Mise au point de méthodes permettant le test et la comparaison de systèmes d’isolation des moteurs basse tension fonctionnant en régime de décharges partielles (alimentation par onduleur)

Development of methods allowing the test and the comparison of low-voltage motors insulation systems running under partial discharges (fed by inverter)

• Auteur / Autrice : Mateusz Szczepanski
• Direction : David Malec, Pascal Maussion
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 29/03/2019
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Basse tension -- Appareils et matériel

Isolation électrique

Décharges électriques

Mots clés libres

Décharges partielles

Système d'isolation électrique

Moteur basse tension

Onduleur

MLI

Plan d'expériences

Partial discharges

Electrical insulation system

Low-voltage motor

Inverter

PWM

Design of experiments

Résumé

Depuis le développement des composants d'électronique de puissance qui ont permis la fabrication d'onduleurs fiables et efficaces, les entraînements à vitesse variable utilisant des moteurs asynchrones sont devenus de plus en plus populaires. La technique MLI s'est avérée être une méthode très efficace de contrôle de la vitesse de rotation. Cependant, les impulsions de tension, avec des pentes très raides (de l'ordre de quelques kV/µs), ont apporté de nouveaux risques pour le système d'isolation électrique des moteurs. La richesse harmonique de la tension MLI entraînera une surtension significative due à une différence d'impédance entre le câble et le moteur. En effet, la tension observée par certaines parties du système d'isolation peut dépasser la tension d'apparition des décharges partielles (ang. PDIV); ce qui amorcera une activité de décharges partielles localisée. Le système d'isolation des machines basse tension (appelé type I) est basé presque entièrement sur des matériaux polymères qui ne sont pas conçus pour supporter des décharges partielles tout au long de leur vie. En raison de l'utilisation de variateurs de fréquence, l'isolation primaire du fil émaillée est en danger par rapport aux machines alimentées par réseau. En conséquence, c'est souvent le point le plus faible du système d'isolation qui conduira à la panne prématurée d'une machine. Le but de cette thèse est d'étudier et d'analyser le processus de vieillissement du fil émaillé exposé aux différents facteurs et de proposer une méthode permettant de prédire les durées de vie dans des conditions fixées. Cette étude introduit une prédiction basée sur la méthode des plans d'expériences et la distribution statistique de Weibull. Grâce au modèle obtenu avec des tests de vieillissement courts multicontraintes (température, tension, fréquence) il est possible de prédire les résultats de tests significativement plus longs. De plus, la méthodologie proposée permet de prédire la dispersion des essais longs en se basant sur la dispersion des résultats à court terme. Les prédictions sont comparées avec les données expérimentales afin de prouver la précision du modèle.

Since the development of power electronic components, which allowed the manufacturing of reliable and efficient inverters, variable speed drives using inductive motors have become more and more popular. The PWM technique has proven to be a very effective method of rotational speed control. However, the fast changing voltage pulses, with very steep slopes (in the order of a few kV/µs), has brought new hazards for the electrical insulation system of such motors. Very high frequency harmonic components of PWM voltage will result in significant overvoltage due to an impedance mismatch between the cable and the motor. As an effect, the voltage seen by some parts of the insulation system may exceed the Partial Discharge Inception Voltage (PDIV) stating localized partial discharges activity. The insulation system in low-voltage machines (called type I) is based almost entirely on polymer materials, which are not able to support partial discharge activity throughout their lives. Due to the use of frequency inverters especially the primary insulation of the magnet wire is endangered in comparison with system-powered machines. As a result this is often the weakest link of the insulation system leading to a premature breakdown of the machine. The aim of this thesis is to investigate and analyze the aging process of the enameled wire exposed to different factors and to propose a method allowing to predict their lifespans in given conditions. This study introduces a prediction based on the Design of Experiments method and the statistical Weibull distribution. Thanks to the model obtained with short multi-stress (temperature, voltage, frequency) aging tests, it is possible to predict the results of significantly longer ones. Moreover, the adapted methodology is proposed that allows to predict the scatter of the long tests basing on the short-time results dispersion. The predictions are compared with the experimental data in order to prove the model accuracy.