WO2012084389A2 - Convertisseur de puissance équipé en sortie d'un dispositif de filtrage - Google Patents

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Philippe Loizelet
Arnaud Videt
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
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    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
    • H02M1/123—Suppression of common mode voltage or current

Definitions

  • the present invention relates to a power converter connected to an electric motor and equipped at the output of a filtering device.
  • This power converter will for example be included in a variable speed drive.
  • a variable speed drive comprises a rectifier module which supplies a DC voltage from an external AC supply network.
  • the drive controller then includes an inverter (or chopper) module with power semiconductor electronic components for chopping the DC voltage by Pulse Width Modulation (PWM), so as to output via a power cable a pulsating variable voltage and a variable speed of rotation to an electric motor.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • a drive control unit controls the conduction and blocking of the semiconductor electronic components at the switching frequency.
  • the switching frequency for the MLI control of the power semiconductors corresponds to the switching frequency of the drive. Depending on the type and rating of the drive, this switching frequency generally varies between approximately 2 and 16 kHz.
  • the commutation of the semiconductor electronic components generates at the output of the variable speed drive a variation of the common mode voltage driving upstream and downstream of the electromagnetic interference conversion system of the same mode, through a loopback through the earth of the leakage currents due in particular to parasitic capacitances of the motor and the motor cable.
  • a filtering device is therefore often used to attenuate the common mode currents and prevent their propagation towards the supply network.
  • an EMC filter is connected at the drive input between the AC power supply and the rectifier module of the drive. It is effective in a frequency range between 150 kHz and 30 MHz, which allows in particular to meet current European standards for electromagnetic compatibility.
  • This EMC filter comprises a common mode inductor comprising a winding on each conductive line of the supply network and common mode capacitors connected between each line and the earth, downstream of the common mode inductor. The filter thus forms a passive circuit of the low-pass type with a cut-off frequency making it possible to obtain the desired attenuation of the common-mode currents in the frequency zone set by the standards.
  • An output filtering device is also known from the publication entitled "A novel inverter output dv / dt suppression filter” - Jian Yanshu et al - ISBN: 978-0-7803-7906-0
  • This filtering device can reduce dv differential mode due to the presence of a long motor cable and to suppress the common mode voltage.
  • This device comprises a differential filter at the output of the inverter and a common mode voltage detector for supplying a current to A common mode transformer
  • US6208098 discloses a similar solution, both of which employ a common mode transformer to provide a common mode impedance on the cable to suppress the common mode voltage on the cable.
  • the object of the invention is to provide a power converter arranged to fight against common mode currents that can reduce the life of the engine.
  • a power converter comprising several output phases connected to an electric load and also comprising:
  • a continuous power supply bus having a first power supply line and a second power supply line
  • an inverter module connected to the DC supply bus and having semiconductor electronic components controlled by a control unit for applying a variable voltage to the electrical load
  • a filtering device connected to the output phases and comprising a common mode inductor having a winding connected to each output phase
  • the filtering device comprising:
  • the invention also relates to a speed controller comprising as input a rectifier module connected to a power supply network and intended to supply a rectified voltage from an AC voltage delivered by the supply network, the variator comprising a converter power as defined above, said converter being connected downstream of the rectifier module.
  • the invention therefore makes it possible to confine common mode currents inside the power converter and to prevent them from propagating by the motor cable in the electric motor.
  • FIG. 1 represents a diagram of an existing variable speed drive
  • FIG. 2 schematically represents a power converter according to the invention.
  • a variable speed drive is intended for controlling an electric load such as, for example, an electric motor M of synchronous or asynchronous type.
  • the drive comprises an inverter module 10 and several output phases U, V, W represented in the form of a power cable 19 connected to the electric motor M to be controlled.
  • the inverter module 10 comprises two electronic semiconductor power components type IGBT or others (shown in Figure 1 as simple switches to simplify the drawing), and a control unit 100 comprising a microcontroller for PWM control of these semiconductor electronic components of the inverter module 10 to provide a variable voltage to the motor M.
  • the drive Upstream of the inverter module 10, the drive also comprises a rectifier module 20 and a DC supply bus.
  • the rectifier module 20 is connected to the supply network 40.
  • the rectifier module 20 is for example composed of a diode bridge which makes it possible to rectify an AC voltage supplied by the network and to apply a voltage rectified on the DC bus. More specifically, the rectifier module 20 comprises several arms each composed of two diodes in series, each arm being connected to an input phase by the midpoint located between the two diodes.
  • the DC power supply bus connects the rectifier module 20 to the inverter module 10. It comprises a positive potential supply line V + and a negative potential supply line V-.
  • Two bus capacitors C bus1 , C bus2 intended to maintain the bus voltage at a constant value, are for example connected in series between the two power supply lines of the bus.
  • FIG. 1 shows a three-phase external power supply network comprising three supply lines a, b, c, but the invention applies equally to a single-phase supply network.
  • the motor M described in Figure 1 is supplied with three-phase but the invention obviously also applies to an electric motor powered single phase.
  • the inverter module 10 described in FIG. 1 is a three-phase two-level inverter, but the invention obviously also applies to a multi-level inverter module and, by extension, to any type of converter of different topology producing a voltage system. polyphase having voltage edges and a zero sequence component.
  • a filtering device 30 composed of an EMC filter, is positioned between the supply network 40 and the rectifier module 20. The characteristics of this EMC filter are calculated to enable the drive controller to meet the standards. EMC in a frequency range beyond 150 kHz.
  • the EMC filter 30 comprises a common mode inductance L mc1 connected in series between the network 40 and the rectifier module 20.
  • the EMC filter 30 also includes common mode capacitors C F connected between each line a, b, c and the earth, downstream from the common mode inductor L mc1 .
  • the EMC filter 30 can additionally comprise differential capacitances between phases (differential filtering) not shown in FIG. 1.
  • the common mode current generated loops back through the earth via the motor capacity + cable C M via preferentially path noted the M below in Figure 1, via the rectifier module 20, the inverter module 10, the parasitic capacitance C M , the common mode capacitors C F.
  • the common mode capacitors C F are used for the common mode capacitors C F and high impedance values for the common mode inductance L mci .
  • the use of the input EMC filter is however not sufficient, in particular to fight against the common mode current generated by the high voltage switching of the inverter module 10 and likely to degrade the motor bearings M by stitching phenomena.
  • the principle of the invention is therefore to place a filtering device at the output of the inverter module 10, on the output phases U, V, W of the power converter formed by the DC power supply bus. and the inverter module 10.
  • the invention is described below for a power converter that can be included for example in a variable speed drive as described above.
  • This filtering device of the invention consists of:
  • a common mode inductance L mc2 comprising a plurality of windings each connected to an output phase U, V, W of the power converter
  • differential mode inductor L d and filter capacitors C F 2 connected in series between the common mode inductor L mc2 and a middle point Pi located between the two bus capacitors C bus1 , C bus2 , the differential mode inductance L d having a plurality of windings each connected to a winding different from the common mode inductor L mc2 via a filter capacitor C F 2 distinct.
  • the common mode inductor L mc2 present at the output of the power converter creates a high impedance path for the high frequency common mode current between the output of the converter and the motor M, resulting in a reduction of the current. common mode peak voltage across the motor terminals M.
  • the common mode inductance L mc2 reduces the common mode voltage variation as a function of the time formed by the parasitic capacitances of the cable 19 relative to the earth.
  • the filter capacitors C F 2 are arranged to short-circuit the motor M and redirect the common-mode current directly to the voltage sources represented by the bus capacitors C bus i, C bu 2 2- prevents the common-mode current flowing over the entire power cable 19 and reduces the electromagnetic disturbances generated during the passage of the common-mode current on the cable 19.
  • the common-mode current is then confined inside the converter and does not propagate over the entire cable 19.
  • the presence of these filter capacitors C F2 causes the generation of a short circuit at the output of the power converter.
  • This problem is solved by adding the differential mode inductor L d in series with the filter capacitors C F2 . This differential mode inductor L d creates a high impedance path at the output of the converter without affecting the filtering of the common mode voltage.
  • the common mode current therefore preferably borrows the path noted I M C2 via the inverter module 10, the common mode inductance L mc2 , the filter capacitors C F2 , the differential mode inductor L d and the midpoint Pi of the DC bus.
  • the filtering device employed in the invention therefore has many advantages since it makes it possible to provide the common-mode current with a shorter preferential path that causes fewer electromagnetic disturbances. Moreover, it makes it possible to reduce the intensity of the common-mode current and to reduce the common-mode voltage, thus preventing deterioration of the motor bearings by stitching phenomena. It is understood that one can, without departing from the scope of the invention, imagine other variants and refinements of detail and even consider the use of equivalent means.

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Abstract

L'invention concerne un convertisseur de puissance comportant plusieurs phases de sorties (U, V, W) connectées à une charge électrique et comprenant également un dispositif de filtrage connecté sur ses phases de sortie, le dispositif de filtrage comprenant une inductance de mode commun (Lmc2) doté d'un enroulement connecté sur chaque phase de sortie (U, V, W), des condensateurs de filtrage (CF2) et une inductance de mode différentiel (Ld) connectés en série entre l'inductance de mode commun (Lmc2) et un point milieu (P1) situé entre les deux condensateurs de bus (Cbus1, Cbus2).

Description

Convertisseur de puissance équipé en sortie d'un dispositif de filtrage
La présente invention se rapporte à un convertisseur de puissance connecté à un moteur électrique et équipé en sortie d'un dispositif de filtrage. Ce convertisseur de puissance sera par exemple inclus dans un variateur de vitesse.
De façon connue, un variateur de vitesse comporte un module redresseur qui fournit une tension continue à partir d'un réseau d'alimentation alternatif extérieur. Le variateur de vitesse comporte ensuite un module onduleur (ou hacheur) doté de composants électroniques semi-conducteurs de puissance pour hacher la tension continue par Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI ou Puise Width Modulation - PWM), de façon à fournir en sortie via un câble de puissance une tension électrique variable puisée et une vitesse de rotation variable à un moteur électrique. Pour commander le moteur en MLI avec une tension variable appropriée, une unité de commande du variateur contrôle la conduction et le blocage des composants électroniques semi-conducteurs à la fréquence de découpage.
La fréquence de commutation pour la commande MLI des semi-conducteurs de puissance correspond à la fréquence de découpage du variateur. En fonction du type et du calibre du variateur, cette fréquence de commutation varie généralement entre approximativement 2 et 16 kHz.
La commutation des composants électroniques semi-conducteurs génère en sortie du variateur de vitesse une variation de la tension de mode commun entraînant en amont et en aval du système de conversion des perturbations électromagnétiques de même mode, au travers d'un bouclage par la terre des courants de fuite dus notamment aux capacités parasites du moteur et du câble moteur. Un dispositif de filtrage est donc souvent utilisé pour atténuer les courants de mode commun et éviter leur propagation vers le réseau d'alimentation.
Habituellement, afin d'atténuer les courants de mode commun, un filtre CEM est connecté en entrée du variateur entre le réseau d'alimentation alternatif et le module redresseur du variateur. Il est efficace dans une zone de fréquence située entre 150 kHz et 30 MHz, ce qui permet notamment de répondre aux normes européennes actuelles en matière de compatibilité électromagnétique. Ce filtre CEM comporte une inductance de mode commun comprenant un enroulement sur chaque ligne conductrice du réseau d'alimentation et des condensateurs de mode commun reliés entre chaque ligne et la terre, en aval de l'inductance de mode commun. Le filtre forme ainsi un circuit passif de type passe-bas avec une fréquence de coupure permettant d'obtenir l'atténuation désirée des courants de mode commun dans la zone de fréquence fixée par les normes.
Cependant, la tension de mode commun due à la modulation de largeur d'impulsion est à l'origine d'un courant de mode de commun susceptible de traverser les roulements du moteur et de provoquer des phénomènes de piquage (appelé également EDM pour "Electrical Discharge Machining") influant sur la durée de vie du moteur. Le filtre CEM situé en entrée n'est pas suffisant pour lutter contre ces phénomènes de piquage.
Un dispositif de filtrage de sortie est également connu de la publication intitulée "A novel inverter output dv/dt suppression filter - Jian Yanshu et al - ISBN : 978-0-7803-7906-0. Ce dispositif de filtrage permet de réduire les dv/dt de mode différentiel dû à la présence d'un long câble moteur et de supprimer la tension de mode commun. Ce dispositif comporte un filtre différentiel en sortie de l'onduleur et un détecteur de tension de mode commun permettant de fournir un courant à un transformateur de mode commun. Le document US6208098 présente une solution similaire. Ces deux solutions emploient un transformateur de mode commun pour produire une impédance de mode commun sur le câble en vue de supprimer la tension de mode commun sur le câble.
Le but de l'invention est de proposer un convertisseur de puissance agencé pour lutter contre les courants de mode commun susceptibles de réduire la durée de vie du moteur.
Ce but est atteint par un convertisseur de puissance comportant plusieurs phases de sorties connectées à une charge électrique et comprenant également :
un bus continu d'alimentation de puissance doté d'une première ligne d'alimentation et d'une deuxième ligne d'alimentation,
deux condensateurs de bus connectés en série entre la première ligne d'alimentation et la deuxième ligne d'alimentation, un module onduleur connecté au bus continu d'alimentation et comportant des composants électroniques semi-conducteurs commandés par une unité de commande pour appliquer une tension variable à la charge électrique,
- un dispositif de filtrage connecté sur les phases de sortie et comportant une inductance de mode commun dotée d'un enroulement connecté sur chaque phase de sortie,
le dispositif de filtrage comportant :
- des condensateurs de filtrage et une inductance de mode différentiel connectés en série entre l'inductance de mode commun et un point milieu situé entre les deux condensateurs de bus.
L'invention concerne également un variateur de vitesse comportant en entrée un module redresseur connecté à un réseau d'alimentation et destiné à fournir une tension redressée à partir d'une tension alternative délivrée par le réseau d'alimentation, le variateur comportant un convertisseur de puissance tel que défini ci- dessus, ledit convertisseur étant connecté en aval du module redresseur.
L'invention permet donc de confiner les courants de mode commun à l'intérieur du convertisseur de puissance et d'éviter qu'ils se propagent par le câble moteur dans le moteur électrique.
D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente un schéma d'un variateur de vitesse existant, - la figure 2 représente, de manière schématique, un convertisseur de puissance conforme à l'invention.
En référence au schéma de principe simplifié de la figure 1 , un variateur de vitesse est destiné à la commande d'une charge électrique telle que par exemple un moteur électrique M de type synchrone ou asynchrone. Le variateur comprend un module onduleur 10 et plusieurs phases de sortie U, V, W représentées sous la forme d'un câble puissance 19 connecté au moteur M électrique à commander. Pour chaque phase U, V, W du moteur, le module onduleur 10 comprend deux composants électroniques semi-conducteurs de puissance de type IGBT ou autres (représentés sur la figure 1 comme de simples interrupteurs pour simplifier le dessin), et une unité de commande 100 comportant un microcontrôleur permettant de commander par MLI ces composants électroniques semi-conducteurs du module onduleur 10 en vue de fournir une tension variable au moteur M.
En amont du module onduleur 10, le variateur comporte également un module redresseur 20 et un bus continu d'alimentation. En référence à la figure 1 , le module redresseur 20 est connecté au réseau d'alimentation 40. Le module redresseur 20 est par exemple composé d'un pont de diodes qui permet de redresser une tension alternative fournie par le réseau et d'appliquer une tension redressée sur le bus continu d'alimentation. Plus précisément, le module redresseur 20 comporte plusieurs bras composés chacun de deux diodes en série, chaque bras étant connecté à une phase d'entrée par le point milieu situé entre les deux diodes.
Le bus continu d'alimentation de puissance relie le module redresseur 20 au module onduleur 10. Il comporte une ligne d'alimentation à potentiel positif V+ et une ligne d'alimentation à potentiel négatif V-. Deux condensateurs de bus Cbus1 , Cbus2 destinés à maintenir la tension du bus à une valeur constante, sont par exemple connectés en série entre les deux lignes d'alimentation du bus.
La figure 1 montre un réseau d'alimentation extérieur triphasé comportant trois lignes d'alimentation a, b, c, mais l'invention s'applique de façon équivalente à un réseau d'alimentation monophasé. De même, le moteur M décrit dans la figure 1 est alimenté en triphasé mais l'invention s'applique évidemment aussi à un moteur électrique alimenté en monophasé. De même, le module onduleur 10 décrit dans la figure 1 est un onduleur deux niveaux triphasé mais l'invention s'applique évidemment aussi à un module onduleur multi-niveaux et par extension à tout type de convertisseur de topologie différente produisant un système de tension polyphasée comportant des fronts de tension et une composante homopolaire.
On sait que le moteur M et le câble 19 ont des capacités parasites réparties à la terre, que l'on peut modéliser par une capacité commune CM. La commutation des semi-conducteurs du module onduleur 10 entraîne des variations de tension très importantes qui provoquent la création d'un courant de mode commun noté lMC et égal à lMC = CM * dV/dt. De manière connue, un dispositif de filtrage 30, composé d'un filtre CEM, est positionné entre le réseau d'alimentation 40 et le module redresseur 20. Les caractéristiques de ce filtre CEM sont calculées pour permettre au variateur de vitesse de répondre aux normes CEM dans une zone de fréquence allant au-delà de 150 kHz. Le filtre CEM 30 comporte une inductance de mode commun Lmc1 connectée en série entre le réseau 40 et le module redresseur 20. Elle est composée d'un enroulement sur chaque ligne a, b, c du réseau d'alimentation, les enroulements étant magnétiquement couplés entre eux. Le filtre CEM 30 comporte également des condensateurs de mode commun CF connectés entre chaque ligne a, b, c et la terre, en aval de l'inductance de mode commun Lmc1. Le filtre CEM 30 peut en plus comporter des capacités différentielles entre phases (filtrage différentiel) non représentées sur la figure 1 .
Le courant de mode commun généré se reboucle par la terre via la capacité moteur+câble CM en empruntant de manière préférentielle le chemin noté lMci sur la figure 1 , via le module redresseur 20, le module onduleur 10, la capacité parasite CM, les condensateurs de mode commun CF. Pour privilégier ce chemin lMci , on utilise des valeurs d'impédances faibles pour les condensateurs de mode commun CF et des valeurs d'impédances fortes pour l'inductance de mode commun Lmci .
L'emploi du filtre CEM en entrée n'est cependant pas suffisant, notamment pour lutter contre le courant de mode commun généré par les commutations de forte tension du module onduleur 10 et susceptible de dégrader les roulements du moteur M par les phénomènes de piquage.
En référence à la figure 2, le principe de l'invention est donc de placer un dispositif de filtrage en sortie du module onduleur 10, sur les phases de sortie U, V, W du convertisseur de puissance formé par le bus continu d'alimentation et le module onduleur 10. L'invention est décrite ci-dessous pour un convertisseur de puissance pouvant être inclus par exemple dans un variateur de vitesse tel que décrit ci-dessus.
Ce dispositif de filtrage de l'invention se compose de :
- une inductance de mode commun Lmc2 comportant plusieurs enroulements connectés chacun sur une phase de sortie U, V, W du convertisseur de puissance,
une inductance de mode différentiel Ld et des condensateurs de filtrage CF2 connectés en série entre l'inductance de mode commun Lmc2 et un point milieu Pi situé entre les deux condensateurs de bus Cbus1 , Cbus2, l'inductance de mode différentiel Ld comportant plusieurs enroulements connectés chacun à un enroulement distinct de l'inductance de mode commun Lmc2 via un condensateur de filtrage CF2 distinct .
Selon l'invention, l'inductance de mode commun Lmc2 présente en sortie du convertisseur de puissance crée un chemin à haute impédance pour le courant de mode commun à haute fréquence entre la sortie du convertisseur et le moteur M, entramant une réduction de la tension crête de mode commun aux bornes du moteur M. De plus, l'inductance de mode commun Lmc2 permet de réduire la variation de tension de mode commun en fonction du temps formée par les capacités parasites du câble 19 par rapport à la terre.
Selon l'invention, les condensateurs de filtrage CF2 sont agencés pour court- circuiter le moteur M et rediriger le courant de mode commun directement vers les sources de tension représentées par les condensateurs de bus Cbusi , CbuS2- Ainsi on évite que le courant de mode commun circule sur tout le câble puissance 19 et on réduit les perturbations électromagnétiques générées lors du passage du courant de mode commun sur le câble 19. Le courant de mode commun se trouve alors être confiné à l'intérieur du convertisseur et ne se propage pas sur tout le câble 19. Cependant, en haute fréquence, la présence de ces condensateurs de filtrage CF2 entraîne la génération d'un court-circuit à la sortie du convertisseur de puissance. Ce problème est résolu par l'ajout de l'inductance de mode différentiel Ld en série avec les condensateurs de filtrage CF2. Cette inductance de mode différentiel Ld crée un chemin à haute impédance à la sortie du convertisseur sans affecter le filtrage de la tension de mode commun.
Selon l'invention, en référence à la figure 2, le courant de mode commun emprunte donc de manière préférentielle le chemin noté IMC2 via le module onduleur 10, i'inductance de mode commun Lmc2, les condensateurs de filtrage CF2, l'inductance de mode différentiel Ld et le point milieu Pi du bus continu d'alimentation.
Le dispositif de filtrage employé dans l'invention présente donc de nombreux avantages puisqu'il permet de fournir au courant de mode commun un chemin préférentiel plus court entraînant moins de perturbations électromagnétiques. De plus, il permet de réduire l'intensité du courant de mode commun et de réduire la tension de mode commun, évitant ainsi de détériorer les roulements du moteur par les phénomènes de piquage. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Convertisseur de puissance comportant plusieurs phases de sorties (U, V, W) connectées à une charge électrique et comprenant également :
- un bus continu d'alimentation de puissance doté d'une première ligne d'alimentation (V+) et d'une deuxième ligne d'alimentation (V-),
- deux condensateurs de bus (Cbus1 , Cbus2) connectés en série entre la première ligne d'alimentation et la deuxième ligne d'alimentation, un module onduleur (1 0) connecté au bus continu d'alimentation et comportant des composants électroniques semi-conducteurs commandés par une unité de commande pour appliquer une tension variable à la charge électrique,
- un dispositif de filtrage connecté sur les phases de sortie et comportant une inductance de mode commun (Lmc2) dotée d'un enroulement connecté sur chaque phase de sortie (U, V, W),
le convertisseur étant caractérisé en ce que le dispositif de filtrage comporte :
- des condensateurs de filtrage (CF2) et une inductance de mode différentiel (Ld) connectés en série entre l'inductance de mode commun (Lmc2) et un point milieu (M1 ) situé entre les deux condensateurs de bus (Cbusi , Cbus2).
2. Variateur de vitesse comportant en entrée un module redresseur (20) connecté à un réseau d'alimentation (40) et destiné à fournir une tension redressée à partir d'une tension alternative délivrée par le réseau d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur de puissance tel que défini dans la revendication 1 , ledit convertisseur étant connecté en aval du module redresseur.
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