Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Ce travail établit et clarifie le fil conducteur entre les parties électrique et mécanique d’un système électromécanique multi-masse. Il propose une analyse en temps et en fréquence des harmoniques produits par les variateurs de courant ou de tension sur le couple électromagnétique d’un moteur qui entraine grâce à un arbre, une ou plusieurs charges mécaniques. L’analyse torsionnelle de l’arbre qui représente un tel système multi-masse peut être soumis à un mode d’excitation torsionnelle lorsque la machine électrique est soumise à certaines fréquences harmoniques produites par les variateurs d’alimentation. Une telle excitation peut conduire à l’accélération de la fatigue, à la défaillance du système, à la perte de production, ou à un arrêt électrique en cas de torsion. De pareils systèmes et comportements se rencontrent davantage dans des applications de forte puissance et les industries minières et pétrochimiques ont constitué notre domaine d’emploi. Les convertisseurs de puissance investigués sont des variateurs de courant à indice de pulsation élevé (systèmes à 6/6 et 12/12 pulsations), des convertisseurs de type NPC (neutral point clamped) à 3 niveaux connectés en parallèle et ayant une modulation à largeur d’impulsion (MLI) synchrone ou entrelacée. Puis des onduleurs multiniveaux de type pont en H connectés d’abord en série, ensuite connectés en parallèle (quatre branches en MLI entrelacée). Les variateurs utilisés dans les industries pétrochimiques et minières, en fonction de la puissance et de la vitesse, peuvent être compatibles avec des machines synchrones ou asynchrones. Le couple dans l’entrefer d’une machine est calculé à partir des signaux de tension et courant statoriques et prouve que la méthode est indépendante du type de machine à courant alternatif. Les analyses directes entre les harmoniques de courant/tension et leurs effets sur le couple permettent de mieux comprendre la propagation d’harmoniques de nature électrique générées par les variateurs vers le moteur qui entraine la charge. Des simulations numériques intensives sont mises en relief dans l’environnement Matlab/Simulink pour consolider notre analyse théorique. Nos résultats du domaine du temps et de la fréquence confirment la robustesse des relations proposées.

This work proposes an analytical time and frequency domains evaluation of torque harmonics produced by high-power load-commutated-inverters (LCIs) and pulse width modulated (PWM) voltage-source inverters for adjustable speed applications. These drive systems are essentially used in petrochemical and mining industries, where driven loads have multi-inertia or long shafts that are potentially subject to torsional mode excitation. Such excitation may lead to accelerated fatigue, system failure, and loss of production, and in turbine-generator sets, to system blackout. The investigated power conversion topologies are multi-pulse LCIs (6/6 and 12/12-pulse systems), parallel connected three-level neutral-clamped-converters with non-interleaved and interleaved PWM signals, as well as series-connected H-bridge multi-level inverters, single thread and four threads supplying a 12-phase machine and parallel connection of four threads converter systems with interleaved PWM commands. They are the most used variable frequency drives in the megawatt range, both with synchronous and induction machines, in the petrochemical and mining industries. The time and frequency domains of the machine’s air-gap torque is calculated from the motor’s voltage and stator’s current waveforms, this proven method is independent from the type of ac machine. Simple and straightforward analytical relationships between electrical and electromagnetical harmonics are developed to understand the propagation of electrical harmonics of variable-frequency drive (VFD) to the electromagnetic dynamic side. Intensive numerical simulations have been carried out to support the theoretical analysis in Matlab/Simulink environment. Time and frequency domain results confirm the robustness of the proposed relationships.