4 mesures de puissance indispensables pour tout navire électrifié

Un navire électrifié est un groupe motopropulseur entouré d’une coque. Des générateurs, des convertisseurs, un circuit intermédiaire en courant continu, des batteries, un moteur électrique, un arbre d’entraînement. Les mesures qui le caractérisent sont celles qu’un banc d’essai de groupes motopropulseurs électriques effectue depuis des années, mais à une puissance plus élevée, sur une plate-forme en mouvement, et en présence d’un inspecteur de classification chargé de relever les résultats.

Le règlement qui sous-tend ces résultats est suffisamment concis pour être énoncé d’un seul souffle. Les règles de classification limitent la distorsion de tension sur le jeu de barres principal à 8 %, et sur les navires équipés de filtres harmoniques, elles exigent une mesure en mer une fois par an. Les normes navales sont plus strictes, de l’ordre de 5 %, et elles évaluent l’alimentation lors d’un pas de charge plutôt qu’en régime permanent. Tout le reste relève de l’ingénierie.

Quatre mesures reviennent systématiquement : lors des essais de type, sur banc d’essai, pendant les essais en mer, puis à nouveau en service. Ces quatre mesures sont les mêmes, qu’il s’agisse d’un ferry à batterie, d’un remorqueur hybride ou d’un navire de guerre, et c’est grâce à elles qu’un analyseur de puissance conçu pour les groupes motopropulseurs électriques peut être installé sur un navire sans nécessiter de modification spécifique.

Cet article traite de l’analyseur de puissance Q.boost GPA100/101, un instrument à large bande : 4 MHz par canal et 1,7 MHz de bande passante, car un jeu de barres regorgeant de convertisseurs ne constitue pas un système sinusoïdal. Pour les installations qui le sont, comme un groupe électrogène alimentant un tableau de distribution, une interface photovoltaïque ou une interface de batterie, il existe une variante sinusoïdale, le GPA110/111 SL, avec un taux d’échantillonnage de 100 kS/s et un enregistrement en continu sur un SSD intégré. Les quatre mesures ci-dessous sont identiques dans les deux cas ; les chiffres correspondent à ceux du GPA100/101.

1. Mesurer la qualité de l’énergie sur un jeu de barres comportant de nombreux convertisseurs

Le jeu de barres principal d’un navire est alimenté par des équipements qui commutent le courant. Chaque variateur, chaque convertisseur et chaque interface de batterie réinjecte dans le réseau un courant qui n’y était pas auparavant, et c’est la somme de ces courants que limite la règle de classification.

Les mesures dont vous avez besoin ne se résument pas à un simple chiffre. Il s’agit de la tension et du courant efficaces, de la puissance active, apparente et réactive, du facteur de puissance et de la distorsion harmonique totale, le tout sur les trois phases au même instant, mis à jour pendant le fonctionnement de l’installation plutôt que calculés a posteriori.

Deux facteurs déterminent si la distorsion que vous mesurez est réelle. Le premier est la bande passante. La commutation du convertisseur se situe bien au-dessus de la fondamentale, et les ordres harmoniques pris en compte par les normes modernes, jusqu’à la centième sur les circuits d’entrée actifs, se situent là où un instrument à bande étroite a déjà coupé la réponse. À 4 MHz par canal avec une bande passante de 1,7 MHz, l’Edge lui-même est encore capté, et pas seulement ses répercussions.

Le deuxième facteur est le bruit propre à l’instrument. Les entrées du GPA100 présentent un bruit de fond inférieur à −140 dB, avec une distorsion intrinsèque inférieure à 3 ppm. C’est la marge dont vous avez besoin lorsque la limite par rapport à laquelle vous effectuez vos tests est de 8 % et que vous devrez peut-être démontrer que la distorsion provient de l’installation et non de la mesure.

2. Mesurer le courant continu et le courant alternatif en une seule opération

Un réseau à courant continu présente des valeurs intéressantes des deux côtés du convertisseur, et un rendement n’a de sens que si ces deux valeurs ont été relevées au même instant.

L’analyseur dispose de quatre entrées haute tension jusqu’à ±1 500 V CC, isolées galvaniquement, et de quatre entrées pour des capteurs de courant. Les plages de mesure vont de ±500 mV à ±1 500 V, ce qui permet à un même appareil de traiter à la fois un signal de shunt et une barre omnibus du circuit intermédiaire sans nécessiter de module frontal différent ; de plus, chaque canal est isolé des autres, ce qui, à bord d’un navire, n’est pas un simple confort, mais la raison pour laquelle vous pouvez surveiller simultanément le circuit intermédiaire et les trois phases.

Un seul instrument permet donc de visualiser simultanément le côté courant continu et le côté courant alternatif, et le rendement de cet étage de conversion est exprimé par un seul résultat, plutôt que par deux mesures alignées a posteriori.

3. Mettez la puissance mécanique au même niveau que la puissance électrique

La puissance électrique absorbée ne représente que la moitié de la réponse. Ce pour quoi le propriétaire paie, c’est la poussée, et ce que le règlement de classe concernant les moteurs alimentés par convertisseur examine, c’est le rendement de la machine entre ces deux éléments.

Le GPA dispose de quatre entrées de fréquence et de compteur : deux pour les capteurs de couple à sortie de fréquence, deux entrées de compteur pour les capteurs de vitesse, avec une résolution allant de 0,1 Hz à 1 MHz et une précision de 0,01 %, direction de rotation comprise. Sur le GPA101, une option « résolveur » permet également de lire le résolveur intégré au moteur. La puissance mécanique est calculée directement, au sein du même appareil, à partir de la même acquisition, et n’est pas fusionnée ultérieurement à partir d’un deuxième système doté de ses propres horodatages. La puissance à l’arbre, la puissance électrique et le rendement entre ces deux grandeurs sont présentés sous la forme d’un seul enregistrement.

C’est ce protocole qui permet de comparer un essai en mer à un essai au banc d’essai. Le navire change, mais les mesures restent les mêmes.

4. Intégrez l’analyseur au banc dont vous disposez déjà

Une mesure inaccessible à quiconque n’est pas une mesure. Les résultats et les valeurs brutes sont transmis via EtherCAT et TCP/IP au GPA ; l’analyseur devient ainsi un nœud du banc d’essai plutôt qu’un deuxième îlot situé à côté de celui-ci.

Côté logiciel, l’approche est délibérément sobre. GI.bench fonctionne sous Windows et Linux. Une station Q.station HP dotée de 32 Go de RAM et d’un SSD de 1 To enregistre les données de fonctionnement lorsque personne ne surveille l’écran. Les données sont transmises via MATLAB, LabVIEW, OPC UA, MQTT, CAN et une API ouverte. L’instrument peut être monté dans un rack 19 pouces (4U) ou utilisé de manière portable dans un boîtier Q.brixx. La version de laboratoire et la version d’essai en mer correspondent au même instrument, présenté dans un boîtier différent.

Cela a son importance pour un aspect bien précis. Une évaluation des étapes de charge navale doit démontrer une récupération comprise entre ±16 % en 2 secondes. Il s’agit là d’une question portant sur les données brutes. Une valeur moyenne ne permet pas d’y répondre, et un système qui se contente d’exporter les résultats a déjà écarté les données probantes.

Les quatre mêmes mesures, un seul instrument

Ces quatre mesures ne proviennent pas du secteur maritime. Elles sont issues des essais menés sur les véhicules électriques et les systèmes de propulsion électriques, où les mêmes convertisseurs, les mêmes circuits intermédiaires à courant continu et les mêmes problématiques de rendement se sont posés une décennie plus tôt, et où l’analyseur de puissance Q.boost a été mis au point. Les navires ont augmenté la puissance et ajouté de l’eau de mer ; la tâche de mesure, quant à elle, est restée inchangée.

La conséquence pratique, bien que peu glamour, en vaut la peine : en effectuant l’essai en laboratoire et l’essai sur le terrain avec un seul et même instrument, vous comparez des chiffres plutôt que des méthodes.

Vous vous intéressez davantage à la chaîne de données qu’à la mesure de la puissance ? Consultez l’article complémentaire intitulé « Assurer la mesurabilité du navire ».