Des systèmes d’entraînement efficients pour l’industrie suisse

Lancé en 2025 pour une durée de trois ans, le projet Wimpact (Wide Bandgap Impact on Industrial Motors) s’inscrit dans un contexte où les entraînements électriques – et en particulier les moteurs asynchrones, aussi appelés moteurs à induction – représentent une part significative de la consommation électrique industrielle. L’augmentation de l’efficacité énergétique des systèmes d’entraînement (drives) constitue donc un levier direct pour réduire les coûts et l’impact environnemental de l’industrie. Dans ce contexte, l’introduction de semi-conducteurs rapides à large bande (wide-bandgap semiconductors, WBG), tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), devient incontournable pour les futures générations de drives. Combinés à la généralisation des moteurs IE4 et IE5, ces systèmes nécessitent toutefois une optimisation conjointe du rendement, des vibrations et de la compatibilité électromagnétique (CEM).

Porté par le groupe Industrial Electronics & Drives (IED) [1] de l’Institut Systèmes industriels de la HES-SO Valais-Wallis, le projet Wimpact étudie de manière systématique l’impact de différentes configurations (figure 1) sur les pertes, les vibrations et les émissions CEM. Fin 2027, les résultats du projet serviront de recommandations de mise en œuvre pour les systèmes d’entraînement de la prochaine génération.

Le projet Wimpact

La stratégie de test du projet Wimpact s’appuie sur une plateforme de prototypage rapide. Celle-ci permet d’analyser les pertes et les contraintes (vibrations, CEM) du système pour diverses topologies de convertisseurs et technologies de semi-conducteurs. L’espace expérimental étudié (figure 1) couvre un large spectre de paramètres, incluant les technologies de semi-conducteurs, les topologies de convertisseurs, les fréquences de commutation, les stratégies de filtrage ainsi que différentes tailles de moteurs. Afin de garantir une exploration efficace et pertinente, une sélection raisonnée de configurations a été réalisée. Environ 30 combinaisons représentatives ont ainsi été retenues, permettant d’analyser de manière fiable l’influence des différents paramètres.

Le setup de mesure est présenté sur la figure 2: autant l’onduleur côté moteur (DC/AC) que le convertisseur côté réseau (AC/DC) sont étudiés. L’un des principaux objectifs du projet étant de minimiser les pertes globales, il est important de séparer les pertes du moteur et des convertisseurs afin de donner une image claire des effets influençant le rendement global. De plus, les effets de filtrage ainsi que l’impact de la puissance nominale des moteurs sont analysés.
 

Les essais sont réalisés conformément aux normes IEC 61800-9 et IEC 60034-2, qui définissent des points du plan couple-vitesse pour caractériser les performances des entraînements. La plateforme de test de la HES-SO Valais-Wallis comprend un banc de test de 100 kW back-to-back [2] (figure de titre). Ce banc de test, sur lequel le moteur à tester est couplé à une machine de charge, permet de réaliser des essais comparatifs et reproductibles avec une instrumentation électrique, vibratoire et thermique de haute précision.

Une partie essentielle du projet repose sur la plateforme de prototypage rapide Poetic (Power Electronic Controller) développée au sein du groupe de recherche IED [1]. Cette plateforme permet de tester différentes topologies – à deux niveaux (2L) ou à trois niveaux (3L-ANPC) – et diverses technologies de semi-conducteurs (Si, SiC, GaN) sous un même contrôleur, afin d’isoler l’influence de chaque paramètre. La plateforme Poetic, représentée sur la partie gauche de la figure de titre, comprend un simulateur en temps réel Typhoon HIL qui pilote les interrupteurs semi-conducteurs de puissance. Ces infrastructures permettent de comparer les configurations de manière fiable et reproductible. De plus, dans un souci de représentativité et d’exhaustivité, des comparaisons avec des convertisseurs commerciaux seront réalisées.

Topologies de convertisseurs et contrôle des machines asynchrones

Il existe différents choix de topologies pour les convertisseurs électroniques de puissance. Les deux principales topologies utilisées pour les convertisseurs électroniques de puissance et leurs formes d’ondes typiques sont présentées à la figure 3. La dénomination «2L» et «3L» se réfère au nombre de niveaux de tension accessibles en tension de phase à la sortie d’un bras du convertisseur. Les paliers supplémentaires observés sur les tensions de ligne de la figure 3 résultent de la combinaison des tensions de phase. La modulation à plusieurs niveaux des convertisseurs 3L permet d’améliorer la résolution de la tension appliquée et de réduire les contraintes électriques ainsi que le contenu harmonique. Bien que les convertisseurs 2L soient plus simples et économiques, les architectures 3L sont mieux adaptées aux applications de puissance élevée. Le choix de la topologie dépend des exigences de l’application, notamment en termes de qualité d’onde, de rendement et de coût.

Les machines sont pilotées en commande vectorielle (Field Oriented Control), permettant un découplage du flux et du couple grâce au passage dans un référentiel tournant. Cette approche, en plus d’améliorer la dynamique du moteur, permet d’ajuster le flux en fonction du point de fonctionnement. La mise en œuvre du contrôle vectoriel a été réalisée avec un contrôleur Typhoon HIL. Un logiciel dédié (DOS, Drive Optimisation Software) est utilisé pour identifier, sur l’ensemble du plan couple-vitesse, les fréquences de commutation minimisant les pertes. Cette approche analytique sert de base à l’analyse détaillée des pertes, présentée dans la section suivante.

Pertes moteur et convertisseur

L’utilisation d’un simulateur de réseau de 50 kVA délivrant une référence sinusoïdale pure garantit la reproductibilité des essais et permet d’évaluer avec précision les pertes fondamentales. Cette référence constitue une base fiable pour quantifier les pertes supplémentaires induites par l’alimentation via un onduleur. Afin d’obtenir une vision plus précise, les pertes sont décomposées en contributions moteur – incluant les pertes cuivre, fer, mécaniques, additionnelles et harmoniques [3] – et en pertes de convertisseur, comprenant les pertes par conduction et par commutation, comme illustré à la figure 4. La zone entourée en pointillé regroupe les pertes les plus influencées par la fréquence de commutation. Cette figure montre que, dans le cadre des configurations étudiées, les pertes de commutation du convertisseur apparaissent comme le principal facteur limitant lorsque la fréquence de commutation augmente. Les pertes dans la machine électrique restent dominées par les pertes fondamentales, et en particulier par les pertes cuivre.

Importance du filtrage, ondulation et niveau de bruit

Le filtrage joue un rôle central dans le comportement électromagnétique, vibratoire et thermique des entraînements modernes, en particulier lorsque des semi-conducteurs rapides tels que le SiC ou le GaN sont utilisés. Les vitesses de commutation élevées associées à ces technologies génèrent des flancs de tension (dv/dt) toujours plus abrupts, ayant des impacts sur le bruit de mode commun et les émissions CEM. De plus, même si ces aspects ne sont pas directement étudiés dans ce projet, il est important de mentionner l’impact négatif de différentiels de tension (dv/dt) élevés sur les isolants ainsi que sur les courants parasites dans les roulements.

Afin d’atténuer ces effets, différents types de filtres d’entrée et de sortie sont étudiés. Du côté réseau, l’objectif du projet consiste à évaluer quantitativement l’impact de filtres CEM (CM/DM, mode commun/mode différentiel) sur le rendement et les émissions conduites. Du côté machine, des essais sont prévus avec différents filtres de sortie commerciaux (dv/dt, sinusoïdaux) ainsi que des conceptions optimisées développées par le partenaire du projet, le Prof. D^r Jonas Huber (ETH Zurich) et son équipe. Les résultats permettront d’établir des recommandations pour le dimensionnement et l’intégration des filtres en fonction de la topologie du convertisseur et de la technologie WBG utilisée. Au-delà des pertes, l’effet sur les ondulations de couple et les aspects vibratoires se trouvent également au cœur du projet. Les premiers résultats montrent que l’augmentation de la fréquence de commutation réduit significativement les vibrations et le bruit. Par exemple, sur un moteur de 2,2 kW, le passage de 2 kHz à 20 kHz réduit le niveau vibratoire de 60% et le niveau acoustique de 8 dB(A), ce qui correspond à un ressenti environ deux fois moins important.

Compatibilité électromagnétique: enjeux et méthode

De manière générale, les convertisseurs génèrent des interférences électromagnétiques qui se manifestent sous deux formes: les émissions conduites se propageant dans les câbles et les émissions rayonnées. Dans le cadre du projet, l’étude se concentre sur les émissions conduites dans la bande réglementaire de 150 kHz à 30 MHz. Celles-ci sont mesurées conformément à la norme IEC 61800-3 au laboratoire CEM équipé d’une chambre anéchoïque pour tests de pré-conformité [4] (figure 5). L’objectif du projet consiste à quantifier ces effets et à proposer des lignes directrices de conception permettant d’exploiter pleinement le potentiel des semi-conducteurs WBG tout en restant compatibles sur le plan CEM.

Des résultats pour l’industrie suisse

Les premiers résultats du projet Wimpact montrent que l’intégration de semi-conducteurs à large bande (WBG) nécessite une optimisation simultanée de la topologie du convertisseur, de la fréquence de commutation et des solutions de filtrage. Si ces technologies offrent un potentiel important en termes de rapidité de commutation et de réduction des pertes par rapport aux dispositifs en silicium classiques, elles s’accompagnent également de nouveaux défis, notamment en matière de compatibilité électromagnétique et de contraintes sur les machines.

Les livrables du projet viseront à synthétiser l’impact de ces facteurs en termes de réduction de pertes, d’amélioration du niveau de vibration et de bruit ainsi que de réduction des émissions CEM des installations. Le setup et les routines de test mises en place dans la première partie du projet vont maintenant permettre d’approfondir les analyses comparatives des différentes configurations, et particulièrement les concepts de filtrage.

Les objectifs du projet pour les deux prochaines années consisteront à générer une synthèse globale des mesures permettant de faciliter des développements en conformité robuste avec les normes IEC 61800-3 (CEM) et IEC 61800-9 (performance énergétique). De plus, ces mesures contribueront à l’élaboration d’un livre blanc (white paper) visant à transférer vers l’industrie les tendances et les résultats clés du projet. Ces lignes directrices pratiques, destinées aux intégrateurs de drives industriels, permettront de soutenir la transition vers des systèmes d’entraînement plus efficaces sur le plan énergétique, plus compacts et conformes aux directives CEM.