdale traditionnelle de 50 Hz en raison de :
- Réduction de la tension d’amorçage des décharges partielles (PDIV) et augmentation de l’activité des décharges partielles.
- Répartition inhomogène de la tension au sein des enroulements.
- Effets de polarisation et échauffement diélectrique dus aux courants de déplacement.
La Figure 1a illustre un échantillon de fil tordu soumis à un stress lors du fonctionnement de l’onduleur. Une forte activité de décharge corona est visible à l’œil nu. La Figure 1b montre un exemple de moteur détruit par une isolation défaillante. Sur la Figure 1c, l’isolation conventionnelle en fil émaillé, également configurée en paire torsadée, a été testée avec des tensions impulsives, révélant des signes distincts de l’érosion due aux décharges partielles.
Figure 1a. Échantillons de test avec une forte décharge corona ; Figure 1b. Exemple de moteur ; Figure 1c. Fil torsadé après un test d’endurance (testé au laboratoire de Hanovre). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Dans ces conditions de fonctionnement difficiles, une connaissance précise du processus de vieillissement et la capacité à estimer la durée de vie restante du système d’isolation sont cruciales.
Saxogy et l’Université des Sciences Appliquées de Hanovre ont développé un banc de test qui simule de manière réaliste les contraintes de fonctionnement de l’onduleur et peut être utilisé pour évaluer l’endurance des isolations de manière accélérée. Le projet correspondant, « ISODyn », a été soutenu par le financement de recherche allemand ZIM.
Exigences pour les tests
Il n’existe pas de norme internationale unifiée pour les tests d’endurance des fils d’enroulement sous impulsions de tension haute fréquence, nous nous référons donc à la norme chinoise existante GB/T 4074.21-2018 et intégrons les retours des fabricants pour dériver les exigences suivantes (Figure 2) que le générateur d’impulsions dv/dt doit respecter :
- Forme d’onde de la tension : onde carrée bipolaire
- Tension de crête : 1,5 kV (devrait être modulable)
- Temps de montée tr > 25 ns (10-90%) – réglable
- Pente maximale de la tension dv/dt : 60 kV/µs
- Fréquence des impulsions : 20 kHz
- Température de test >180 °C
- Surtension de la tension (1-Up/Ua) < 2%
- Mise à la terre de l’appareil sous test
Figure 2. Spécification de la forme d’onde de la tension sur une période. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La panne des enroulements du moteur due à une défaillance d’isolation survient lorsque l’isolation se dégrade sous les impulsions de tension dv/dt abruptes. Cette dégradation entraîne un arc électrique, réduisant la résistance d’isolation et provoquant une panne. Une détection fiable est nécessaire pour éviter d’endommager le banc de test et définir avec précision la durée de vie résultante.
Facteurs influençant la durée de vie de l’isolation
Les tests d’endurance réalisent diverses mesures. Les résultats ont fait l’objet d’analyses statistiques. Les échantillons de test sont constitués de fils de cuivre torsadés spécifiés selon la norme IEC 60851.
L’influence de la fréquence des impulsions fp sur la durée de vie électrique des émaux de fils de cuivre conventionnels sans additifs a été étudiée (Figure 3). En moyenne, les échantillons ont échoué après environ 4 minutes (pour 11 kHz) à environ 55 minutes (pour 1 kHz). La durée de vie électrique diminue presque linéairement avec l’augmentation de la fréquence fp.
Figure 3. Graphique de probabilité de la durée de vie électrique en fonction de la fréquence de commutation. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
De plus, les effets de la vitesse de montée, de la température et du matériau d’isolation sur la durée de vie résultante ont été examinés, en analysant les combinaisons de temps de montée (tr) et de températures du four (Figure 4).
- Les variations du temps de montée ont eu un impact notable sur la durée de vie.
- L’augmentation de la température réduit la durée de vie électrique.
Le choix du matériau isolant et sa composition structurelle ont eu un impact significatif sur la durée de vie globale.
Figure 4. Impact du temps de montée et de la température sur la durée de vie des émaux de fils de cuivre conventionnels. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Banc de test unique et modulaire de générateur d’impulsions dv/dt pour tests de durée de vie
Saxogy et l’Université des Sciences Appliquées de Hanovre ont développé conjointement un générateur d’impulsions haute tension modulaire, comme le montre la Figure 5.
Figure 5. Schéma de l’unité de puissance du générateur d’impulsions dv/dt. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Ce générateur utilise la technologie MOSFET en carbure de silicium (SiC) de pointe. Il est conçu pour être adaptable, permettant une expansion pour répondre aux exigences spécifiques des tests de durée de vie et des futures normes de test de l’isolation.
Le concept est évolutif et peut être étendu pour répondre aux besoins spécifiques des applications. La forme d’onde de la tension bipolaire est ajustable sur une large plage de tension, de 0,4 kVpp à 12 kVpp, selon la configuration, et le générateur peut atteindre des pentes de tension jusqu’à 200 kV/µs.
Réglages de charge ajustables
Un circuit de commande de grille précis a été développé pour garantir que le dépassement de tension de l’onduleur SiC reste inférieur à 2%.
En outre, un gradient de tension presque linéaire a été obtenu pendant le temps de commutation, assurant un stress constant à chaque front montant et descendant. Pour ajuster le niveau de stress, 16 étapes sont nécessaires pour affiner la pente de la tension en fonction des exigences de la norme de test de l’isolation individuelle. Pour varier le temps de test des tests d’endurance accélérés, la fréquence de l’onde carrée du générateur peut être réglée entre 2 kHz et 20 kHz.
En plus des chiffres clés électriques pour les tests d’isolation, le développement s’est concentré sur deux exigences essentielles pour un banc de test d’endurance de l’isolation :
- Le générateur ne doit jamais dépasser ses limites d’isolation et se causer du stress.
- La plupart des tests d’isolation se terminent par une défaillance de l’isolation, qui, du point de vue du générateur, représente un court-circuit de faible impédance. Ce courant de court-circuit doit être détecté et géré en quelques microsecondes, ce processus étant répété au-delà de la durée de vie de l’appareil.
Recherche et développement dans les tests d’endurance accélérés de l’isolation
L’effort collaboratif a abouti au développement d’un générateur d’impulsions dv/dt modulaire avancé. Ce banc de test innovant représente un bond significatif dans les tests d’endurance de l’isolation accélérés. Il offre un outil précieux pour valider les systèmes d’isolation existants et en développer de nouveaux, contribuant à l’amélioration des futurs systèmes électroniques de puissance.
Cet article est initialement paru dans Bodo’s Power Systems [PDF] et a été coécrit par Benjamin Sahan et Konrad Domes de Saxogy Power Electronics GmbH.