Chapitre II Topologies d’onduleur à tolérance de panne
II.9 Synthèse comparative des topologies
II.9.4 Fiabilité et disponibilité
La fiabilité est l’aptitude d’une entité à accomplir une fonction requise, dans des conditions et pour une durée données. C’est une caractéristique des convertisseurs déterminante pour respecter les spécifications imposées aux équipements et donc un critère important pour la comparaison des topologies. Les redondances introduites dans les onduleurs occasionnent implicitement un accroissement du taux de défaillance. Par conséquent, le temps moyen entre défaillances, ou MTBF (Mean Time Between Failure), est réduit par rapport au convertisseur de référence. Par contre ces topologies permettent une amélioration de la disponibilité, qui est la probabilité moyenne qu’une entité puisse accomplir une fonction requise dans des conditions et à un instant donnés [RIC04].
Il est proposé ici de comparer la fiabilité prévisionnelle des différentes topologies (Tableau II-5). Pour cela, un arbre de défaillance simplifié est établi pour chacune (figure II.81) : dans ces diagrammes de fiabilité, une association série représente une somme des taux de panne (condition ET) tandis qu’une association parallèle traduit l’indépendance des taux de panne (condition OU).
Topologies d’onduleur à tolérance de panne
figure II.81 : arbres de défaillance des topologies d’onduleur
Pour chaque topologie, il est estimé un taux de défaillance équivalent ond, qui est la probabilité moyenne de panne active par heure de vol. La seconde grandeur calculée est le taux de défaillance interne au convertisseur d, qui représente la probabilité d’occurrence de la première défaillance en marche normale. Il convient de rappeler que les applications numériques sont effectuées essentiellement pour permettre une comparaison relative ; les grandeurs absolues ne sont pas représentatives car elles ne sont pas corrélées aux conditions de fonctionnement des composants dans leur environnement. Les définitions et les différentes hypothèses de calcul sont récapitulées ci-dessous.
• Une panne active est une panne qui ne peut pas rester sur un avion plus longtemps que la durée du vol. Elle est, de par ses conséquences, toujours détectée avant le prochain vol. Dans le cas de l’onduleur, il est considéré ici qu’il s’agit simplement de la perte de la fonction assurée.
• Une panne passive (ou cachée) caractérise une panne qui, en mode simple, n’a pas d’effet décelable sur le fonctionnement de l’avion et ne peut être détectée par une surveillance [AM2616]. Elle ne peut être détectée et réparée que par une tâche de maintenance (test avant chaque vol ou intervention préventive) : l’intervalle de temps (en heures de vol) entre deux tâches de maintenance est noté TM, il est nécessairement supérieur ou égal à la durée du vol T0 (A.N. : TM=1000h, T0=8h).
• Les différents modes de panne sont indépendants.
• Les pannes triples ont une probabilité d’occurrence suffisamment faible pour pouvoir être négligées par rapport aux pannes simples et doubles.
• Les défaillances répondent à une loi de probabilité exponentielle (e t) et le taux de défaillance est donc constant dans le temps (processus de nature aléatoire) ; par conséquent, les défaillances ayant pour cause un défaut intrinsèque (qualité) ou un processus de
Chapitre II
• Les défaillances considérées ici sont limitées aux interrupteurs semi-conducteurs de l’onduleur et elles sont supposées complètes et permanentes (défaillances catalectiques). Le taux de panne d’un bras d’onduleur avec son driver est noté C (A.N. : C=10-5/hdv). La défaillance de type haute impédance d’un interrupteur d’isolement est associée à un taux Ico (A.N. : Ico=10-7/hdv). La somme de ces deux valeurs est notée B, elle représente le taux de perte fonctionnelle d’un bras d’onduleur.
• Comme il n’est pas considéré de surdimensionnement pour le fonctionnement secours, les taux de panne sont identiques à ceux pris en compte pour le fonctionnement normal. Par contre, dans le cas de l’onduleur 4 bras avec neutre relié, l’impact de la majoration du courant dans le bras secours sur la fiabilité est introduite par le coefficient a (cf. figure II.81).
• Le calcul du taux de défaillance d du convertisseur ne tient compte que des interrupteurs qui conduisent le courant, la contribution des autres interrupteurs étant supposée faible.
Comme les interrupteurs d’isolement fonctionnent essentiellement en régime de conduction, leur taux de défaillance IS est supposé petit devant B (A.N. : IS=10-6/hdv).
La tolérance de panne apporte une continuité de fonctionnement en cas de défaillance, à condition que le convertisseur puisse être reconfiguré. Le fonctionnement secours est donc associé dans les arbres de défaillance à une panne cachée PC (A.N. : PC=10-7/hdv), qui traduit en réalité le taux d’échec de la reconfiguration. Il est supposé que cette notion de panne cachée couvre l’ensemble des cas susceptibles d’empêcher le fonctionnement secours.
Par exemple, la protection de court-circuit intégrée dans le driver d’un IGBT n’intervient qu’en cas de reconfiguration ; si elle est défaillante, le confinement de ce type de défaut est compromis et par voie de conséquence le fonctionnement secours également. De même, la défaillance de type basse impédance d’un interrupteur d’isolement constitue une panne cachée si elle n’est pas détectable en fonctionnement normal, car elle ne permet plus l’isolement du bras concerné et donc la reconfiguration du convertisseur. Dans les topologies à 4 bras, le terme BS représente la panne cachée du bras additionnel ainsi que du dispositif d’isolement associé1.
D’autre part, en définissant TS comme la durée pendant laquelle il est admis de maintenir le fonctionnement secours, une défaillance dans le convertisseur en fonctionnement normal peut être formalisée mathématiquement comme une panne cachée dont la durée maximale entre réparation vaut TS (A.N. : TS=1000h). A titre d’exemple, le taux de panne équivalent d’un bras d’onduleur ( B) en redondance active avec un second bras ( B PC) est formulé selon l’équation suivante :
+ + +
⋅
= 2
T T 2
T
T S M
PC 0 S B
B (II-36)
TM est l’intervalle de temps entre chaque maintenance permettant la détection d’une panne cachée PC.
1 Pour l’onduleur 4 bras avec neutre relié, il est supposé que le bras additionnel est inactif en fonctionnement normal ; ainsi, pour ces topologies à redondance passive, le bras secours est peu contraint car chaque interrupteur ne supporte que la moitié de la tension continue et ne commute pas. Le taux de défaillance associé est donc
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Topologies d’onduleur à tolérance de panne
Topologies ond A.N. (hdv-1) d
Onduleur triphasé B 3.10-5 B=3.10-5
Onduleur 6 bras
parallélisés
+ + +
⋅ 2
T T 2
T
T S M
PC 0 S B
B 3,1.10-7 B+6 IS=6,6.10-5
Onduleur 4 bras
redondant ( )
+
+ + +
⋅ 2
T T 2
T
3 B TS 0 PC BS S M
B 4,6.10-7 B+3 IS=3,3.10-5
Onduleur 4 bras à
neutre relié ( ) ( )
+
+ + +
⋅ +
⋅ 2
T T 2
T a T
2 B S 0 PC BS S M
B 4,6.10-7 B+3 IS=3,3.10-5
Onduleur double + + +
⋅ 2
T T 2
T
T S M
PC 0 S B
B 12,1.10-7 B+3 IS=6,3.10-5
Redondance
onduleur-bobinage
+
+ +
⋅ 2
T T 2
T
T S M
PC 0 S B
B 9,1.10-7 B+4 IS=6,4.10-5
Tableau II-5 : taux de défaillance et taux de panne des topologies d’onduleur
figure II.82 : taux de défaillance et taux de panne des topologies d’onduleur
Les applications numériques pour les topologies à tolérance de panne sont répertoriées à la figure II.82.
• La topologie présentant la plus grande disponibilité est naturellement l’onduleur à bras parallélisés (1) puisqu’il peut tolérer jusqu’à 3 pannes : le taux de panne est réduit de 2 décades par rapport à la topologie de référence.
• Si, de par la construction de la fiabilité adoptée, la tolérance à une seule panne semble suffisante, les topologies à 4 bras (2,3) présentent alors un meilleur compromis entre taux de panne et taux de défaillance, ce dernier étant directement lié à la quantité de composants.
• La topologie onduleur double (4) présente un taux de panne et un taux de défaillance accrus par le nombre de bras d’onduleur qu’elle comporte. Le gain en disponibilité par rapport à la topologie de référence est nettement moins intéressant.
Chapitre II
Bien que le fonctionnement secours ait été ici formalisé mathématiquement à travers une panne cachée, en réalité la panne ayant occasionné la reconfiguration a dû être identifiée.
La tâche de maintenance est donc fortement facilitée par la connaissance du diagnostic. Or, en considérant non pas la disponibilité fonctionnelle mais plutôt la disponibilité au niveau de l’exploitation d’un équipement, la maintenabilité de celui-ci est alors un paramètre important [ZWI95].
réparation de
moyen temps e défaillanc non
de moyen temps
e défaillanc non
de moyen temps ité
Disponibil
= + (II-37)
Les éléments de surveillance et d’aide au diagnostic constituent donc un vecteur d’amélioration de la maintenabilité et de la disponibilité des systèmes, pouvant favoriser une baisse des coûts d’exploitation et une sûreté accrue de ceux-ci.
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