Application de l'IA et perspectives d'avenir dans les pilotes de moteurs PMSM/BLDC

1. THD (distorsion harmonique totale)

• Définition : Le THD est le rapport entre la somme des puissances (ou valeurs efficaces) de toutes les composantes harmoniques et la puissance (ou valeur efficace) de la composante de fréquence fondamentale d'un signal. Il est généralement exprimé en pourcentage (%).

• Portée : Le THD est un terme général qui peut désigner la distorsion d'une forme d'onde de tension (THDv) ou de courant (THDi). En l'absence de précision, le contexte dicte généralement laquelle.

  • Pour les amplificateurs audio ou la sortie des alimentations/onduleurs, « THD » fait généralement référence à la distorsion de tension (THDv) du signal de sortie.

• Signification : Une valeur THD inférieure indique que la forme d'onde est plus proche d'une onde sinusoïdale pure, ce qui signifie moins de distorsion.

  • Équipement audio : un faible THD (tension) est essentiel pour une reproduction sonore haute fidélité, ce qui signifie que le son de sortie est très proche de l'enregistrement d'origine sans ajout de tonalités indésirables.

  • Alimentations/Onduleurs : un faible THD (tension) dans la sortie CA signifie une meilleure qualité de l'alimentation, ce qui est moins susceptible de causer des problèmes aux appareils connectés.

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2. ITHD (Distorsion harmonique totale du courant)

• Définition : L'ITHD désigne spécifiquement la distorsion harmonique totale (THD) de la forme d'onde du courant. Elle mesure le rapport entre la valeur efficace de tous les courants harmoniques et la valeur efficace du courant fondamental, exprimé en pourcentage. On l'écrit souvent THDi ou THD-I.

• Portée : Mesure la distorsion présente dans le courant tiré par un appareil électronique à partir de la source d'alimentation (par exemple, le réseau électrique) ou injecté dans le réseau.

• Importance : L’ITHD est d’une importance cruciale pour évaluer l’impact des appareils électroniques, en particulier des charges non linéaires, sur la qualité de l’énergie.

  • Les charges non linéaires (comme les alimentations à découpage (SMPS) dans les ordinateurs et les chargeurs, les redresseurs, les variateurs de fréquence (VFD), les pilotes de LED, les gradateurs) consomment un courant qui n'est pas sinusoïdal, même si la tension d'alimentation est une onde sinusoïdale parfaite. Ce courant déformé contient des harmoniques importantes.

  • Conséquences d'un ITHD élevé :

    • Les courants harmoniques reviennent dans le réseau électrique, déformant potentiellement la tension du réseau lui-même, affectant ainsi d’autres utilisateurs.

    • Augmentation de l’échauffement et des pertes dans le câblage, les transformateurs et les conducteurs neutres.

    • Interférence potentielle avec les systèmes de communication.

    • Facteur de puissance global réduit.

    • Déclenchement intempestif possible des disjoncteurs.

• Normes : Les organismes de réglementation et les normes (comme IEEE 519) imposent souvent des limites à la quantité de courant harmonique (et donc ITHD) que l'équipement est autorisé à injecter dans le réseau électrique pour maintenir la stabilité et la qualité du réseau.

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Sources d'harmoniques dans les variateurs PMSM et BLDC

Plusieurs facteurs contribuent à la génération d’harmoniques dans les variateurs de vitesse PMSM et BLDC :

• Commutation de l'onduleur : La principale source d'harmoniques est la commutation par modulation de largeur d'impulsion (MLI) de l'onduleur. La fréquence de commutation et la stratégie MLI spécifique employée ont un impact direct sur le spectre harmonique.

• Temps mort : Le temps mort nécessaire entre les signaux de commutation dans les branches de l'onduleur pour éviter les courts-circuits introduit également une distorsion de la forme d'onde et génère des harmoniques.

• Composants non idéaux : les caractéristiques non idéales des commutateurs électroniques de puissance, des composants passifs et des circuits de détection peuvent contribuer à la distorsion harmonique.

• Conception de moteurs (notamment pour les moteurs BLDC) : La forme d'onde trapézoïdale de la force contre-électromotrice (FEM) d'un moteur BLDC classique, contrairement à la forme d'onde sinusoïdale d'un PMSM, entraîne naturellement des caractéristiques harmoniques différentes du courant lorsqu'il est contrôlé par des techniques de commutation standard. Même dans les PMSM, les harmoniques spatiales du champ magnétique peuvent contribuer aux harmoniques de courant.

• Stratégie de contrôle : Les algorithmes de contrôle spécifiques utilisés pour piloter le moteur peuvent également influencer le contenu harmonique de la tension et du courant.

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Impact du THD et de l'ITHD sur les performances des moteurs PMSM et BLDC

Des niveaux élevés de THD et d'ITHD ont plusieurs effets néfastes sur les performances des moteurs PMSM et BLDC et sur le système d'entraînement global :

• Ondulation de couple : Les courants harmoniques interagissent avec le champ magnétique du moteur et produisent des pulsations de couple indésirables. Cette ondulation peut entraîner des vibrations, du bruit acoustique et une réduction de la précision de commande, particulièrement critiques dans les applications nécessitant un contrôle de mouvement fluide. Les moteurs BLDC, en raison de leur force contre-électromotrice trapézoïdale et de leur commutation généralement à 120 degrés, sont intrinsèquement plus sensibles aux ondulations de couple dues aux harmoniques que les moteurs PMSM alimentés par un courant sinusoïdal.

• Augmentation des pertes et réduction du rendement : Les courants harmoniques entraînent des pertes cuivre supplémentaires (pertes I₂R) dans les enroulements du moteur en raison de l'augmentation de la valeur efficace du courant. Ils contribuent également à l'augmentation des pertes fer (pertes par courants de Foucault et par hystérésis) dans le noyau du stator. Ces pertes supplémentaires entraînent une baisse du rendement du moteur et une augmentation de sa température de fonctionnement, ce qui peut réduire sa durée de vie.

• Surchauffe : Les pertes accrues dues aux harmoniques entraînent une augmentation des températures de fonctionnement du moteur et des composants électroniques de puissance du variateur. Cela peut solliciter les matériaux isolants et entraîner une défaillance prématurée.

• Bruit acoustique et vibrations : l'ondulation du couple et les courants harmoniques contribuent à l'augmentation du bruit audible et des vibrations mécaniques dans le moteur et le système entraîné.

• Interférences électromagnétiques (EMI) : les fronts de commutation rapides et le contenu harmonique de la tension et du courant peuvent générer des interférences électromagnétiques, affectant potentiellement d'autres équipements électroniques sensibles.

• Qualité de l'énergie réduite : Du point de vue de la source d'alimentation, un ITHD élevé signifie que le variateur consomme un courant déformé, ce qui peut nuire à la qualité de la tension des autres charges connectées au même réseau électrique. C'est pourquoi des normes comme l'IEEE 519 fixent des limites à la distorsion harmonique réinjectée dans le réseau.

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Stratégies d'atténuation

Pour minimiser les impacts négatifs du THD et de l'ITHD dans les conceptions d'entraînements PMSM et BLDC, diverses techniques d'atténuation sont employées, similaires à celles utilisées dans les entraînements de moteurs généraux, mais parfois avec des considérations spécifiques pour le type de moteur :

• Techniques PWM avancées : la mise en œuvre de stratégies PWM sophistiquées (par exemple, la modulation vectorielle spatiale pour PMSM) peut optimiser les modèles de commutation pour réduire les harmoniques spécifiques.

• Filtrage : L'incorporation d'inductances CA côté entrée (réacteurs de ligne) ou côté sortie (réacteurs de moteur) de l'onduleur, ou l'utilisation de filtres passifs ou actifs plus complexes, peut aider à atténuer les courants harmoniques.

• Onduleurs multiniveaux : l'utilisation de topologies d'onduleurs multiniveaux peut produire des formes d'onde de tension avec un contenu harmonique inférieur par rapport aux onduleurs à deux niveaux standard.

• Améliorations de l’algorithme de contrôle : la mise en œuvre de stratégies de contrôle qui compensent ou suppriment activement les harmoniques peut améliorer les performances.

En conclusion, le THD, et plus particulièrement l'ITHD, sont des préoccupations majeures dans la conception des variateurs de vitesse PMSM et BLDC. La nature de commutation de l'onduleur est la principale cause de ces harmoniques, qui entraînent à leur tour des effets indésirables tels qu'une ondulation de couple, une baisse de rendement et une augmentation de la chaleur et du bruit. Une conception rigoureuse, incluant des stratégies PWM appropriées, un filtrage et des techniques de contrôle potentiellement avancées, est essentielle pour gérer la distorsion harmonique et garantir des performances et une fiabilité optimales des systèmes d'entraînement PMSM et BLDC.