Optimisation de l’alimentation des machines

Principe de la commutation électronique

La commutation électronique désigne le fait que des interrupteurs d’électronique de puissance sont utilisés pour faire évoluer dans le temps les séquences de fonctionnement d’une machine. Il diffère du contact mécanique balai/collecteur utilisé classiquement dans le cadre des machines à courant continu. L’objectif de ces deux modes d’alimentations est d’obtenir deux flux (induit et inducteur ou stator et rotor) en quadrature dans le but de maximiser le couple. En effet, en reprenant l’expression [2.1] de la force de Laplace, on obtient la norme la plus élevée quand le produit vectoriel, entre la direction du courant et l’induction est le plus grand, ce qui correspond alors à des flux orthogonaux. Nous décrirons donc le fonctionnement des machines à courant continu avant de montrer comment il est possible de remplacer le contact mécanique par une commutation électronique.  

La machine à courant continu

Les machines à courant continu sont réalisées à partir d’une partie fixe, l’inducteur et d’une partie mobile l’induit. Optimisation de l’alimentation des machines Comme évoquu chapitre 1, en présence de forme d’onde de FEM trapézoïdale, l’alimentation de la machine par des courants ayant des formes adaptées permet (à pertes équivalentes) d’augmenter la puissance de celle-ci. Le gain théorique maximum pouvant être atteint, à pertes identiques, est de 41% si l’on compare à une machine où les formes d’ondes de courant et de FEM sont parfaitement sinusoïdales. Nous allons dans ce chapitre regarder l’impact des formes d’ondes (i.e. l’utilisation des harmoniques) sur la densité de couple des machines électriques. Il sera alors possible d’adapter les designs pour les rendre plus avantageux. En effet, les modifications induites par le choix d’une alimentation différente peuvent réduire les contraintes de dimensionnement et permettre de s’intéresser à des concepts de machines différents de ceux que l’on rencontre actuellement. Le cas idéal consisterait à être en présence de forme d’ondes dites rectangulaires ; identiques à celles rencontrées dans le cadre des machines à courant continu, qui sont des machines connues pour leur puissance massique élevée et adaptées aux applications où le couple en jeu est élevé. Dans un premier temps, en se basant sur le principe de fonctionnement de la machine à courant continu et en l’adaptant aux machines à courant alternatif où l’utilisation du contact collecteur/balai sera remplacé par une commutation électronique. Une topologie de machine, reposant sur ces principes, est déjà rencontrée dans de nombreuses applications (robotique, aéronautique, informatique, électroménager…) utilisant des formes d’ondes de FEM trapézoïdale, elle sera présentée. L’alimentation de cette machine, où les puissances rencontrées dépassent rarement 10kW, est réalisée avec des courants constants sur 120° électrique. Le gain sur la puissance massique attendue étant dans ce cas de 15%. Son utilisation est limitée à cause de la qualité du couple qu’elles peuvent délivrer. La recherche d’autres solutions nous a conduits à des machines où les harmoniques de couple sont encore plus importants. Pour atténuer cet handicap des solutions, permettant de réduire les harmoniques de couple, sont étudiés. Deux solutions sont proposées dans ce but, la première qui consiste à se tourner vers des machines polyphasées, et la seconde qui adapte les courants d’alimentation des machines triphasées. Nous terminerons ce chapitre en présentant des solutions innovantes qui reposent sur l’utilisation des harmoniques de FEM et la modification des formes d’ondes des courants d’alimentation. Nous verrons alors qu’il est possible de se tourner vers des designs où l’électronique de puissance et la partie électromagnétique sont rassemblées au sein d’une même structure, le but étant d’avoir des systèmes compacts et par conséquent des puissances massiques plus importantes que les systèmes actuels quand la machine nécessite l’alimentation par un variateur de vitesse. 

Principe de la commutation électronique

La commutation électronique désigne le fait que des interrupteurs d’électronique de puissance sont utilisés pour faire évoluer dans le temps les séquences de fonctionnement d’une machine. Il diffère du contact mécanique balai/collecteur utilisé classiquement dans le cadre des machines à courant continu. L’objectif de ces deux modes d’alimentations est d’obtenir deux flux (induit et inducteur ou stator et rotor) en quadrature dans le but de maximiser le couple. En effet, en reprenant l’expression [2.1] de la force de Laplace, on obtient la norme la plus élevée quand le produit vectoriel, entre la direction du courant et l’induction est le plus grand, ce qui correspond alors à des flux orthogonaux. Nous décrirons donc le fonctionnement des machines à courant continu avant de montrer comment il est possible de remplacer le contact mécanique par une commutation électronique.  L’inducteur génère un champ fixe comme présenté Figure 4.1 et ce champ est obtenu à partir d’aimants permanents ou d’électroaimants alimentés par des courants continus ou quelque fois par la combinaison des deux. L’induit est réalisé à partir d’enroulements reliés à un collecteur. L’inversion du sens des courants parcourant les encoches, qui est effectuée par la rotation, permet de conserver un champ ayant une direction figée vue par l’inducteur comme décrit Figure 4.2. Figure 4.1 Schéma de l’inducteur et des lignes de champs, avec électroaimants (à gauche) et aimants (à droite) Figure 4.2 Schéma de l’induit et des lignes de champs Le bobinage de l’induit est réalisé de manière à avoir tous les enroulements en série et entre chacun une connexion est réalisée au collecteur par les balais. De cette manière quand l’une des lames du collecteur est alimentée, le courant se sépare entre les 2 enroulements connectés à ce collecteur. L’alimentation de l’induit se fait par l’intermédiaire de balais en carbone qui viennent frotter sur le collecteur, d’où la nécessité d’un contact mécanique entre les parties fixes et les parties mobiles pour réaliser l’alimentation. Une illustration des connexions entre les enroulements du bobinage et de la distribution des courants est donnée Figure 4.3 pour une machine 2 pôles avec 2 encoches par pôle et un pas de raccourcissement d’une encoche. Figure 4.3 Bobinage et alimentation de l’induit .Des « astuces », au niveau de la réalisation de la machine, peuvent être utilisées dans le but d’améliorer leur fonctionnement. Par exemple, il est généralement utile d’utiliser un nombre d’encoches par pôle d’induit de 5 ou 7 pour minimiser les impacts des commutations sur les ondulations de couple et il est coutume d’utiliser des pôles supplémentaires. Ces pôles ont globalement deux fonctions, comme expliqué dans ce qui suit. • Les pôles d’aide à la commutation : ce sont des pôles supplémentaires qui permettent d’améliorer la commutation, le but étant de limiter l’énergie (arc électrique) qui doit être dissipée à la fin de la commutation. Ces pôles sont placés sur la partie fixe, entre deux pôles inducteurs, à l’endroit où sur l’induit le courant dans les enroulements s’inverse. Leur rôle est de compenser les effets inductifs pour améliorer le passage du courant d’une valeur négative à une valeur positive. On peut voir sur l’allure du courant donnée Figure 4.4 l’impact de ces pôles sur la commutation au moment où le courant dans l’enroulement s’inverse. Figure 4.4 Influence du pôle d’aide à la commutation sur le courant dans l’enroulement d’induit Un bon réglage de la position du pôle est néanmoins nécessaire pour que la commutation se passe sans arc. • Les pôles de compensation de la réaction d’induit : le niveau d’induction dans les parties ferromagnétiques de l’inducteur varie et cela est notamment dû à la présence du champ de l’induit, ce qui déforme les lignes de champ comme décrit Figure 4.5. Pour avoir des lignes de champ rectilignes, on ajoute au niveau de l’alésage de l’inducteur des encoches parcourues par des enroulements identiques aux enroulements de l’induit, autrement dit ayant les mêmes Ampères-tours que les pôles de l’induit. Figure 4.5 Impact de la réaction d’induit sur les lignes de champ, avec pôles de compensation de réaction d’induit (à gauche), sans (à droite) D’ailleurs, en général, on garde des enroulements ayant le même nombre de tour que les enroulements de l’induit et on place en série avec l’induit les pôles auxiliaires (commutation et réaction d’induit) pour qu’ils soient parcourus par le même courant et ne nécessitent pas de source supplémentaire. La localisation de ces pôles est indiquée Figure 4.6. Figure 4.6 Photos d’une machine à courant continu (insertion de l’induit) L’un des moyens mis en œuvre pour alimenter une machine à courant continu est donné Figure 4.7 : il nécessite l’utilisation de deux sources indépendantes. Ce montage est couramment appelé machine à courant continu à excitation séparée. D’autres montages existent, il est également possible de placer en série l’induit et l’inducteur ou d’avoir d’autre montages (excitation série, shunt ou compound) [D3555]. Figure 4.7 Alimentations indépendantes des machines à courant continu Le contact mécanique entre le balai et le collecteur, et le choix du transport en courant alternatif, a conduit petit à petit à réduire l’utilisation des machines à courant continu pour les applications de fortes puissances, la technologie reste utilisée pour certaines applications comme des actionneurs dans l’automobile. Néanmoins, la densité de couple élevée de ces machines a initié l’étude de solutions à commutation électronique. 

La commutation électronique remplace le contact Balai/Collecteur

Dans une machine à courant continu la commutation des courants est effectuée grâce à la rotation et au passage du balai d’un collecteur au collecteur suivant. Le frottement entre les 2 parties conduit à l’usure des balais qui doivent être remplacés périodiquement. Pour que le contact soit bien réalisé, même quand les balais sont usés, on applique généralement une force sur les balais (ressort qui pousse sur les balais) qui permet d’augmenter le temps entre 2 opérations de maintenance. Le réglage des pôles d’aide à la commutation n’est pas une chose facile à réaliser, il est donc difficile de garantir que les commutations se passent sans arc électrique. La présence d’arc peut également limiter les applications de ce type de machine (par exemple pas d’utilisation en présence de gaz inflammable). D’autres inconvénients comme le bruit (dû aux frottements) et la présence de poussière (à cause de l’usure des balais) limitent les applications de ce type de machine. Le but de la commutation électronique est d’éviter les arcs et les contacts mécaniques. Pour cela, le passage d’un collecteur au suivant va être remplacé par la conduction d’un interrupteur électronique de puissance à un autre qui va permettre d’inverser le sens du courant dans une partie des enroulements. Pour effectuer cette opération il n’est plus nécessaire d’utiliser la rotation mais des circuits de commande séquencés en fonction de la position du rotor. Il est alors plus facile d’utiliser les interrupteurs pour alimenter la partie fixe et de réaliser un champ tournant au lieu d’un champ fixe dans l’induit (qui devient le stator).  Il faut néanmoins réaliser un autre champ. Ce champ doit être un champ « fixe » placé sur une partie mobile. Il peut alors être réalisé à partir d’aimants ou d’enroulements. On retrouve alors une machine proche des machines synchrones décrites au chapitre 2, la différence provenant de la forme d’onde des courants d’alimentation. Le bobinage du stator de la machine peut alors être réalisé comme celui des enroulements de l’induit. Et dans ce cas, il suffit d’actionner un interrupteur par pôle de la machine pour réaliser l’alimentation. En partant de la Figure 4.3 et en remplaçant les collecteurs par des interrupteurs on obtient le schéma de bobinage du stator qui est donnée Figure 4.8. Figure 4.8 Bobinage du stator d’une machine 2 pôles à commutation électronique Au moment des commutations, l’inductance des enroulements va impacter le temps nécessaire à la variation de courant, ce phénomène sera contraignant. 

Contraintes des commutations : les ondulations de couple

Dans les 2 cas (mécanique ou électronique) la commutation consiste en l’inversion du courant dans l’un des enroulements, plusieurs commutations simultanées peuvent également être nécessaires. Pendant la commutation, il y a des enroulements qui sont court-circuités comme on peut le voir Figure 4.9. Figure 4.9 Description de la commutation La commutation est un phénomène qui introduit des perturbations dans le système. En effet, elle induit des ondulations de couple du fait que l’inversion du courant ne se fait pas de manière instantanée. La fréquence de ces ondulations dépendra du nombre d’encoches par pôle. Quand celui-ci est impair, la commutation d’un enroulement est réalisée pour chaque séquence de commutation. Dans le cas d’un nombre pair, deux enroulements verront leurs courants s’inverser simultanément ce qui augmentera l’impact sur le couple de la machine. Il est possible de changer l’instant de la commutation pour que l’impact soit moindre sur le couple au moment des commutations comme abordé dans [Mul04]. La précision de la détermination de l’instant de passage de la FEM d’une valeur positive à une valeur négative est nécessaire pour savoir à quel moment il faut lancer le processus de commutation. L’utilisation de la commutation électronique devient intéressante quand des formes d’ondes trapézoïdales de FEM sont rencontrées dans le but d’augmenter la densité de couple. Des solutions reposant sur ce mode de commutation vont être abordées en commençant par la machine « brushless DC ».