Développement d’une machine asynchrone double alimentation de rapport 1 : présentation des travaux et discussions autour de cette architecture.

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23548
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Développement d’une machine asynchrone double alimentation de rapport 1 : présentation des travaux et discussions autour de cette architecture.

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Les lanceurs à rail pour applications de défense La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 20 Développement d’une machine asynchrone double alimentation de rapport 1 : présentation des travaux et discussions autour de cette architecture. SYLVAIN GUEMARD, LAURENT CASSIN EN MOTEURS (groupe ECA), Couëron, France 1. Introduction Les accélérateurs L’objectif de ces travaux était d’évaluer la chaine propulsive dans son ensemble : composant de puissance SiC, convertisseur et machine MADA, celle-ci présentant un intérêt majeur pour la propulsion électrique en milieu militaire. Seuls les travaux sur le moteur sont ici présentés. La machine MADA est constituée d’un stator et d’un rotor triphasé. Cette machine est très largement utilisée dans les domaines de la génération d’énergie électrique à vitesse variable grâce au pilotage qu’offre l’alimentation du rotor, permettant ainsi une stabilité de la tension (énergie éolienne, hydrolienne [1], [2]). Le ratio de puissance est de l’ordre de 1/3 entre rotor et stator. L’originalité de la structure étudiée ici réside dans la possibilité de pouvoir connecter deux convertisseurs statiques sur le même bus DC, de piloter de façon indépendante le stator et le rotor et de conserver un ratio de puissance entre les deux armatures le plus proche possible de 1. Figure 1 : Architecture de l'alimentation de la MADA 2. Mise en équation De façon générale, la puissance électromagnétique de la MADA peut s’exprimer comme le produit du flux stator φs, du flux rotor φr et de l’angle γ entre ces deux flux. Pem = K. ΦS. ΦR. (ωs − ωr). sin γ ω = ωs − ωr Avec K un facteur dépendant des paramètres géométriques et du bobinage, ωs/ωr la pulsation stator/rotor et ω la pulsation mécanique. Compte tenu du mode de fonctionnement, le modèle électrique de la machine est un circuit R, L, E (avec R la résistance, L l’inductance et E la force électromotrice (FEM)) [3] Figure 2 : Schéma équivalent monophasé Suite au développement d’un logiciel de calcul en interne, une phase de validation par éléments finis a été conduite et a démontré la fiabilité du modèle analytique. Figure 3 : Résultat simulation numérique 2D 3. Réalisation et résultats essais Le projet a été décomposé en plusieurs étapes dont l’étude et la réalisation de deux prototypes : quelques dizaines de kW puis plusieurs centaines de kW. Figure 4 : photos des réalisations L’étude détaillée de la première maquette a été réalisée suivant une géométrie à 6 pôles. Pour l’étude de la seconde machine (la plus puissante), une optimisation des dimensions du circuit magnétique a été menée en comparant les polarités de 6 à 24 pôles pour diminuer sa masse et rester proche de moteurs industriels (avec les mêmes performances électromécaniques). L’optimum masse/rendement retenu ici est de 16 pôles. Le ratio de puissance de 1 entre stator et rotor entraine des pertes importantes au rotor et la mise en place d’une solution performante pour le refroidissement du Résumé : une grande partie des Machines Asynchrones Double Alimentation (MADA) sont employées en mode génératrice dans les applications éoliennes. Cet article propose l’utilisation de la MADA dans un périmètre de fonctionnement plus large, notamment en mode moteur, avec un ratio de puissance égal à 1 entre le stator et le rotor, offrant ainsi un certain nombre d’avantages, notamment dans les applications de propulsion basse vitesse ou systèmes contrarotatifs. Développement d’une machine asynchrone double alimentation de rapport 1 La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 21 rotor. EN Moteurs a réalisé une architecture évoluée en développant et en réalisant un rotor cloche avec une double enveloppe. La conception multicouche retenue permet d’augmenter la puissance volumique. Figure 5 : Réalisation d'un rotor cloche Les essais réalisés ont permis de montrer la possibilité de fournir 50% du couple par le stator et 50% du couple par le rotor et de valider le fonctionnement du moteur avec deux convertisseurs identiques pour 100% de la puissance. Figure 6 : Mesure du couple et de la température rotor. La caractérisation de la température rotor a été possible grâce au développement spécifique d’un système d’acquisition sans fil basé sur la technologie wifi. 4. Avantages et limites de la structure Les avantages d’une telle architecture sont : - un fonctionnement à basse vitesse avec des fréquences électriques élevées, ce qui limite la taille des circuits magnétiques et des convertisseurs. - de pouvoir assurer un fort niveau de redondance en cas de défaillance. - de limiter voire d’annuler des résistances de freinage sur le bus DC. - de pouvoir travailler dans les quatre cadrans et de ce fait en mode générateur (fonctionnement actuel des éoliennes). - de rester dans des masses similaires aux solutions asynchrones. - de pouvoir augmenter la plage iso-couple pour les mêmes fréquences d’alimentation. En revanche, ce type de moteur présente des contraintes à prendre en compte : - la partie tournante doit accueillir une alimentation en eau et une alimentation électrique, ce qui complexifie l’intégration, la maintenance et impacte nécessairement la masse de l’ensemble. - Par rapport aux structures conventionnelles, l’effet de double alimentation augmente le risque d’avoir des vibrations magnétiques plus importantes. Par ailleurs, les cos phi stator et rotor sont plus faibles. De ce fait, le rendement de ce type de machine est donc plus faible. - Par nature, la géométrie ne peut pas être strictement identique entre le stator et le rotor ce qui entraine une non égalité parfaite sur les grandeurs électriques quel que soit la loi de commande associée. 5. Conclusion et perspectives Si les avantages avec ce type de MADA sont nombreux, il n’en reste pas moins que des solutions plus complexes doivent être mises en œuvre. Les contraintes se trouvent transférées sur la machine mais l’augmentation de la puissance et des polarités permet de limiter leurs impacts sur l’encombrement final de la machine. La MADA doit donc être vue dans son système complet pour pouvoir juger des gains réels. Cette machine peut ainsi être employée dans des applications basse vitesse (propulsion navire, énergies renouvelables) ou contrarotatives pour gagner sur les rendements hydrodynamiques (en libérant le stator). La suite des travaux consisterait à travailler sur une de ces applications ainsi que d’évaluer les performances acoustiques et vibratoires de façon à pouvoir l’implémenter ultérieurement dans un environnement militaire. 6. Remerciements Ce travail a été conduit par EN Moteurs (groupe ECA) dans le cadre d’un projet DGA, en collaboration avec le consortium regroupant CIRTEM, ECA, IBS, le laboratoire AMPERE et le laboratoire LAPLACE. 7. Références [1] Seifeddine BENELGHALI, « Modélisation et commande d’une hydrolienne équipée d’une génératrice asynchrone double alimentation. » 2012. [2] Frederic POITIERS, « Etude et commande de génératrices asynchrones pour l’utilisation de l’énergie éolienne. » 2003. [3] Nicolas PATIN, « Modelling and Control of a Cascaded Doubly-Fed Induction Generator based on Dynamical Equivalent Circuits.» 2008.