Brevet FR2986118A1 — publié le 20130726

Une machine électrique La présente invention concerne une machine électrique. Une machine électrique est un dispositif électromécanique permettant la conversion d'énergie électrique en travail ou en énergie mécanique. Les machines électriques à courant alternatif sont constituées d'un stator et d'un rotor. Le stator composé à partir d'enroulements génère un champ tournant soumis au rotor. Le rotor est réalisé soit à partir d'aimants permanents soit à partir d'enroulements. Grâce à ce dispositif, les flux, rotorique et statorique, peuvent être décalés de façon optimale (en quadrature). Ce décalage provoque un couple selon la loi du flux maximum (un pôle nord attire un pôle sud), entraînant ainsi la rotation du rotor. Il est ainsi souhaitable de réaliser des machines électriques fonctionnant de manière optimale. Il est connu de la thèse d'Yvan Crévits intitulée caractérisation et commande des entraînements polyphasés en mode dégradée d'alimentation (thèse de l'Université des Sciences et Technologies de Lille soutenue le 12 juillet 2010) qu'une machine électrique peut être hexaphasée avec les six phases réparties en deux étoiles indépendantes. Les deux étoiles sont usuellement déphasées de irr/6. La machine polyphasée issue de cette association est montrée schématiquement à la figure 2 qui est décrite ci-dessous. La machine polyphasée issue de cette association permet de bénéficier des acquis de la réalisation des bobinages triphasés. Les enroulements de ces machines peuvent être alimentés de manière indépendante par des onduleurs de courant pleine onde en répartissant les courants entre les groupes de phase de manière à éviter les effets d'induction mutuelle. Les enroulements peuvent également être alimentés par d'autres composants. L'évolution des composants de l'électronique de puissance a, en effet, permis d'utiliser des composants à hautes fréquences de commutation. Ces composants permettent de limiter les harmoniques dans les signaux d'alimentation et de contrôler le déphasage entre le courant et la tension des systèmes. Les onduleurs de tension sont un exemple. L'utilisation des onduleurs de tension permet d'avoir de faibles taux de distorsions harmoniques des tensions d'alimentations, ce qui conduit à des courants ayant de faibles contenus harmoniques. Ces faibles contenus harmoniques permettent de limiter les pertes dans les différentes parties de la machine que ce soit les pertes par courant induit ou les pertes dans les conducteurs. Le « mode d'alimentation dégradée » ou « mode dégradé » apparaît lorsque l'intégrité de l'alimentation électrique est remise en cause par la source, la liaison électrique à la machine ou un défaut interne de la machine. Une telle machine polyphasée s'avère intéressante en utilisation dans ce mode dégradé du fait du nombre important de phases indépendantes. Le nombre important de phases entraîne en effet une redondance favorable au fonctionnement en mode dégradé. Mais, lors d'un fonctionnement en mode dégradé, si une branche de l'étoile est endommagée, la phase correspondante n'est plus utilisée. De même, si le dispositif d'alimentation est endommagé, l'enroulement correspondant ne sert plus. Dans les deux cas, il en résulte une déperdition d'énergie. Il existe donc un besoin pour une machine électrique permettant d'obtenir de meilleures performances en mode dégradé, notamment en cas de perte d'une phase ou d'endommagement d'une branche d'onduleur. Pour cela, l'invention propose une machine électrique comportant : - un ensemble d'au moins six enroulements comportant chacun deux extrémités, les enroulements étant dans une configuration en série, - des dispositifs d'alimentation en tension capables d'alimenter une phase électrique, - un circuit de commande des dispositifs d'alimentation en tension contrôlant les déphasages entre les phases alimentées par les dispositifs d'alimentation en tension, chaque dispositif d'alimentation en tension alimentant une phase à l'extrémité commune de deux enroulements, l'autre extrémité des deux enroulements étant alimentée par un des deux dispositifs d'alimentation en tension alimentant une phase dont le déphasage avec la phase alimentée par le dispositif d'alimentation en tension est l'un des deux plus faibles en valeur absolue parmi les déphasages entre les phases alimentées par les dispositifs d'alimentation en tension et la phase alimentée par le dispositif d'alimentation en tension. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, prises séparément ou en combinaison : - les dispositifs d'alimentation en tension sont répartis en agencement d'au moins trois dispositifs d'alimentation en tension ; - le circuit de commande comprend une unité de contrôle par agencement ; - chaque unité de contrôle est adaptée à imposer une loi de commande aux dispositifs d'alimentation en tension de l'agencement contrôlé par l'unité de contrôle ; - la loi de commande est telle que le déphasage entre la phase alimentée par un dispositif d'alimentation en tension d'un agencement et la phase alimentée par le dispositif d'alimentation en tension ayant le déphasage le plus proche dans le même agencement est égale à 2irrin, où n est le nombre de dispositifs d'alimentation en tension de l'agencement ; - les agencements comportent chacun un nombre impair de dispositifs d'alimentation en tension ; - les agencements comportent le même nombre de dispositifs d'alimentation en tension ; - La machine électrique comporte deux agencements : - un premier agencement d'au moins trois dispositifs d'alimentation en tension, dont un premier dispositif d'alimentation en tension de référence alimente une première phase électrique de référence, et - un deuxième agencement d'au moins trois dispositifs d'alimentation en tension, dont un deuxième dispositif d'alimentation en tension de référence alimente une deuxième phase électrique de référence, le déphasage de référence entre la première et la deuxième phase électrique étant différent de 0 ; - le déphasage de référence est égal à u ; - la machine comporte en outre un stator, chaque dispositif d'alimentation en tension étant situé dans le stator ; - les dispositifs d'alimentation en tension sont disposés dans le stator en polygone régulier, et - les dispositifs d'alimentation en tension sont disposés dans le stator en hexagone. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui montrent : - figure 1, une vue schématique d'un exemple de machine selon l'invention ; et - figure 2, une vue schématique d'un exemple de machine selon l'état de la technique. Il est proposé une machine 10 électrique telle que représentée sur la figure 1. Par commodité, dans le schéma de la figure 1, seule une partie de la machine 10 est représentée, sachant que la machine 10 comprend un stator et un rotor. Le stator comporte six enroulements 12, 14, 16, 18, 20 et 22 formant un ensemble 24. Le nombre d'enroulements 12, 14, 16, 18, 20 et 22 peut être supérieur. Chaque enroulement 12, 14, 16, 18, 20 et 22 comporte deux extrémités. De plus, les enroulements 12, 14, 16, 18, 20 et 22 sont dans une configuration série. Cela signifie que chaque enroulement est relié de part et d'autre à un autre enroulement. L'ensemble 24 d'enroulement forme ainsi une boucle fermée. Dans l'exemple de la figure 1, si la boucle est parcourue dans le sens trigonométrique, l'alternance d'enroulements est la suivante : enroulement 12 - enroulement 14 - enroulement 16 - enroulement 18 - enroulement 20 - enroulement 22 puis retour sur l'enroulement 12. En termes d'extrémités, cela signifie que l'extrémité 26 est commune aux enroulements 12 et 22 ; l'extrémité 28 aux enroulements 12 et 14 ; l'extrémité 30 aux enroulements 14 et 16 ; l'extrémité 32 aux enroulements 16 et 18 ; l'extrémité 34 aux enroulements 18 et 20 et l'extrémité 36 aux enroulements 20 et 22. La machine électrique 10 comporte en outre des dispositifs d'alimentation en tension capables d'alimenter des phases aux enroulements 12, 14, 16, 18, 20 et 22, les dispositifs d'alimentation en tension étant reliés à une extrémité d'un enroulement 12, 14, 16, 18, 20 et 22. La machine 10 comprend ainsi un premier agencement 38 d'au moins trois dispositifs d'alimentation en tension capables d'alimenter une phase électrique. Selon l'exemple de la figure 1, seuls trois dispositifs d'alimentation en tension 40, 42 et 44 sont représentés, étant entendu que le nombre de dispositifs d'alimentation en tension dans le premier agencement 38 peut être quelconque. En particulier, le nombre de dispositifs d'alimentation en tension dans le premier agencement 38 est impair. Le choix d'un nombre impair de phases pour un agencement contribue à limiter les harmoniques générées spatialement. Il en résulte une diminution de l'amplitude des oscillations du couple du rotor de la machine 10. Les dispositifs d'alimentation en tension 40, 42 et 44 sont schématisés par des rectangles en trait continu. Ils peuvent notamment être des onduleurs de tension. Le dispositif d'alimentation en tension 40 est un premier dispositif d'alimentation en tension de référence alimentant une première phase électrique de référence. La phase alimentée par le dispositif d'alimentation en tension 40 est notée V11 dans la suite. Les phases que sont capables d'alimenter les dispositifs d'alimentation en tension 42 et 44 sont notées V12 et V13. La machine 10 comporte également un deuxième agencement 46 d'au moins trois dispositifs d'alimentation en tension capables d'alimenter une phase électrique. Le premier agencement 38 et le deuxième agencement 46 ne sont pas confondus. Selon l'exemple de la figure 1, seuls trois dispositifs d'alimentation en tension 48, 50 et 52 sont représentés, étant entendu que le nombre de dispositifs d'alimentation en tension dans le deuxième agencement 46 peut être quelconque. En particulier, pour les mêmes raisons que précédemment, le nombre de dispositifs d'alimentation en tension dans le deuxième agencement 46 est impair. Il est en outre indépendant du nombre de dispositifs d'alimentation en tension dans le premier agencement 38. Néanmoins, un même nombre de dispositifs d'alimentation en tension dans le premier et le deuxième agencements 38 et 46 permet d'obtenir un montage plus aisé à réaliser. De plus, les dispositifs d'alimentation en tension 48, 50 et 52 sont schématisés sur la figure 1 par des rectangles en trait pointillé. Ils peuvent notamment être des onduleurs de tension. Le dispositif d'alimentation en tension 48 est un deuxième dispositif d'alimentation en tension de référence alimentant une deuxième phase électrique de référence. La phase alimentée par le dispositif d'alimentation en tension 48 est notée V21 dans la suite. Le déphasage de référence entre la première et la deuxième phase électrique de référence est différent de 0. En notant A(pREF le déphasage de référence et cp(V) la fonction qui associe la phase à une tension V donnée, cette dernière relation se traduit mathématiquement de la manière suivante : A(PREF = (p(v21) - cp(V11) o 0 (relation 1) Avec une telle relation, les signaux V11 et V21 sont différents. De manière similaire aux notations introduites pour le premier agencement 38, les phases que sont capables d'alimenter les dispositifs d'alimentation en tension 50 et 52 sont respectivement notées V22 et V23. Dans l'exemple de la figure 1, le déphasage entre la phase alimentée par un dispositif d'alimentation en tension d'un agencement et la phase alimentée par le dispositif d'alimentation en tension ayant le déphasage le plus proche dans le même agencement est égal à 2rr/3. Plus précisément, pour le premier agencement 38, cela signifie que trois relations distinctes sont remplies, étant entendu que si deux des relations sont remplies, la troisième l'est également : \ 2Il (relation 2) (relation 3) (relation 4) Açoi = Ç4v2 )- Ç4v11) 3 2Il AS02 q)(V13 ) q)(v, 12 ) / 3 \ 211 A ço3 = ço(Vii So(1713)= 3 Où : - cp(V) la fonction qui associe la phase à une tension V donnée ; - A(Pi est le déphasage entre la phase V11 et la phase V12 ; - A(p2 est le déphasage entre la phase V12 et la phase V13 ; - Acp3 est le déphasage entre la phase V13 et la phase V11. Un système de relations similaire peut être écrit pour le deuxième agencement 46 dans le cas où le déphasage entre la phase alimentée par un dispositif d'alimentation en tension d'un agencement et la phase alimentée par le dispositif d'alimentation en tension ayant le déphasage le plus proche dans le même agencement est égal à 2rr/3 : 6 211 (relation 5) ç('v )- ç(v')= 3 (relation 6) ço(V21)-Ç4V23)= ç(v' )- ç(v21) = 211 (relation 7) 3 211 3 Où : - cp(V) la fonction qui associe la phase à une tension V donnée ; - A(1314 est le déphasage entre la phase V23 et la phase V22 ; - A(1:15 est le déphasage entre la phase V21 et la phase V23 ; - Acp3 est le déphasage entre la phase V22 et la phase V21 Maintenir les déphasages Acpi, Acp2, OcPs, Acp4, Acp5 et Acp6 égaux à 2-rr/3 permet d'obtenir des phases en coïncidence, ce qui permet d'obtenir le signal efficace le plus grand possible en terme d'amplitude. Dans le cas où un agencement comporte n dispositifs d'alimentation en tension, pour obtenir le signal efficace le plus grand possible en terme d'amplitude, il est souhaitable que le déphasage entre la phase alimentée par un dispositif d'alimentation en tension d'un agencement et la phase alimentée par le dispositif d'alimentation en tension ayant le déphasage le plus proche dans le même agencement soit égal à 2-rr/n. Cela se traduit mathématiquement par l'ensemble des relations suivantes : I \ 2Il Aço; = çP(Vi2 )- 4P(Vil) = (relation 8) n Où : - cp(V) la fonction qui associe la phase à une tension V donnée ; - Acp', est le déphasage entre la phase Vim et la phase V1, ; Selon l'exemple de la figure 1, de telles relations (relations 2, 3, 4, 5, 6 et 7) sont obtenues à l'aide d'unités de contrôle qui imposent une loi de commande aux dispositifs 20 d'alimentation en tension des agencements. Plus précisément, une première unité de contrôle 54 impose une première loi de commande aux dispositifs d'alimentation en tension du premier agencement 38 alors qu'une deuxième unité de contrôle 56 impose une deuxième loi de commande aux dispositifs d'alimentation en tension du deuxième agencement 46. La première loi de commande assure que les relations 2, 3 et 4 sont 25 vérifiées par les phases V11, V12 et V13. La deuxième loi de commande impose que les phases V21, V22 et V23 vérifient les relations 5, 6 et 7. Ces deux unités 54 et 64 font partie d'un circuit de commande 58 des dispositifs d'alimentation en tension. Ce circuit de commande 58 contrôle les déphasages entre les (...) Aço'n = ço(Tii)- 2Il ) = (relation 9) n phases alimentées par les dispositifs d'alimentation en tensions. Un tel contrôle permet d'obtenir un signal efficace de grande amplitude. En outre, chaque dispositif d'alimentation en tension des deux agencements est reliée aux deux dispositifs d'alimentation en tension pour lesquels le déphasage entre les phases alimentées par les dispositifs d'alimentation en tension et la phase alimentée par le dispositif d'alimentation en tension est le plus faible en valeur absolue via un enroulement. Autrement dit, un dispositif d'alimentation en tension à connecter est relié d'une part à un premier dispositif d'alimentation en tension via un premier enroulement et d'autre part à un deuxième dispositif d'alimentation en tension via un deuxième enroulement. Le premier dispositif d'alimentation en tension alimente une phase dont le déphasage avec la phase du dispositif d'alimentation en tension à connecter est le plus faible alors que le deuxième dispositif d'alimentation en tension alimente une phase dont le déphasage avec la phase du dispositif d'alimentation en tension à connecter est le plus faible à l'exception du déphasage entre le premier dispositif d'alimentation en tension et le dispositif d'alimentation en tension à connecter. Dans le cas particulier de la figure 1, chaque dispositif d'alimentation en tension d'un agencement se trouve ainsi relié à deux dispositifs d'alimentation en tension de l'autre agencement. Plus précisément, le dispositif d'alimentation en tension 40 est relié d'une part au dispositif d'alimentation en tension 52 via un enroulement 16 et d'autre part au dispositif d'alimentation en tension 50 via un enroulement 18. Le dispositif d'alimentation en tension 42 est relié d'une part au dispositif d'alimentation en tension 52 via un enroulement 14 et d'autre part au dispositif d'alimentation en tension 46 via un enroulement 12. Enfin, le dispositif d'alimentation en tension 44 est relié d'une part au dispositif d'alimentation en tension 46 via un enroulement 22 et d'autre part au dispositif d'alimentation en tension 50 via un enroulement 20. Du point de vue des dispositifs d'alimentation en tension du deuxième agencement 46, cela se traduit par les connexions suivantes : le dispositif d'alimentation en tension 48 est relié d'une part au dispositif d'alimentation en tension 42 via l'enroulement 12 et d'autre part au dispositif d'alimentation en tension 44 via l'enroulement 22 ; le dispositif d'alimentation en tension 50 est relié d'une part au dispositif d'alimentation en tension 40 via l'enroulement 18 et d'autre part au dispositif d'alimentation en tension 44 via l'enroulement 20 et le dispositif d'alimentation en tension 52 est relié d'une part au dispositif d'alimentation en tension 40 via l'enroulement 16 et d'autre part au dispositif d'alimentation en tension 42 via l'enroulement 14. Dans le cas où il existe plus de deux dispositifs d'alimentation en tension pour lesquels le déphasage entre les phases alimentées par les dispositifs d'alimentation en tension et la phase alimentée par le dispositif d'alimentation en tension est le plus faible, une manière avantageuse de choisir les dispositifs d'alimentation en tension auxquels le dispositif d'alimentation en tension considéré est connecté est de prendre en compte également la facilité de connexion. A titre d'exemple, une connexion avec les deux dispositifs d'alimentation en tension les plus proches en terme de distance pourra être considérée. La description précédente est une description de la machine 10 du point de vue des dispositifs d'alimentation en tension. Il est possible de décrire également la machine 10 du point de vue des enroulements. Selon ce point de vue, chaque dispositif d'alimentation en tension 40, 42, 44, 48, 50 et 52 alimentant une phase à l'extrémité commune de deux enroulements 12, 14, 16, 18, 20 et 22, l'autre extrémité des deux enroulements 12, 14, 16, 18, 20 et 22 étant alimentée par un des deux dispositifs d'alimentation en tension 40, 42, 44, 48, 50 et 52 alimentant une phase dont le déphasage avec la phase alimentée par le dispositif d'alimentation en tension 40, 42, 44, 48, 50 et 52 est l'un des deux plus faibles en valeur absolue parmi les déphasages entre les phases alimentées par les dispositifs d'alimentation en tension et la phase alimentée par le dispositif d'alimentation en tension 40, 42, 44, 48, 50 et 52. Ainsi, l'extrémité 26 est alimentée par le dispositif 46 ; l'extrémité 28 par le dispositif 42 ; l'extrémité 30 par le dispositif 52 ; l'extrémité 32 par le dispositif 40 ; l'extrémité 34 par le dispositif 50 et l'extrémité 36 par le dispositif 44. Cette description du point de vue des enroulements décrit la même structure que celle du point de vue des dispositifs d'alimentation en tension, à savoir la structure de la figure 1. En outre, selon l'exemple de la figure 1, les dispositifs d'alimentation en tension de chacun des deux agencements sont disposés dans le stator. Leur agencement est en polygone régulier c'est-à-dire tel que les dispositifs d'alimentation en tension sont les sommets d'un polygone régulier. Dans le cas particulier de la figure 1, le polygone régulier est un hexagone. Une telle configuration facilite la réalisation de la connexion. Dans le cadre d'un fonctionnement normal, tous les dispositifs d'alimentation 40, 42, 44, 48, 50 et 52 alimentent une tension. La tension appliquée à chaque enroulement 12, 14, 16, 18, 20 et 22 de la machine est alors la résultante de tensions des dispositifs d'alimentation. Ainsi, à titre d'exemple, l'enroulement 16 est soumis à une tension V11-V23 à ses bornes. Chaque dispositif d'alimentation 40, 42, 44, 48, 50 et 52 voit également un courant de forme sinusoïdale dont l'amplitude est contrôlée par le dispositif de commande 58. Il va maintenant être démontré que la machine 10 illustrée sur la figure 1 présente une meilleure disponibilité en puissance en mode dégradé qu'une machine en double étoile selon l'état de la technique. Une telle machine 100 polyphasée selon l'état de la technique est représentée à la figure 2. Selon l'exemple de la figure 2, la machine 100 comporte un premier agencement 102 d'enroulements comprenant trois branches 104, 106 et 108 reliant un premier centre 01 à des dispositifs d'alimentation en tension 110, 112 et 114 aptes à alimenter une phase via un enroulement 116, 118 et 120. De manière similaire à ce qui a été décrit pour la figure 1, les déphasages entre les phases des dispositifs d'alimentation en tension 110, 112 et 114 sont de 2-rr/3. Il comporte également un deuxième agencement 118 d'enroulements comprenant trois branches 120, 122 et 124 reliant un premier centre 02 à des dispositifs d'alimentation en tension 126, 128 et 130 aptes à alimenter une phase via un enroulement 132, 134 et 136. De manière similaire à ce qui a été décrit pour la figure 1, les déphasages entre les phases des dispositifs d'alimentation en tension 126, 128 et 130 sont de 2-rr/3. La disponibilité en puissance des deux machines électriques 10 et 100 des figures 1 et 2 est la même en mode sain. Par contre, la disponibilité en puissance de la machine 10 est supérieure à celui de la machine 100 en mode dégradé. Supposons qu'un dispositif d'alimentation en tension soit endommagé, le dispositif d'alimentation en tension 42 dans le cas de la figure 1 et le dispositif d'alimentation en tension 112 dans le cas de la figure 2. La machine 10 de la figure 1 ou la machine 100 de la figure 2 fonctionne alors en mode dégradé. Dans le cas de la figure 2, il n'y a aucun courant circulant dans la branche 108. L'enroulement 118 n'est donc pas utilisé. A contrario, dans le cas de la figure 1, chaque enroulement 12 et 14 relié au dispositif d'alimentation en tension 42 endommagé l'est aussi à des dispositifs d'alimentation en tension 46 et 52 non endommagés. La tension qui est alors appliquée aux enroulements 12 et 14 est la composition des tensions d'alimentation 46 et 52. De ce fait, un courant parcourt tous les enroulements de la machine 10 même en cas de défaut du dispositif d'alimentation 42. Chacun des six enroulements de la machine 10 est donc encore utilisé alors que cinq enroulements seulement sont utilisés par la machine 100. Il apparaît ainsi que la puissance disponible de la machine 10 en mode dégradé est supérieure à celle de la machine rendement de la machine 100. Ce raisonnement est valable que la machine 100 soit alimentée avec des dispositifs d'alimentation en tension ou en courant. En mode dégradé, la machine 10 illustrée sur la figure 1 présente ainsi une meilleure disponibilité en puissance qu'une machine 100 en double étoile selon l'état de la technique. Cet effet est encore plus sensible lorsque le déphasage de référence A(pREF est égal à u. En mode dégradé, pour limiter les effets parasites (oscillation de couple, limitation du courant ...), il est, en outre, possible d'adapter la commande des dispositifs d'alimentation. Ceci est plus difficile à effectuer avec une alimentation en courant. Une alimentation d'une machine 10 par des créneaux de courant est plus délicate en mode dégradé. En fonctionnement normal, l'un des dispositifs d'alimentation voit un courant positif, supposons le dispositif 40 ici. Ce courant se sépare en deux pour parcourir les enroulements de la machine, puis un autre premier dispositif d'alimentation voit un courant négatif. Seuls deux des dispositifs d'alimentation sont utilisés dans ce cas. Une commutation (arrêt des dispositif 40 et 48 et alimentation à l'aide des dispositifs 52 et 44 par exemple) est nécessaire pour passer à l'étape suivante d'alimentation. En cas de défaut du système d'alimentation, il faut également arrêter d'utiliser le dispositif d'alimentation qui lui est associé. Il est possible de fonctionner avec les dispositifs restants. Dans ce cas, il est préférable d'avoir plus d'enroulements pour obtenir un mode de fonctionnement avec des effets parasites (oscillation de couple notamment) limités. Cela est néanmoins difficile et génère une augmentation du coût. De plus, la machine 10 permet de conserver les particularités d'une machine polyphasée, et notamment sa plus grande tolérance au défaut qu'une machine triphasée. La machine 10 permet également d'obtenir un fonctionnement en commutation électrique. En outre, la machine électrique 10 présente l'avantage d'être aisée à obtenir à partir d'un montage double étoile selon l'état de la technique. Pour passer du montage de la figure 2 à la figure 1, il suffit en effet de modifier les branchements des enroulements sans avoir à redimensionner totalement la machine. Le dimensionnement de la machine 10 est équivalent à celui employé pour une machine triphasée. Ainsi, envisager une architecture comme celle de la figure 1 impacte peu le coût et la complexité de la fabrication de la machine.