Dans les systèmes d’entraînement de forte puissance, le véritable défi ne consiste pas seulement à atteindre le niveau de puissance requis. Il s’agit d’y parvenir tout en garantissant la fiabilité, la flexibilité de configuration et la maîtrise des coûts du système.
En travaillant sur des applications qui repoussent les limites des onduleurs traditionnels, nous avons développé une approche fondée sur une question différente : plutôt que de concevoir un convertisseur plus puissant à chaque nouveau projet, comment faire fonctionner ensemble, avec une parfaite synchronisation, plusieurs unités de conversion de plus faible puissance ?
De deux onduleurs en parallèle à des systèmes de conversion multi-modules
Le point de départ était un cas d’application spécifique : un moteur synchrone à aimants permanents montés en surface (SM-PMSM) triphasé double (2 × 3 phases), d’environ 250 kW, avec une fréquence de découpage de 8 kHz.
La solution retenue consistait à faire fonctionner deux onduleurs de 180 kVA en parallèle, pilotés par un système de contrôle Maître-Esclave à double carte électronique.
Dans cette architecture, la carte Maître collecte les informations d’état de la carte Esclave, calcule les consignes de commande pour les deux convertisseurs, puis les transmet à l’Esclave via un système propriétaire de communication haute fréquence. La carte Esclave reçoit ces consignes et ferme sa propre boucle de contrôle de manière indépendante.
Le résultat est un système de conversion multi-modules synchronisé et coordonné, capable de délivrer jusqu’à 360 kVA en réutilisant un matériel existant, sans avoir à développer un convertisseur de plus forte puissance à partir de zéro.
Cette architecture propriétaire s’applique aussi bien aux entraînements électriques utilisant des moteurs multiphasés (6 phases, 2 × 3) qu’aux configurations de forte puissance (supérieures à 1 MW) nécessitant plus de deux modules montés en parallèle.
Les avantages ne se limitent pas à la montée en puissance. L’utilisation de modules identiques apporte une redondance matérielle : en cas de défaillance d’une unité, le système peut continuer à fonctionner à puissance réduite. Cette approche permet également de diminuer le coût global par rapport à des convertisseurs monolithiques de grande puissance, en particulier au-delà de 0,5 MW.
Le « goulot d’étranglement » que les architectures traditionnelles ne parviennent pas à résoudre
La mise en parallèle de plusieurs onduleurs n’est toutefois pas une opération techniquement simple.
Le principal défi n’est pas la puissance, mais la synchronisation des communications entre les différents modules.
Dans une architecture Maître-Esclave classique, le Maître doit ouvrir un canal de communication dédié vers chaque Esclave. Même avec seulement six modules, ce nœud central devient rapidement le goulot d’étranglement de l’ensemble du système :
- N ports matériels sont nécessaires ;
- N canaux de communication bidirectionnels doivent être gérés ;
- Le Maître devient un composant spécifique qui ne peut pas être interverti avec les Esclaves ;
- L’ajout ou le retrait de modules impose une refonte matérielle.
La question que nous nous sommes posée était donc la suivante : comment faire évoluer un système parallèle au-delà de deux modules sans que sa complexité n’augmente de manière exponentielle ?
La réponse a été une topologie en bus en anneau (ring bus), composée d’un unique Maître et de plusieurs Esclaves, dans laquelle chaque module ne possède que deux ports unidirectionnels : un pour la réception et un pour la transmission.
C’est sur cette architecture que nous avons développé notre solution propriétaire.
Communication synchrone distribuée : la solution propriétaire de Prima Electro
Le système de communication haute fréquence que nous avons développé fonctionne jusqu’à la fréquence de découpage des convertisseurs, permettant de connecter en parallèle un nombre N d’onduleurs sans subir les contraintes des architectures centralisées.
La distinction entre Maître et Esclave n’existe qu’au niveau du logiciel embarqué (firmware). Le matériel est rigoureusement identique pour tous les modules, ce qui permet une reconfiguration directement sur le terrain ainsi qu’une montée en capacité progressive sans modification du câblage.
Le principal défi technique réside dans la gigue de synchronisation (synchronization jitter). Tous les étages de puissance doivent commuter selon une référence temporelle identique afin de garantir une modulation PWM parfaitement synchrone et de préserver les bénéfices de la commutation simultanée entre les cellules de conversion.
Avec la solution développée par Prima Electro, la gigue de propagation de cette référence temporelle est négligeable au regard de la période de commutation.
La communication s’effectue au moyen d’une liaison différentielle galvaniquement isolée ou d’une liaison par fibre optique, afin de minimiser les perturbations électromagnétiques (EMI). L’ensemble repose sur un microcontrôleur du commerce associé à un firmware dédié.
Cette solution fait actuellement l’objet d’une demande de brevet.