L’évolution de l'électronique de puissance ces dernières années a entraîné d’une part, une augmentation de la densité de puissance et, d’autre part une diminution du coût des onduleurs de tension dont les plus répandus utilisent la modulation de largeur d’impulsion (MLI). Ces évolutions ont permis la diffusion de l'utilisation de convertisseurs de puissance dans des applications nécessitant une variation de la vitesse ce qui a permis, entre autre, le développement du concept d’ « avion plus électrique ». Ce concept consiste à remplacer un des vecteurs énergétiques (pneumatique ou hydraulique) par de l’énergie électrique. Ce développement du réseau électrique a nécessité, compte tenu des puissances nécessaires, une augmentation de la tension embarquée. Celle-ci peut se traduire par un vieillissement prématuré des équipements électriques embarqués, ce qui serait particulièrement pénalisant dans ces applications.
En effet, la forme de tension appliquée liée à la MLI est constituée de trains d'impulsion qui conduisent à une distribution inhomogène des contraintes électriques au sein du bobinage. D’importantes différences de potentiel peuvent ainsi être observées entre les spires d’une même phase voire entre deux phases du bobinage. En outre, un autre paramètre important provient du type d'enroulement des moteurs utilisés par l'industrie. L'enroulement aléatoire est la technique de bobinage la plus courante pour les moteurs basses tensions du fait de son faible coût. Le risque induit par ce type d'enroulement est que la première et une des dernières spires d’une même bobine peuvent être proches l’une de l’autre. Dans ce cas, il a été montré que jusqu’à 80% de la tension peut être observée aux bornes quelques dizaines de microns d'émail, et ces systèmes d'isolation ne sont pas dimensionnés pour résister à de telles contraintes. L'utilisation de câbles de longueur importante reliant l'onduleur au moteur peut aussi provoquer des surtensions importantes à ses bornes: le câble se comportant comme une ligne de transmission qui n’est pas adaptée en termes d’impédance au bobinage du moteur. De plus, dans le cas d’équipements embarqués dans zones les dépressurisées de l’aéronef, ces importantes différences de potentiel associées à de faibles pressions peuvent entraîner l’apparition de Décharges Partielles (DP).
Ces décharges qui ne court-circuitent que partiellement l'intervalle entre deux conducteurs, conduisent à la défaillance des systèmes dans lesquels ils se produisent. Si de nombreuses méthodes de détection de ces DPs existent pour les tensions AC et DC, leur mesure sous tension MLI dans des moteurs basse tension est beaucoup plus complexe. Les signaux associés aux DPs sont en effet intégrés dans le bruit électromagnétique généré par la commutation.
Le but de cette thèse est donc de développer un procédé de détection et de filtrage permettant leur mesure de manière non intrusive et durant le fonctionnement (on-line) des chaînes électromécaniques de conversions utilisées dans le domaine aéronautique.
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Recent advances in power electronics has led, on one hand, to an increase in power density and, on the other hand, to a decrease in the cost of voltage inverters. These developments allowed the widespread use of power converters in applications requiring speed changes and thus allowing, among others, the development of the concept of the "more electrical airplane". This concept consists in replacing one of the energy (pneumatic or hydraulic) by the electrical one. Due to the amount of power needed, this development has been accompanied by an increase of the voltage magnitude. Such an increase may result in a premature aging of the equipments particularly detrimental in these applications.
As a matter of fact, the waveform associated to the Pulse Width Modulation (PWM) generally produced by inverters consists of voltage pulses, leading to an inhomogeneous distribution of the electrical stresses within the coil. Large voltage differences may thus be observed between turns of the same phase or even between two phases of the winding. Last, but not least, another important parameter is associated to the type of winding of the motors. Random wound machines are the most common ones for low voltage applications because of their low cost. Nevertheless, the main risk associated to this type of winding is that the first and one of the last turns of the same coil may be close to each other. In this case, it has been shown that up to 80% of the voltage may be obtained at the terminals of a few tens of microns of the enamel and this type of insulating system are not supposed to withstand such stresses. The use of long cables, connecting the inverter to the motor, may also cause large overvoltages at the machine terminals: the cable behaves like a mismatched transmission line impedance to the motor winding. Moreover, in the case of equipments used in the depressurized areas of the aircraft, large voltage values associated with low pressures may lead to the appearance of Partial Discharges (PD).
These discharges, which only partially shorten the interval between two conductors, ultimately lead to the failure of the systems in which they occur. While many methods of detecting PDs exist for AC and DC voltages, measuring them under PWM voltage in low voltage motors is much more complex. The signals associated to the PDs are in the same frequency range that the electromagnetic noise generated during the switching.
The aim of this thesis is therefore to develop a detection and filtering method enabling us to measure PD in a non-intrusive manner and during the on-line operation of the electromechanical conversion chains used in the aeronautical field.
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