Entraînement électrique avec deux machines tolérantes aux défaillances

Dans ce chapitre, les topologies onduleurs-machines tolérantes aux défaillances choisies pour une application aéronautique ou aérospatiale sont présentées et analysées. Cette analyse prend en compte leur fonctionnement en mode normal et en mode dégradé afin d’évaluer l’impact du mode dégradé sur leurs performances et sur le dimensionnement de l’ensemble onduleur-machine. • Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) : les MSAP sont les machines électriques présentant la densité de couple la plus importante, réduisant ainsi le poids du système, malgré le fait qu’elles soient plus coûteuses à cause des aimants terre rare utilisés, mais aussi malgré une gestion a priori plus délicate en cas de défaut de court-circuit du fait de la présence de forces électromotrices. Machines avec un minimum de 6 phases : ce nombre minimum de phases a été choisi afin d’assurer le fonctionnement en mode dégradé et également pour respecter des valeurs maximales de courant et de tension supportées par des transistors (type IGBT) et disponibles pour les sources de tension de la fusée. La valeur de tension du bus DC est imposée.En prenant en considération ces critères communs, 3 topologies ont été étudiées plus en détail. Pour chaque topologie, le nombre de phases de chaque machine peut être supérieur à 6, mais, en raison du matériel disponible dans le laboratoire, tous les résultats présentés sont pour les topologies avec 6 phases. Au long du mémoire, certains aspects des topologies à 7 et à 8 phases sont néanmoins abordés de façon théorique.

Le choix d’une machine à 6 phases correspond également à une demande des industriels. Cette machine est celle dont le comportement ressemble le plus à celui d’une machine standard triphasée. Cela permet aux industriels de faire évoluer par des modifications mineures des machines triphasées existantes au lieu de concevoir de nouvelles machines à 7 ou 8 phases. Par exemple, les machines utilisées comme base pour les essais de cette étude sont des machines à 12 bobines et 8 pôles Le plus grand inconvénient de cette structure est évidemment le grand nombre de transistors nécessaire pour alimenter les machines, augmentant ainsi le poids et le volume de l’onduleur. En revanche, le contrôle de machines polyphasées avec cette structure est déjà assez présent dans La topologie HIMM (H-bridge Inverter of Multiple Machines) est une topologie où les deux machines électriques sont connectées en série et alimentées par 12 bras d’onduleurs et une source de tension (Figure 23). Comme évoqué précédemment dans la section 1.5.2, le fait de mettre électriquement en série deux machines mutualise les transistors, réduisant ainsi le nombre de transistors de moitié en comparaison avec la topologie Pont-H. Cependant pour que cette réduction du nombre de transistors se traduise en réduction de coût, poids et volume du système, le dimensionnement des transistors pour la topologie HIMM ne doit pas être beaucoup plus important que celui obtenu avec la topologie standard Pont-H.

Pour un système avec deux machines à 6-phases connectées en série, 2 connexions électriques différentes entre les machines sont possibles. Cependant, dans ce cas, le choix parmi les deux couplages possibles n’a pas d’impact sur le dimensionnement de l’onduleur. En augmentant le nombre de phases des machines, le nombre de connexions possible augmente également avec des solutions plus ou moins intéressantes. Cette différence est expliquée en détail dans la section 2.2.3 lors de la modélisation des topologies en série. Le contrôle de cette structure innovante est présenté juste après dans la section 2.2.4. Le fait d’avoir deux sources de tension isolées empêche la circulation des courants dit classiquement homopolaires dont l’ordre « harmonique » est « 0 » ou un multiple du nombre de phases. Cette même propriété est assurée en triphasé par l’usage d’un couplage en étoile sans neutre sorti. Cette contrainte d’annulation structurelle a peu d’impact sur le comportement du système en mode de fonctionnement normal, car la commande recherche en général elle-même un courant homopolaire nul9. Par contre cette annulation structurelle peut être très bénéfique en mode dégradé. Puisque les courants deviennent déséquilibrés, ces courants homopolaires peuvent atteindre des valeurs très élevées dans certains cas. Si la structure bloque naturellement la circulation de certains courants homopolaires, l’amplitude du courant de phase peut être naturellement limitée ; ceci est présenté plus en détail dans la section 2.4.