Tests de moteurs multiphasés tolérants aux pannes: 5-Phase, 6-Phase, et validation du système d'entraînement à 9 phases pour les applications critiques en matière de sécurité

Pourquoi les moteurs multiphasés nécessitent des méthodes de test différentes

Lorsqu'un moteur triphasé perd une phase en raison d'un défaut de câblage, panne de l'onduleur, ou erreur de capteur, ça s'arrête. Pour une pompe de refroidissement sur un serveur de data center, c'est gênant. Pour un actionneur de gouverne de vol d’avion ou un appareil à gouverner de navire, c'est catastrophique. Moteurs multiphasés : machines à cinq, six, neuf, ou douze phases - ont été développées précisément pour éliminer cette défaillance en un seul point. Lorsqu'une phase échoue, les phases restantes continuent à entraîner le rotor, généralement à un couple réduit mais toujours adapté à la mission. Cette tolérance aux pannes intrinsèque fait des moteurs multiphasés le choix standard pour les actionneurs de vol aérospatial., propulsion navale, systèmes médicaux de survie, et de plus en plus pour les systèmes de traction de véhicules électriques où les objectifs de sécurité fonctionnelle exigent un fonctionnement continu après des défauts électriques..

Le test d'un système d'entraînement multiphasé nécessite des capacités de banc d'essai fondamentalement différentes de celles des tests de moteurs triphasés standard.. L'onduleur doit être capable de contrôler indépendamment chaque phase avec une injection de défauts programmable.. Le plan de test ne doit pas seulement valider les performances nominales, mais performances après panne : combien de couple reste-t-il, à quelle vitesse le système de contrôle s'adapte, et quelle charge thermique les phases survivantes doivent supporter.

Architectures de moteurs multiphasés

• 5-PMSM de phases: Commun dans les systèmes de traction haute performance et la propulsion navale. Offre une ondulation de couple plus faible et environ 11% plus de puissance par unité de volume qu'un triphasé avec un calibre de fil équivalent. Tolérance aux pannes: se poursuit vers environ 70% couple nominal avec une phase ouverte.
• 6-phase (double triphasé) moteurs: Deux ensembles de bobinages triphasés indépendants, généralement déplacé de 30° électrique. Dominant dans la traction EV pour la tolérance aux pannes sans topologie d'onduleur sur mesure : deux onduleurs triphasés standard alimentent les deux ensembles de bobinages. Tolérance aux pannes: un groupe triphasé peut être déconnecté, laissant l'autre entièrement fonctionnel à 50% puissance nominale.
• 9-moteurs phase: Utilisé dans la propulsion navale et dans les éoliennes où la fiabilité sans accès physique est primordiale. Trois groupes triphasés indépendants. Tolérance aux pannes: deux des trois ensembles peuvent tomber en panne avant que la propulsion ne soit complètement perdue.
• 12-phase et au-delà: Trouvé dans la propulsion des navires de grande puissance (20 Disques podded de classe MW) et certains générateurs aérospatiaux. Échelle des principes de test du cas en 9 phases.

Éléments de test de base

1. Cartographie des performances nominales

Toutes les phases fonctionnent normalement, le moteur est caractérisé sur toute l'enveloppe vitesse-couple. En raison du nombre plus élevé de phases, la mesure de l'efficacité nécessite un analyseur de puissance capable de mesurer simultanément toutes les tensions et tous les courants de phase avec une grande précision. Pour un moteur 9 phases avec déplacement entre les groupes de 60°, les formes d'onde de tension de phase doivent être mesurées de manière synchrone pour calculer correctement les composantes de puissance fondamentales et harmoniques.

Indicateurs clés: Efficacité maximale, couple constant Kt sur tous les points de fonctionnement, décomposition sans perte de charge, THD actuel par phase.

2. Injection de défaut en circuit ouvert et performances post-défaut

Le banc d'essai ouvre une phase (ou un ensemble triphasé complet pour les machines à double enroulement) pendant que le moteur tourne à la charge nominale.. Le système de contrôle doit détecter le défaut et redistribuer le courant aux phases restantes dans le temps de réponse spécifié., généralement sous 100 ms pour les systèmes critiques pour la sécurité. Couple après défaut, stabilité de la vitesse, et l'augmentation de température dans les phases survivantes sont mesurées et comparées aux spécifications de conception tolérantes aux pannes.

Indicateurs clés: Couple après défaut à la vitesse nominale, temps de réponse de la redistribution actuelle, augmentation de l'ondulation du couple après un défaut, augmentation de la température de l'enroulement dans les phases survivantes par unité de temps.

3. Injection de défaut de court-circuit de phase

Un court-circuit de phase est le défaut le plus exigeant. L'enroulement en court-circuit agit comme une source de freinage, réduisant le couple net et générant de la chaleur à la fois dans l'enroulement en court-circuit et dans l'onduleur. Le banc de test mesure la contribution en couple de freinage du défaut, la réponse du pied de biche de l’onduleur, et si les phases restantes peuvent surmonter le couple de défaut pour continuer à entraîner la charge. Ce test éclaire souvent la conception du seuil de protection de l'onduleur.

Indicateurs clés: Ampleur du couple de freinage à partir d'une phase en court-circuit, temps d'activation du pied-de-biche de l'onduleur, couple propulsif résiduel après panne, chaleur générée dans un enroulement défectueux en cas de défaut soutenu.

4. Caractérisation de l'ondulation du couple

Les machines multiphasées produisent intrinsèquement une ondulation de couple inférieure à celle de leurs équivalents triphasés., mais des imperfections dans la symétrie du bobinage, placement de l'aimant, et la réglementation actuelle amplifie les ondulations à des points de fonctionnement spécifiques. Échantillonnage de transducteurs de couple haute résolution à 50 kHz ou plus résolvent le spectre d'ondulation du couple. Pour les actionneurs aérospatiaux, les limites d'ondulation du couple sont souvent spécifiées dans la plage de 0,5 à 2 % crête à crête, bien plus strictes que les exigences automobiles.

Indicateurs clés: Amplitude d'ondulation de couple crête à crête en pourcentage de la moyenne, ordre harmonique dominant et fréquence, sensibilité à l'ondulation de la bande passante de contrôle actuelle.

5. Déclassement thermique en cas de déséquilibre de phase

Même sans rupture de phase complète, L'asymétrie mécanique ou électrique entre les phases crée un partage de courant inégal. Un ensemble de bobinages chauffe plus que les autres. Le banc d'essai mesure simultanément la répartition de la température sur tous les ensembles de bobinages (nécessitant des réseaux de thermocouples distribués ou de capteurs à fibre optique) pour identifier la phase thermiquement limitante et vérifier que le déclassement continu ne viole pas les limites de classe d'isolation..

Indicateurs clés: Différence de température crête à crête entre les phases à la charge nominale, identification de phase thermiquement limitante, coefficient de déclassement requis pour égaliser les températures des enroulements.

6. Injection harmonique et excitation de troisième harmonique

5-Les moteurs phase et 9 phases peuvent exploiter l'injection de courant homopolaire pour augmenter le couple de sortie au-delà de la limite fondamentale uniquement, un avantage qui doit être validé sur le banc d'essai.. L'onduleur injecte un courant contrôlé de troisième harmonique tandis que le banc mesure l'augmentation du couple et tout effet thermique indésirable.. Cette capacité est particulièrement utile pour les systèmes de propulsion des navires où une surcharge continue est requise lors des manœuvres d'urgence..

Indicateurs clés: Pourcentage d'augmentation du couple provenant de l'injection de troisième harmonique, perte de cuivre supplémentaire, augmentation de la température de l'enroulement par unité de couple supplémentaire obtenue.

7. Validation de la sécurité fonctionnelle

Systèmes ciblant la CEI 61508 SIL 2 ou ISO 26262 ASIL C/D exige des tests d'injection de défauts matériels comme preuve que les fonctions de sécurité fonctionnent comme prévu.. Le banc de test applique les défauts à des taux définis tout en surveillant si le système entre correctement dans l'état sûr dans l'intervalle de diagnostic.. Les enregistrements de tests font partie du dossier de sécurité fonctionnelle soumis à la certification.

Indicateurs clés: Couverture du diagnostic mesurée sous injection de défauts, heure d'entrée dans un état sûr, Couverture des modes de défaillance par rapport à la liste de défauts FMEA, taux de déclenchement intempestif en fonctionnement normal.

Exigences des bancs d'essai pour les systèmes multiphasés

Un banc d'essai de moteur multiphasé diffère d'un banc d'essai triphasé dans trois domaines critiques: l'interface électronique de puissance (un onduleur multiphasé configurable avec des commutateurs d'injection de défauts par phase), le système de mesure (analyseurs de puissance synchrones multicanaux couvrant toutes les phases), et l'architecture de contrôle (capable de mettre en œuvre des algorithmes de contrôle tolérants aux pannes ou d'accepter un contrôleur externe dans des conditions de matériel dans la boucle). Les bancs d'essais pour machines triphasées à double enroulement sont plus accessibles car deux modules triphasés standards peuvent être combinés; les véritables bancs à 5 et 9 phases nécessitent un matériel d'onduleur sur mesure.

Ce que cela signifie pour la sélection des bancs d'essai

Les projets de tests de moteurs multiphasés sont généralement exécutés par l'aérospatiale, défense, ou des intégrateurs de systèmes de propulsion marine qui se sont déjà engagés sur l'architecture du moteur pour des raisons de tolérance aux pannes. Le banc de test doit correspondre précisément à cette architecture : un banc triphasé ne peut pas être reconfiguré à partir d'un support triphasé standard sans modifications significatives de l'onduleur et du matériel de mesure.. Si votre équipe développe ou qualifie un système d'entraînement multiphasé tolérant aux pannes, notre équipe d'ingénierie peut configurer une solution de test adaptée à votre nombre de phases, niveau de puissance, et exigences en matière de certification de sécurité. Parlez à notre équipe à propos de votre candidature.