Brevet FR2899040A1 — publié le 20070928

SYSTÈME DE PUISSANCE COMPORTANT PLUSIEURS MACHINES SYNCHRONES AUTOPILOTÉES DE FAÇON SYNCHRONISÉE PAR UN CONVERTISSEUR ET PROCÉDÉ DE COMMANDE D'UN TEL SYSTÈME DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un système de puissance comportant plusieurs machines synchrones autopilotées de façon synchronisée par un unique convertisseur et un procédé de commande d'un tel système, notamment dans le domaine embarqué à bord d'un aéronef, par exemple d'un avion. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les tendances aéronautiques actuelles tendent vers l'avion plus électrique. Déjà sur certains avions l'un des trois circuits de commandes de vol, qui dans les générations précédentes étaient exclusivement hydraulique, est aujourd'hui électrique. Les moteurs hydrauliques sont alors remplacés par des actionneurs utilisant des machines synchrones à aimants permanents. La machine synchrone Le choix de telles machines synchrone est dû à ses nombreux avantages qui pallient certains inconvénients des machines a courant continu. En effet les machines synchrones à aimants permanents n'ont pas de collecteurs ni de systèmes de bagues et balais, qui sont source de problèmes mécaniques, d'usure prématurée lors d'utilisation a haute altitude, de perturbations... Ces machines peuvent être utilisées à des vitesses plus importantes et sont aussi plus robustes et plus fiables. Le flux rotorique étant fourni par les aimants, les rotors ne sont pas bobinés. Il n'y a donc pas de perr_es joules au rotor. Le poids du rotor étant aussi plus faible, l'inertie de ces machines se voit améliorée, et de plus fortes accélérations peuvent être obtenues. Ceci confère à ces machines synchrones une puissance massique qui leur est avantageuse. De plus ces machines peuvent fournir un couple à l'arrêt. Tous ces avantages ont un prix : Ces machines synchrones nécessitent une électronique plus évoluée et plus complexe. De plus l'ensemble convertisseur machine synchrone, qui remplace les solutions précédentes, est plus onéreux. Mais le compromis performance/coût est favorable à ces solutions dans de nombreuses applications aéronautiques. Le couple d'une machine synchrone résulte de l'interaction du champ magnétique tournant statorique et du champ rotorique. Dans le cas d'une alimentation par un onduleur, le champ d'induction statorique est un champ tournant à la vitesse imposée par la fréquence de l'onduleur. Dans le cas d'actionneurs à aimants permanents le rotor est constitué d'aimants a flux continus. En régime permanent, l'interaction de ces deux champs ne peut produire un couple que lorsque leur vitesse est identique. En régime permanent, il faut donc que les champs rotors et stators tournent à la même vitesse pour produire un couple. On parle alors d'accrochage. Or les variations de vitesse du champ statorique sont liées aux performances dynamiques de la source d'alimentation et celles du rotor sont limitées par les caractéristiques des parties tournantes liées à l'inertie. Ces deux caractéristiques dynamiques sont très différentes et le synchronisme entre champs rotor et stator est très difficile à maintenir. Un fonctionnement à fréquence variable en boucle ouverte présente donc de grands risques d'instabilité. Pour cela les applications utilisant des machines synchrones utilisent le principe de l'autopilotage afin de s'assurer d'une commande stable et d'imposer le synchronisme. La machine synchrone à aimants permanents doit donc être alimentée par une source de courant en phase avec la tension induite par la rotation du rotor. Une solution classique pour coordonner ces signaux consiste à utiliser un capteur de position. Dans ce cas l'onduleur alimente la machine synchrone qui entraîne un capteur de position. Ce capteur va générer trois sinusoïdes formant un système triphasé équilibré, qui seront traitées par une unité de commande pour piloter l'onduleur. Ceci permet de générer les signaux de consignes issus d'une régulation en phase avec les tensions induites et ainsi asservir le champ statorique au champ rotorique. Il est alors possible d'imposer l'angle entre ces deux champs, ce qui constitue une des grandeurs de réglage du couple. Dans le domaine aéronautique, la machine synchrone occupe donc une place de plus en plus importante dans la conception des actionneurs. De plus en plus de fonctions, qui utilisaient des moteurs hydrauliques, sont aujourd'hui remplacées par des actionneurs alimentés électriquement : ^ Soit par des actionneurs électrohydrauliques (EHA), où une pompe entraînée par une machine synchrone actionne un vérin hydraulique. Une telle solution a été adoptée pour le système de secours de certaines commandes de vols. Soit par des actionneurs électrohydrauliques (EBHA), où une pompe entraînée par une machine synchrone à aimants permanents recrée un réseau hydraulique local qui alimente à travers des servovalves les vérins hydrauliques d'un système complet. Une telle solution a été adoptée pour le système de freinage de certains avions. La puissance est fournie par le réseau électrique avec une conversion hydraulique à travers la pompe puis une conversion mécanique par le vérin. Les tendances futures qui émergent semblent converger vers des actionneurs électromécaniques (EMA) réalisant une conversion directe de l'énergie électrique à l'actionneur mécanique sans passer par un étage hydraulique. De nombreux systèmes en aéronautique utilisent plusieurs machines synchrones, ces systèmes associant aux différents moteurs des alimentations indépendantes et des structures de commandes propres à chacun. Un système classique se compose ainsi d'un onduleur triphasé par machine à piloter. Les systèmes multimachines Dans l'art connu il existe deux types de systèmes multimachines : les systèmes parallèles et les systèmes multionduleurs. La première catégorie d'alimentation multi machine est composée d'un onduleur triphasé standard qui alimente plusieurs machines asynchrones triphasées branchées en parallèle. L'onduleur impose alors le même système de tensions triphasées sur chaque machine : leurs fonctionnements sont alors identiques. Le nombre de composants de puissance pour alimenter les machines est alors réduit. La deuxième catégorie associe un onduleur triphasé à chaque machine asynchrone. L'ensemble des convertisseurs est alors alimenté par une source continue. Cette structure permet d'obtenir un fonctionnement totalement indépendant sur les machines car les systèmes de tensions triphasées sont générés par des onduleurs différents. Le nombre d'interrupteurs est alors maximal. Dans une structure de la première catégorie, illustrée sur la figure 1 et décrite dans le document référencé [1] en fin de description, le système associe deux machines asynchrones MAI et MA2 en parallèle, alimentées par un onduleur triphasé 10. Cet onduleur est constitué de trois bras utilisant des interrupteurs à trois segments bidirectionnels en courant et commandés à l'amorçage et au blocage. Ce document concerne le domaine de la traction ferroviaire, dans lequel les deux machines asynchrones entraînent une bogie de traction. En effet, un moteur asynchrone peut produire un couple électromagnétique constant sur une grande plage des vitesses de rotation. Ainsi, il est possible de garantir le même couple pour les deux moteurs similaires connectés en parallèle, même lorsque leurs vitesses sont différentes, par exemple dans un virage. Cela ne pose pas de problème dans le cas de traction ferroviaire, étant donné que la différence entre les vitesses des moteurs reste faible. En plus, les masses élevées des voitures ont comme conséquence des accélérations lentes. Alors, si le couple de charge appliqué à chaque moteur est identique, les moteurs auront le même comportement et le système aura un fonctionnement idéal. La mise en parallèle de deux machines asynchrones sur un onduleur impose deux systèmes triphasés identiques. Les machines sont liées et se voient imposer les mêmes tensions (fréquences et modules). Une telle structure, qui est particulièrement intéressante par son gain en nombre de semi-conducteurs, impose en régime permanent une vitesse identique sur toutes les machines connectées sur l'onduleur. Les composants de puissance doivent commuter le courant maximum d'une structure classique multiplié par le nombre de machines connectées en parallèle. Une telle mutualisation de l'onduleur, qui consiste à rendre communes des ressources de pilotage en puissance, se traduit par un dimensionnement différent de celui-ci afin qu'il puisse alimenter toutes les machines. Système multimachines aéronautiques Une telle structure pourrait être appliquée à certains systèmes multimachines aéronautiques qui ont plusieurs machines synchrones (deux ou quatre) qui tournent ou peuvent tourner à la même vitesse comme par exemple le système de volets. Mais se pose alors le problème technique de l'autopilotage. Il est, en effet, nécessaire de s'assurer du synchronisme des champs statorique et rotorique afin d'avoir un fonctionnement stable, la position du flux rotorique étant donnée par la position de la machine. Ce synchronisme est obtenu dans les actionneurs synchrones par autopilotage. Or il paraît délicat d'appliquer cet autopilotage sur deux machines synchrones en parallèle sur un seul onduleur. L'invention a pour objet de résoudre ce problème technique. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un système de puissance comportant au moins deux machines synchrones autopilotées travaillant en parallèle de façon synchronisée, caractérisé en ce qu'il comprend un convertisseur central triphasé sur lequel sont connectées en. parallèle toutes ces machines, et un dispositif de pilotage assurant la commande stable de ce système. Avantageusement ce système comprend au moins deux capteurs de position, chaque capteur de position étant disposé entre une machine synchrone et la charge correspondante, et un module de pilotage. Ce module de pilotage reçoit les courants de phase parvenant sur chaque machine synchrone, les signaux provenant des capteurs de position et une valeur de référence. Ce module de pilotage alimente le convertisseur central triphasé. Dans une variante de réalisation, le système comprend au moins deux modules de régulation correspondant respectivement à chaque machine synchrone et un sélecteur relié au convertisseur central triphasé permettant de sélectionner la machine à contrôler, et des moyens de comparaison de la position des machines synchrones recevant les signaux de sortie des capteurs de position. Avantageusement le convertisseur central triphasé est un onduleur trois bras. Le système de l'invention peut être un système embarqué. L'invention concerne également un procédé de commande d'un système de puissance comportant au moins deux machines synchrones autopilotées travaillant en parallèle de façon synchronisée, et un convertisseur central triphasé sur lequel sont connectés en parallèle toutes ces machines, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de sélection de la machine ayant le couple de charge le plus grand, par exemple en comparant la position des machines synchrones. L'invention peut être mise en oeuvre à bord d'un aéronef, par exemple un avion. L'invention concerne un aéronef comportant un système tel que défini ci-dessus, ainsi qu'un aéronef comportant un système susceptible de mettre en oeuvre le procédé tel que défini ci-dessus. Le type de mutualisation défini ci-dessus est applicable à tous les systèmes aéronautiques ayant au moins deux machines synchrones qui peuvent ou doivent tourner à la même vitesse, comme par exemple le système de volets, qui a la particularité de nécessiter une vitesse de sortie identique de tous les volets. Il est aussi possible d'appliquer ce type de mutualisation à d'autres systèmes comme le freinage ou le conditionnement: d'air. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS - La figure 1 illustre un système de l'art connu. La figure 2 illustre le système de l'invention. - Les figures 3 à 7 illustrent des variantes de réalisation du système de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 2 illustre le système de l'invention, dans lequel plusieurs machines synchrones, ici deux dénommées MS1 et MS2, sont connectées en parallèle sur un onduleur trois bras unique 20. A chaque machine MS1 et MS2 est associée respectivement une charge 21 et 22. Des capteurs de position respectifs 23 et 24 sont disposés entre chaque machine synchrone MS1 ou MS2 et la charge qui lui est associée 21 ou 22. Un module de pilotage 25, qui alimente l'onduleur 20, reçoit la valeur mesurée des courants de phase Il et I2 parvenant sur chaque machine synchrone MS1 et MS2, et des signaux provenant des capteurs de position 23 et 24, ainsi qu'une valeur de couple de référence Cref. Les deux machines synchrones MS1 et MS2 ont les mêmes tensions à leurs bornes. Leurs vitesses de rotation sont alors identiques en régime stabilisé. Les ordres de commandes de ces machines synchrones sont coordonnés avec la position de leurs différents rotors. Le système de l'invention permet une diminution du nombre de composants de puissance en admettant un surdimensionnement de ceux-ci, car le même onduleur 20 alimente toutes les machines. Dans une variante de réalisation illustrée sur la figure 3, le système de l'invention comprend deux modules de régulation 30 et 31 respectivement pour chaque machine synchrone MS1 ou MS2, au lieu du module de pilotage 25 de la figure 2, et un sélecteur 32 permettant de sélectionner la machine à contrôler. Dans le système de l'invention, la stratégie de pilotage consiste à sélectionner la machine synchrone MS1 ou MS2 qui est effectivement pilotée en fonction des conditions de charge. On mesure ainsi les deux courants de phase Il et I2 pour chaque moteur et on les asservit en fonction du couple de référence Cref souhaité. Si des écarts de charges entre les deux machines MS1 et MS2 apparaissent, alors les positions des rotors de chaque machine sont différentes. Il faut faire un choix sur la machine à autopiloter. Un tel choix se fait en fonction de la mesure/observation de la position des machines. L'invention consiste alors à autopiloter la machine ayant la charge la plus importante, ce qui permet de vérifier la condition de commande stable. Ce choix peut s'effectuer en fonction des angles électriques internes des machines, c'est-à-dire en fonction de la comparaison des positions de ces machines MS1 et MS2. Pour assurer la commande stable de ces deux machines, on contrôle donc leur charge, car on ne peut imposer que les angles 8 entre la tension aux bornes de ces machines et leurs f.e.m. (force électro-motrice) ne soient inférieurs à rc/2. On choisit la machine non autopilotée et non régulée comme celle qui a le couple de charge le plus faible. On contrôle donc la machine qui a le couple de charge le plus grand. Pour autopiloter et réguler la machine ayant le couple résistant le plus grand plusieurs solutions sont possibles : • Une première solution consiste à équiper chaque machine avec un capteur de couple et à comparer les deux couples afin d'assurer un fonctionnement. Mais une telle solution est coûteuse. • Une deuxième solution consiste à réaliser un observateur de l'angle de calage W2, pour la machine N.S2, cet angle dit de calage w2 représentant le déphasage orienté positivement entre la force électromotrice et le vecteur courant. Si cet angle *2 est positif, les deux machines sont dans un régime de fonctionnement stable. Par contre si cet angle devient négatif, il est nécessaire de changer la machine qui est autopilotée et donc de basculer le sélecteur 32. Ceci est valable pour un angle de calage wl (pour la machine MS"_) imposé nul. • Une troisième solution consiste à comparer les angles 81 et 82 et à autopiloter la machine qui a l'angle 8 le plus grand. Ces angles 8 représentent le déphasage entre la tension statorique qui est commune pour les deux machines MS1 et MS2 et la f.e.m. Ei. Faire la comparaison de ces deux angles revient donc à comparer l'angle entre les deux f.e.m. El et E2, qui sont rigidement liées aux aimants des deux machines, et donc aux positions des rotors de celles-ci, comme illustré sur la figure 4, cette figure illustrant, en effet, le diagramme vectoriel pour la machine synchrone MS1 (Isl = courant dans l'enroulement statorique de la machine MS1). Les positions de rotors sont connues puisque les deux machines MS1 et MS2 sont équipées de capteurs de position 23 et 24 pour assurer l'autopilotage. Il n'est donc pas nécessaire d'équiper ces machines de capteurs supplémentaires. Dans une autre variante de réalisation illustrée sur la figure 5 on fait le choix de la machine à autopiloter en comparant les positions des deux machines MS1 et MS2, à l'aide d'un comparateur 33. L'association de deux machines synchrones MS1 et MS2 considérée ci-dessus peut être étendue à une 30 association d'un nombre plus important de machines synchrones, par exemple de quatre machines MS1, MS2, MS3 et MS4. Une telle solution est alors applicable au système des volets d'un avion. Le schéma de la figure 6 illustre l'association de quatre machines synchrones MS1, MS2, MS3, MS4 en parallèle. Cette figure représente également. . - des charges 40, 41, 42, 43, - des capteurs de position 45, 46, 47, 48, - un onduleur trois bras, 50, - un sélecteur 51, - des modules de régulation 53, 54, 55, 56, - un comparateur de position 60. Une consigne unique de vitesse est imposée aux quatre machines synchrones MS1, MS2, MS3 et MS4. Le choix de la machine à autopiloter se fait en comparant la position de toutes les machines, ce qui permet de connaître ainsi la machine au couple résistant le plus grand. Les courbes de la figure 7A illustrent les signaux a, b, c, d, qui correspondent à chaque machine. A chaque instant seul l'un de ces signaux est à un . Le signal qui est à un représente la machine sélectionnée. La figure 7B illustre les vitesses angulaires des différentes machines. La figure 7C illustre les couples de ces machines. Ces figures 7A, 7B et 7C correspondent à un exemple particulier défini afin d'avoir un maximum de commutations. Ces figures 7A, 7B et 7C montrent l'évolution du couple et de la vitesse des quatre machines en présence de variations de charge. A tout instant seul un des quatre signaux a, b, c, d est à un , signalant la machine pilotée, les trois autres étant esclaves par rapport à cette dernière. REFERENCES [1] Thèse présentée pour obtenir le titre de docteur de l'Institut National Polytechnique de Toulouse par Rosendro Penâ Equiluz le 8 novembre 2002 intitulée Commande algorithmique d'un système mono-onduleur bimachine asynchrone destiné à la traction ferroviaire . REVENDICATIONS 1. Système de puissance comportant au moins deux machines synchrones autopilotées (MS1, MS2, MS3, MS4) travaillant en parallèle de façon synchronisée, caractérisé en ce qu'il comprend un convertisseur central triphasé (20 ; 50) sur lequel sont connectées en parallèle toutes ces machines, et un dispositif de pilotage (25 ; 30, 31 ; 53, 54, 55, 56) assurant la commande stable de ce système. 2. Système selon la revendication 1 comprenant au moins deux capteurs de position (23, 24 ; 45, 46, 47, 48), chaque capteur de position étant disposé entre une machine synchrone et la charge correspondante (21, 22 ; 40, 41, 42, 43). 3. Système selon la revendication 2 comprenant un module de pilotage (25) qui reçoit les courants de phase parvenant sur chaque machine synchrone, les signaux provenant des capteurs de position (23, 24), et une valeur de référence (Cref), et qui alimente le convertisseur central triphasé (20). 4. Système selon la revendication 1 comprenant au moins deux modules de régulation (30, 31 ; 53, 54, 55, 56) correspondant respectivement à chaque machine synchrone et un sélecteur (32 ; 51) relié au convertisseur central triphasé (20 ; 50) permettant de sélectionner la machine à contrôler. 5. Système selon la revendication 2 comprenant des moyens de comparaison de la position des machines synchrones recevant les signaux de sortie des capteurs de position (23, 24 ; 45, 46, 47, 48). 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le convertisseur central triphasé est un onduleur. 10 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes qui est un système embarqué. 8. Procédé de commande d'un système de puissance comportant au moins deux machines synchrones 15 autopilotées travaillant en parallèle de façon synchronisée, et un convertisseur central triphasé sur lequel sont connectés en parallèle toutes ces machines, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de sélection de la mach__ne ayant le couple de charge le plus grand. 20 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel, lors de l'étape de sélection de la machine ayant le couple de charge le plus grand, on compare la position des machines synchrones. 10. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, qui est mis en œuvre à bord d'un aéronef. 11. Aéronef comportant un système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 25 30 12. Aéronef comportant un système susceptible de mettre en œuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10.5