Brevet FR3063404A1 — publié le 20180831

Dispositif et procédé de test d'un module de puissance comprenant un convertisseur de puissance multicanaux et une machine électrique synchrone multiphases et multicanaux L'invention concerne un dispositif et un procédé de test d'un module de puissance électrique, et plus particulièrement un procédé de test d'une machine électrique synchrone multiphases et multicanaux et de son convertisseur de puissance multicanaux associé. Avant la livraison d'un module de puissance électrique à un client, le fabricant cherche à garantir le fonctionnement du module. Ce module est composé d'un convertisseur de puissance et d'une machine électrique alimentée par ledit convertisseur de puissance. Le fabricant cherche à vérifier les caractéristiques électriques et mécaniques du module. Il cherche également à vérifier le fonctionnement des chaînes de commande et d' acquisition comprenant des capteurs, des modules d'interfaçage, des actionneurs. Il cherche à optimiser les coûts des opérations de test, et à réduire les investissements liés à la fabrication du banc de test. Par ailleurs, le client du module de puissance souhaite également tester le module de puissance. La méthode usuelle permettant de tester un module de puissance électrique comprend un banc d'essai spécifique aux tests menés et dit « banc de test dos à dos ». Cette méthode de test nécessite que l'ensemble à tester comprenant la machine électrique et son convertisseur de puissance associé, soit monté sur le banc de test. Le banc de test est un dispositif volumineux et très encombrant. Par exemple, un banc de test d'une génératrice adaptée pour une éolienne pèse environ 140 tonnes. La figure 1 montre un 3063404 2 banc de test dos à dos spécifique à ces tests, tel que connu de l'état de la technique. Le banc de test comprend deux modules de puissance électrique 1 et 2. Un premier module de puissance 1 comprend un 5 convertisseur de puissance 3 qui alimente une machine électrique 4 fonctionnant en mode moteur. L'arbre du moteur 5 de ce premier module de puissance est relié mécaniquement à l'arbre du second module de puissance 2. Le second module de puissance 2, qui est l'objet de la procédure de test, est composé d'une machine 10 électrique 6 associée à un convertisseur de puissance 7. Le second module de puissance 2 fonctionne en mode générateur. Le premier module de puissance 1 est alimenté par un réseau électrique triphasé R. Il entraîne le second module de puissance 2 connecté à un réseau triphasé R'. Les caractéristiques électriques et mécaniques du 15 second module de puissance relevées lors de la procédure de test sont analysées, et permettent de conclure à la conformité du module de puissance électrique testé 2. Un second test est effectué sur la ligne d'intégration du module dans son environnement avant l'expédition, par exemple 20 dans le cas d'une éolienne, lorsque le module de puissance est monté dans la nacelle de l'éolienne. Il s'agit d'un test fonctionnel. Le module de puissance est alimenté par une source extérieure. On s'assure que l'axe de la machine électrique s'anime. Cependant les procédures usuelles de test présentent 25 plusieurs inconvénients. Le module à tester doit être monté sur un banc de test, ce qui implique que l'ensemble ne peut pas être testé dans son environnement de travail, et le client qui n'est pas équipé d'un tel banc ne peut pas tester son module de puissance électrique de façon 30 aisée. 3063404 3 Par exemple dans le cas d'un module de puissance fonctionnant en mode générateur et équipant une éolienne offshore, le module de puissance ne peut pas être testé lorsque ce dernier est intégré dans la nacelle de l'éolienne et relié à l'ensemble des 5 composants auxiliaires. Les interfaces reliant le groupe de puissance électrique aux autres composants ne peuvent pas non plus être testées. De surcroît, la procédure de test effectuée avant l'expédition du module est sommaire. Il s'agit de s'assurer que le train de 10 puissance est capable d'entraîner l'arbre de la machine électrique. Aucun diagnostic ne peut être établi quant à la qualité des dispositifs compris dans le module de puissance, par exemple les capteurs compris dans la nacelle qui assurent l'acquisition des caractéristiques de la machine électrique. 15 Les chaînes d'acquisition et de commande globales liées entre les convertisseurs de puissance et la nacelle ne peuvent pas être testées en conditions réelles de fonctionnement. Le but de l'invention est donc de pallier ces inconvénients. Au vu de ce qui précède, l'invention propose un dispositif de 20 test d'un module de puissance comprenant un convertisseur de puissance multicanaux et une machine électrique synchrone multiphases et multicanaux destinée à être alimentée par le convertisseur, la machine électrique synchrone multiphases et multicanaux comportant des phases raccordées entre elles par 25 groupes de trois phases. Selon une caractéristique du dispositif selon l'invention, le convertisseur de puissance comporte autant d'onduleurs de tension que de groupes de trois phases raccordés audit convertisseur, chaque onduleur étant raccordé à un groupe de trois phases. 3063404 4 Selon une autre caractéristique de l'invention, les trois phases d'un groupe sont raccordées en configuration étoile ou triangle ou tout autre couplage. Avantageusement, le stator de la machine électrique 5 synchrone multiphases et multicanaux comprend plusieurs groupes de trois phases avec un niveau de couplage magnétique permettant de contrôler chaque canal de manière séparée. De préférence, la machine électrique synchrone multiphases et multicanaux fonctionne en mode moteur ou générateur. 10 Selon une autre caractéristique du dispositif, l'arbre de la machine électrique synchrone multiphases et multicanaux est libre. L'invention a également pour objet un procédé de test d'un module de puissance comprenant un convertisseur de puissance multicanaux et une machine électrique synchrone multiphases et 15 multicanaux destinée à être alimentée par le convertisseur, la machine électrique synchrone multiphases et multicanaux comprenant un stator comprenant des phases raccordées entre elles par groupes de trois phases, les groupes de phases étant magnétiquement découplés entre eux et étant chacun raccordés au 20 convertisseur de puissance multicanaux, un transformateur relié à un réseau électrique triphasé alimentant le convertisseur de puissance multicanaux. Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, il comporte au moins une étape où un groupe de trois phases 25 entraîne le rotor de la machine électrique à une vitesse de rotation prédéterminée, et un ou plusieurs autres groupes de trois phases objet de la procédure de test fonctionnent en mode générateur et appliquant un couple électromagnétique sur le rotor de la machine électrique synchrone multiphases et multicanaux. 3063404 5 Avantageusement, les trois phases d'un groupe sont raccordées en configuration étoile ou triangle ou tout autre couplage. Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, 5 le transformateur alimente le convertisseur de puissance multicanaux d'une valeur de puissance égale à la valeur de la puissance perdue lors des différentes étapes de conversion d' énergie. Avantageusement, lors des différentes étapes de test seules 10 des puissances actives sont échangées entre le convertisseur de puissance multicanaux, la machine électrique synchrone multiphases et multicanaux et le transformateur. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée 15 uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1, dont il a déjà été fait mention, montre un banc de test d'un train de puissance tel que connu de l'état de la technique ; 20 - la figure 2 montre un schéma électrique de puissance d'un module de puissance électrique comprenant une machine électrique synchrone multiphases et un convertisseur de puissance multicanaux ; - la figure 3 décrit un canal du convertisseur de puissance 25 multicanaux ; et - la figure 4 montre les échanges de puissance électrique du procédé de test selon l'invention. On se référera à la figure 2 qui montre un schéma électrique de puissance d'un module de puissance électrique comprenant une 30 machine électrique multiphases et multicanaux et un convertisseur 3063404 6 de puissance multicanaux. Par exemple, dans une application nullement limitative le module de puissance est destiné à être intégré dans la nacelle d'une éolienne. Le circuit de puissance du module de puissance comporte un 5 convertisseur de puissance triphasée 11 multicanaux et une machine électrique synchrone multiphases et multicanaux 10 alimentée par le convertisseur. Les entrées de même phase du convertisseur de puissance 11 sont reliées entre elles et à la sortie correspondante d'un transformateur triphasé 12. Le transformateur 12 est alimenté 10 par un réseau électrique triphasé R. L'ensemble du dispositif comprenant le convertisseur de puissance 11 et la machine électrique multiphases et multicanaux 10 est piloté par un dispositif de commande non représenté. La machine électrique synchrone multiphases et multicanaux 15 10 comprend un stator et un rotor. Le stator comprend plusieurs phases multiples de trois. Les phases sont raccordées entre elles par groupes de trois phases. Dans ce qui suit, à titre d'exemple non limitatif, les trois phases d'un groupe sont raccordées en configuration étoile. Bien entendu on ne sort pas de l'invention 20 lorsque les phases sont raccordées en configuration quelconque, notamment mais non exclusivement en configuration triangle. Les étoiles présentent un fort découplage magnétique entre elles. Par conséquent, les flux magnétiques générés par une étoile ne viennent pas perturber une autre étoile. Le niveau de découplage magnétique 25 permet de contrôler chaque canal de manière séparée. Sur la figure 2 la machine 10 comporte par exemple neuf phases regroupées en trois groupes de phases triples 13, 14, 15 raccordées en étoile. Le convertisseur de puissance 11 comporte plusieurs canaux 30 de constitution identique. Chaque sortie d'un canal est raccordée à 3063404 7 un groupe de phases triples en configuration étoile de la machine électrique 10. Par conséquent le nombre de canaux du convertisseur de puissance 11 est égal au nombre de groupes de phases triples en configuration étoile de la machine 10. Les entrées des canaux de 5 même phase sont reliées entre elles et à la sortie correspondante du transformateur 12. Sur la figure 2 la machine électrique comporte trois groupes de phases triples en configuration étoile 13, 14 et 15. Par conséquent, le convertisseur de puissance 11 comporte trois canaux 10 16, 17, 18. On se réfèrera à la figure 3 qui montre la constitution du canal 16 du convertisseur de puissance multicanaux 11. Tous les canaux sont de constitution identique. Le canal 16 comprend un dispositif de filtrage des 15 harmoniques 20 dont les entrées sont destinées à être raccordées au transformateur 12 et aux autres entrées des canaux du convertisseur de puissance 11. Les sorties du filtre 20 sont reliées aux entrées d'un pont redresseur commandé et réversible 21. Les sorties du pont 21 sont reliées à un banc de capacité 22. L'ensemble de filtrage à 20 tension continu 22 comporte deux groupes de condensateurs reliés en série dont les extrémités sont reliées au pont 21, à un hacheur de freinage 23 et aux entrées d'un onduleur de tension réversible 25, et dont le point milieu entre les deux condensateurs est relié au hacheur de freinage. Un second banc de capacité 24 de constitution 25 identique au banc de condensateur 22 est relié aux entrées de l'onduleur de tension réversible 25. Le point milieu entre les deux condensateurs du banc de condensateurs 24 est relié à l'onduleur de tension réversible 25. Les sorties de l'onduleur de tension 25 sont reliées à un filtre dv/dt 26. Les sorties du filtre 26 sont reliées à un 3063404 8 groupe de phases triples en configuration étoile de la machine électrique 10. Le dispositif de filtrage 20, le pont redresseur commandé et réversible 21, le hacheur de freinage 23, l'onduleur de tension 5 réversible 25 et le filtre dv/dt 26 ne seront pas abordés de manière détaillée car ces éléments sont connus de l'homme du métier. On se réfèrera à la figure 4 qui montre les flux d'échange de puissance électrique lors de la procédure de test d'un ensemble étoile et onduleur de tension associé. La procédure de test est 10 répétée pour chaque groupe de phases triples ou pour plusieurs groupes de phases triples en configuration étoile de la machine électrique 10 et le ou les canaux associés du convertisseur de puissance 11 à tester. La procédure de test est exposée par exemple sur l'ensemble 15 27 qui comprend le groupe de phases triples en configuration étoile 15 et le canal 18 du convertisseur de puissance 11. Le rotor de la machine électrique 10 est mis en mouvement par l'ensemble 28 qui comprend les groupes de phases triples en configuration étoile 13 et 14 alimentées par les canaux 16 et 17 du 20 convertisseur de puissance 11. L'ensemble 27 est alimenté initialement par le transformateur 12. Les groupes de phases triples en configuration étoile 13 et 14 sont dites motrices. Le nombre de groupes de phases triples en configuration étoile motrices est choisi de telle sorte que la puissance nominale 25 motrice totale délivrée par les étoiles soit au moins égale à la puissance nominale de l'ensemble testé. La machine électrique 10 est contrôlée en vitesse. Lorsque le rotor de la machine électrique 10 atteint la vitesse de connexion, et après la synchronisation de l'ensemble 27, 3063404 9 l'ensemble 27 qui est testé, est piloté de telle sorte qu'il fonctionne en mode générateur de puissance. La vitesse de connexion correspond à la vitesse de rotation à partir de laquelle l'ensemble machine électrique et convertisseur de 5 puissance produiraient une puissance électrique suffisante pour alimenter un réseau électrique si ils fonctionnaient en mode générateur. Dans le cas d'une éolienne, la vitesse de connexion est par exemple de 3.7 tr/min. L'ensemble 27 pilote la machine électrique 10 en couple. 10 La puissance électrique Pgen générée par l'ensemble 27 est transférée à l'ensemble moteur 28. Les puissances motrices Pinot' et Pm0t2 consommées par l'ensemble 27 sont égales à la somme de la puissance Pgen et de la puissance perdue lors des différentes étapes de conversion d'énergie P - perte- 15 Le transformateur 12 compense les pertes générées par la machine électrique 10 et le convertisseur de puissance 11. Le réseau électrique R fournit à présent uniquement la puissance perdue lors des étapes de conversion d'énergie P - perte- Le dimensionnement du transformateur est réduit, par 20 exemple pour une machine électrique 10 de puissance nominale 6 MW, soit une puissance de 2MW par groupe de phases triples en configuration étoile, si deux groupes de phases triples en configuration étoile sont moteur. Un transformateur de quelques dizaines de KW est donc suffisant pour effectuer la procédure de 25 test. Avantageusement, seuls des flux de puissance active sont échangés entre le transformateur 12, le convertisseur de puissance triphasée 11 multicanaux et la machine électrique synchrone multiphases et multicanaux 10. 3063404 10 Le couple électromagnétique résistif généré par l'ensemble 27 comprenant un groupe de phases triples en configuration étoile 15 et le canal 18 du convertisseur de puissance 11 associé appliqué sur le rotor de la machine électrique (10) est progressivement 5 augmenté. Par conséquent la vitesse de rotation du rotor diminue. Le système de commande va augmenter la puissance motrice délivrée par l'ensemble 28 jusqu'à ce que la consigne en vitesse de rotation soit atteinte. Le couple résistif peut ainsi être augmenté jusqu'à ce que la puissance générée par le couple résistif soit égale 10 à la puissance motrice générée par l'ensemble 28. La puissance générée par l'ensemble 27 est comparée aux valeurs attendues afin de valider le fonctionnement de l'ensemble 27. Cette procédure de test présente l'avantage de tester le module de puissance sur toute sa gamme d'utilisation en utilisant 15 les chaînes d'acquisition, de contrôle et de puissance du module dans son environnement, par exemple dans le cas d'une éolienne, lorsque le module de puissance est monté dans la nacelle de l'éolienne. Avantageusement le dispositif de test présente une architecture permettant d'assurer les échanges de puissance au sein 20 du module de puissance sans aucune interface mécanique 5 avec un autre module de test en rotation. Les modules de puissance 11 peuvent ainsi être testés fonctionnellement (contrôle et puissance) avant expédition de l'unité 10. REVENDICATIONS1. Dispositif de test d'un module de puissance comprenant un convertisseur de puissance multicanaux (11) et une machine électrique synchrone multiphases et multicanaux (10) destinée à être alimentée par le convertisseur (11), la machine électrique synchrone multiphases et multicanaux (10) comportant des phases raccordées entre elles par groupes de trois phases (13, 14, 15), caractérisé en ce que le convertisseur de puissance (11) comporte autant d'onduleurs de tension (25) que de groupes de trois phases raccordées audit convertisseur, chaque onduleur (25) étant raccordé à un groupe de trois phases (13, 14, 15). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trois phases d'un groupe sont raccordées en configuration étoile ou triangle ou tout autre couplage. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le stator de la machine électrique synchrone multiphases et multicanaux comprend plusieurs groupes de trois phases (13, 14, 15) avec un niveau de couplage magnétique permettant de contrôler chaque canal de manière séparée. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la machine électrique synchrone multiphases et multicanaux (10) fonctionne en mode moteur ou générateur. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'arbre de la machine électrique multiphases et multicanaux (10) est libre. 6. Procédé de test d'un module de puissance comprenant un convertisseur de puissance multicanaux (11) et une machine électrique synchrone multiphases et multicanaux (10) destinée à être alimentée par le convertisseur (11), la machine électrique synchrone 3063404 12 multiphases et multicanaux (10) comprenant un stator comprenant des phases raccordées entre elles par groupe de trois phases (13, 14, 15), les groupes de trois phases (13, 14, 15) étant magnétiquement découplés entre eux et étant chacun raccordés au convertisseur de 5 puissance multicanaux (11), un transformateur (12) relié à un réseau électrique triphasé (R) alimentant le convertisseur de puissance multicanaux (11), caractérisé en ce que le procédé comporte au moins une étape où un groupe de trois phases (13, 14, 15) entraîne le rotor de la machine électrique à une vitesse de rotation 10 prédéterminée, et un ou plusieurs autres groupes de trois phases objet de la procédure de test fonctionnent en mode générateur et appliquent un couple électromagnétique sur le rotor de la machine électrique synchrone multiphases et multicanaux (10). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que 15 les trois phases d'un groupe sont raccordées en configuration étoile ou triangle ou tout autre couplage. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le transformateur (12) alimente le convertisseur de puissance multicanaux d'une valeur de puissance égale à la valeur 20 de la puissance perdue lors des différentes étapes de conversion d' énergie. 9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que lors des différentes étapes de test seules des puissances actives sont échangées entre le convertisseur de puissance 25 multicanaux (11), la machine électrique synchrone multiphases et multicanaux (10) et le transformateur (12).