Off-line and on-line partial discharges detection in low voltage motors of electric vehicle fed by a PWM inverter using non-intrusive sensor
Institution:
Toulouse 3Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
To control the speed of the motor in an electric vehicle, one solution is to use in the powertrain an inverter drive with pulse width modulation (PWM). This device is recreating a sinusoidal current on each phase with a high number of short pulses of the same amplitude but with a dynamic duty cycle. Recent advances in power electronics allowed switching time to be quicker and quicker thus creating voltage pulses with shorter and shorter rise time. The use of PWM inverter to fed low voltage is now widespread but not without posing well-known problems regarding the reliability of the machine. When an electric motor is fed with a very number of pulses per second, each pulse is not propagating immediately along the winding and thus the voltage distribution is not uniform as in the sinusoidal case. As a result, most of the voltage is located within the first turns of the coil during the first moment of the switching. When the motor is random wound, first and last turns of the same coil could be adjacent thus putting high demand on the turn-to-turn insulation. Impedance mismatch between power cables and motors terminals could lead to overvoltage which are increasing the electrical stress on the insulation system. In the worst-case scenario, partial discharges could occur and contribute to the gradual deterioration of the insulation materials thus leading to premature failure. If partial discharges are easily detected with sinusoidal voltage with standard testing procedure, it becomes much harder to so when the sample under test is fed by a PWM inverter drive. Indeed, it is very difficult to spot very low amplitude partial discharges signals among very large amplitude voltage and current. Moreover, the PWM inverter is generating electro-magnetical noise, which is highly disturbing in partial discharge detection using RF non-intrusive sensor. Worse still, some electric motors having passed successfully AC or repetitive impulses acceptance tests may still fail prematurely when fed by a PWM inverter drive. The aim of this Ph. D thesis is thus to develop a non-intrusive partial discharges detection method, using a non-intrusive sensor, off-line and on-line in an electric motor fed by a PWM inverter drive. To achieve this, a series of experiments, gradually growing in complexity, will test the detection method with harsher and harsher conditions, thus closer and closer to realistic electric vehicle operating conditions. From a single-phase test on an electric stator to a full-scale test on an industrial engine test bench, off-line and on-line detection proves to be possible. In addition, visual observations and experiments have been carried out to better understand the physics of the observed light emitting discharges.
Abstract FR:
Pour faire varier la vitesse d'un moteur d'une voiture électrique, un onduleur de tension avec une modulation de largeur d'impulsion (MLI) est utilisé. Les temps de commutation de plus en plus courts créent un grand nombre de fronts de tension. L'utilisation d'un onduleur sur une machine basse tension est de plus en plus répandue et peut provoquer une réduction de la durée de vie des machines. Tout d'abord, la répartition de la tension au sein de la bobine est fortement inhomogène à cause de la nature impulsionnelle de la tension. Dans des machines basse tension avec un bobinage en vrac, il y a donc une probabilité non négligeable que les quelques premières spires de la bobine supportant la tension lors de la commutation soient adjacentes avec les dernières, faisant ainsi supporter à l'isolation interspire une forte différence de potentiel. La désadaptation d'impédance entre les câbles de puissance et les bornes de la machine peuvent également générer des surtensions, augmentant encore la sollicitation sur l'isolation électrique. Dans ces conditions défavorables, des décharges partielles peuvent apparaitre et contribuer à la dégradation de l'isolation électrique, réduisant ainsi la durée de vie des machines. Pire encore, des moteurs ayant passé avec succès des essais de qualification en impulsionnel pour être alimentés par un onduleur de tension ont malgré tout des durées de vie réduites. Si de tels phénomènes sont facilement détectables en 50Hz, il devient difficile de les détecter de manière électrique avec un onduleur de tension avec l'amplitude et la variation du courant. De plus, l'onduleur de tension génère un bruit électromagnétique important perturbant les mesures avec les capteurs non-intrusifs. L'objectif de cette thèse est donc de développer une méthode de détection de décharges partielles, à l'aide d'un capteur non-intrusif, dans un moteur de voiture électrique alimenté par un onduleur de tension en on-line, ainsi qu'en off-line, afin de fournir des données pertinentes lors de la conception d'un moteur électrique, de test fin de chaine ou d'essai en fatigue. Pour atteindre cet objectif, une suite d'expériences montant en complexité ont permis de confronter le dispositif de détection à des conditions de plus en plus proches de celles d'une voiture électrique.