Brevet FR3155390A1 — publié le 20250516

L’invention concerne un dispositif de contrôle du couple délivré par une machine électrique asynchrone, comprenant : - un système collecteur à bagues rotatif adapté pour être connecté à un rotor d’une machine électrique asynchrone et configuré pour collecter ou alimenter au moins un bobinage du rotor de la machine électrique asynchrone de manière à faire varier l’impédance du rotor et ainsi un couple délivré par la machine électrique asynchrone ; - une résistance variable connectée au système collecteur à bagues rotatif de manière à piloter le système collecteur à bagues rotatif ; - une unité de traitement configurée pour, à partir d’une fréquence d’une tension d’alimentation de la machine asynchrone, d’un couple souhaité pour la machine électrique asynchrone et d’une résistance rotor correspondante, calculer une valeur pour la résistance variable et ainsi commander la tension d’alimentation du collecteur pour que la machine électrique asynchrone délivre le couple souhaité. Figure pour l’abrégé : FIGURE 1 Contrôle des machines électriques asynchrones L’invention concerne le contrôle des machines électriques asynchrones, particulièrement celles utilisées dans une turbomachine d’un aéronef. ETAT DE LA TECHNIQUE Une turbomachine comporte, outre d’autres composants, des systèmes pouvant comporter des machines électriques asynchrones, par exemple un système à calage variable. Ces machines électriques sont classiquement alimentées par le réseau de bord de l’aéronef qui peut être à fréquence variable. Or dans une turbomachine, le couple, le régime et la puissance de la machine électrique doivent être contrôlées pour être constants pour des applications pour lesquelles on souhaite avoir un point de fonctionnement fixe en sortie. Pour ce faire, entre le réseau de bord et la machine électrique à alimenter, on place un boitier électronique de puissance comportant un redresseur et un onduleur. Un problème quant à l’utilisation d’un tel boitier est qu’il nécessite une gestion thermique de ses composants. Cependant le volume et l’intégration d’un tel boîtier sur la turbomachine et son coût constituent d’autres problématiques. Une telle gestion implique des composants additionnels qui impactent le dimensionnement de la turbomachine L’invention permet de s’affranchir d’un boitier électronique de puissance tout en contrôlant un couple délivré par une machine électrique asynchrone. A cet effet, l’invention propose, selon un premier aspect, un dispositif de contrôle du couple délivré par une machine électrique asynchrone, comprenant : - un système collecteur à bagues rotatif adapté pour être connecté à un rotor d’une machine électrique asynchrone et configuré pour collecter ou alimenter au moins un bobinage du rotor de la machine électrique asynchrone de manière à faire varier l’impédance du rotor et ainsi un couple délivré par la machine électrique asynchrone ; - une résistance variable connectée au système collecteur à bagues rotatif de manière à piloter le système collecteur à bagues rotatif ; -une unité de traitement configurée pour, à partir d’une fréquence d’une tension d’alimentation de la machine asynchrone, d’un couple souhaité pour la machine électrique asynchrone et d’une résistance rotor correspondante, calculer une valeur pour la résistance variable et ainsi commander la tension d’alimentation du collecteur pour que la machine électrique asynchrone délivre le couple souhaité. L’invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - l’unité de traitement détermine la résistance rotor au moyen de l’expression suivante : : Couple souhaité en Nm : Nombre de paires de pôles Nombre de phases rotor qui est égal au nombre de barres rotor pour une machine asynchrone Pulsation électrique stator en rad/s qui correspond à la tension d’alimentation de la machine électrique asynchrone : Impédance rotor en fonction du glissement en Ohms : Module de l’impédance du rotor au carré en Ohms au carré : Résistance rotor en Ohms : Inductance rotor en Henri : Glissement Valeur RMS de la force électromotrice en Volts. - la machine électrique comprend un nombre de pôles tel qu’il permet d’atteindre des plages de couples supérieures à celles nécessaire à l’entrainement de l’élément de turbomachine. - le dispositif comprend un capteur de tension ou système de mesure de tension configuré pour fournir à l’unité de traitement une mesure d’une tension d’alimentation de la machine électrique asynchrone, l’unité de traitement étant configurée pour mettre en œuvre une transformée de Fourier sur la mesure pour en déduire la fréquence de la tension d’alimentation. - la machine électrique est alimentée par une tension égale à 115 volts dans une plage de fréquence variable allant de 360Hz à 800 Hz. L’invention propose selon un deuxième aspect, un système de pilotage d’un élément d’une turbomachine d’un aéronef, comportant - une machine électrique asynchrone électrique configurée pour fournir un couple à un élément d’une turbomachine ; - un dispositif selon le premier aspect de l’invention. Dans le système selon le deuxième aspect, l’élément de la turbomachine est une pompe d’un système de calage variable de pas d’hélice. L’invention permet de contrôler le glissement d’une machine asynchrone et son couple sans électronique de puissance. En particulier, l’invention utilise une relation entre l’impédance du rotor de la machine électrique et le glissement ce qui permet ainsi de contrôler le couple. Par conséquent, et malgré une fréquence électrique du réseau variable il est possible de contrôler le couple et la vitesse de rotation sans électronique de puissance. PRESENTATION DE L’UNIQUE FIGURE D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard de l’unique figure annexée qui illustre un système de pilotage d’un élément d’une turbomachine conforme à l’invention. DESCRIPTION DETAILLEE La FIG. 1 illustre système S de pilotage d’un élément E d’une turbomachine d’un aéronef, comportant une machine 1 électrique asynchrone électrique configurée pour fournir un couple à l’élément E d’une turbomachine et un dispositif D de contrôle du couple délivré par la machine 1 électrique. La machine électrique 1 comprend un rotor 21 et un stator 22, le rotor 21 fournissant le couple à l’élément E. L’élément E de turbomachine est avantageusement une pompe à actionnement électrique pour le calage variable de pas d’hélice. De manière plus générale, l’élément E est toute sorte de pompe intégrée dans un système pour lequel le besoin est de fournir un débit fixe (c’est-à-dire un point de fonctionnement fixe). La machine 1 électrique est de préférence une machine électrique asynchrone à rotor bobiné alimentée en triphasé par un réseau avion délivrant une tension V d’alimentation alternative à fréquence électrique variable. La tension V d’alimentation est par exemple égale à 115 volts dans une plage de fréquence variable allant de 360Hz à 800 Hz. Comme la fréquence de la tension V est variable, la machine 1 électrique fournit une vitesse qui est aussi variable. Dès lors pour maintenir la vitesse de rotation de la machine électrique asynchrone à une valeur constante et donc son couple afin de maintenir l’élément E sur son point de fonctionnement idéal, le système S comprend un dispositif D de contrôle du couple délivré par la machine 1 électrique. Un tel dispositif D comprend un collecteur 2 à bagues rotatif connecté au rotor 21 de la machine 1 électrique afin de faire varier l’impédance du circuit électrique du rotor et ainsi le couple délivré par la machine électrique. Un tel collecteur 2 est aussi connu sous le nom collecteur bague-balais ou selon sa désignation anglaise « slip-ring ». Le collecteur 2 consiste en au moins deux anneaux conducteur de l’électricité fixés par une entretoise isolante sur l’axe du rotor 21 de la machine 1 électrique. La connexion électrique est créée entre chaque anneau et une partie fixe par un balai. De préférence, le collecteur 2 comprend trois anneaux et trois balais. L’alimentation du collecteur 2 se fait par une tension U variable qui permet de contrôler l’impédance du rotor et donc le couple délivré par la machine électrique asynchrone. La tension V qui est la tension du réseau alimente le stator et la tension U alimente le rotor. Pour modifier cette tension U, le dispositif D comprend une résistance variable 3 dont la valeur est issue d’un calcul mis en œuvre par une unité de traitement 4 du dispositif D. Un tel calcul permet à partir de la fréquence de la tension V d’alimentation de la machine asynchrone, d’un couple souhaité pour la machine électrique asynchrone 2 et d’une résistance du rotor Rr correspondante de calculer une valeur de résistance R pour la résistance variable 3 pour ainsi commander la tension U d’alimentation du collecteur 2 pour que la machine électrique 1 délivre le couple souhaité . En effet, on a mis en évidence la relation suivante entre le couple en fonction du glissement et la résistance rotor : avec : Couple électromagnétique en Nm : Nombre de paires de pôles Nombre de phases rotor (égal au nombre de barres rotor pour une machine asynchrone) Pulsation électrique stator en rad/s qui correspond à la tension d’alimentation V : Impédance rotor en fonction du glissement en Ohms : Module de l’impédance du rotor au carré (au dénominateur dans l’équation) en Ohms au carré : Résistance rotor en Ohms : Inductance rotor en Henri : glissement Valeur RMS (Root Mean Square) de la force électromotrice en Volts Cette équation montre qu’en contrôlant la résistance rotor Rr, le glissement est aussi contrôlé et ainsi le couple généré est mis sous contrôle. De manière avantageuse, le nombre de pôles de la machine électrique 1 est tel qu’il permet d’atteindre des plages de couple supérieures à celle qu’il faut pour entraîner l’élément E de turbomachine le dispositif D limitera alors le surplus de couple pour le bon fonctionnement, maintenant ainsi la machine à la bonne vitesse et le bon couple pour le fonctionnement de l’élément E. Afin d’obtenir la fréquence de la tension d’alimentation, un système de mesure de tension 5 est connecté sur une phase et fournit à l’unité de traitement 4, une variation de la tension sur laquelle est appliquée une Transformée de Fourier rapide pour obtenir la fréquence. Dispositif (D) de contrôle du couple délivré par une machine électrique asynchrone (1), comprenant : - un système collecteur à bagues rotatif (2) adapté pour être connecté à un rotor (21) d’une machine électrique asynchrone (1) et configuré pour collecter ou alimenter au moins un bobinage du rotor (21) de la machine électrique asynchrone (1) de manière à faire varier l’impédance du rotor et ainsi un couple délivré par la machine électrique asynchrone (1) ; - une résistance (3) variable connectée au système collecteur à bagues rotatif (3) de manière à piloter le système collecteur (2) à bagues rotatif ; - une unité (4) de traitement configurée pour, à partir d’une fréquence ( ) d’une tension (V) d’alimentation de la machine asynchrone (1), d’un couple souhaité ( ) pour la machine électrique asynchrone (2) et d’une résistance rotor (Rr) correspondante, calculer une valeur (R) pour la résistance variable (3) et ainsi commander la tension d’alimentation du collecteur pour que la machine électrique asynchrone délivre le couple souhaité ( ). Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’unité de traitement (4) détermine la résistance rotor (Rr) au moyen de l’expression suivante : : Couple souhaité en Nm : Nombre de paires de pôles Nombre de phases rotor qui est égal au nombre de barres rotor pour une machine asynchrone Pulsation électrique stator en rad/s qui correspond à la tension d’alimentation de la machine électrique asynchrone : Impédance rotor en fonction du glissement en Ohms : Module de l’impédance du rotor au carré en Ohms au carré : Résistance rotor en Ohms : Inductance rotor en Henri : Glissement Valeur RMS de la force électromotrice en Volts. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique (1) comprend un nombre de pôles tel qu’il permet d’atteindre des plages de couples supérieures à celles nécessaire à l’entrainement de l’élément (E) de turbomachine. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, comprenant un capteur de tension ou système de mesure de tension (5) configuré pour fournir à l’unité de traitement (4) une mesure d’une tension d’alimentation de la machine électrique asynchrone (1), l’unité de traitement (4) étant configurée pour mettre en œuvre une transformée de Fourier sur la mesure pour en déduire la fréquence de la tension d’alimentation. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique (1) est alimentée par une tension égale à 115 volts dans une plage de fréquence variable allant de 360Hz à 800 Hz. Système (S) de pilotage d’un élément (E) d’une turbomachine d’un aéronef, comportant - une machine électrique asynchrone électrique (1) configurée pour fournir un couple à un élément (E) d’une turbomachine ; - un dispositif (D) selon l’une des revendications précédentes. Système selon la revendication précédente, dans lequel l’élément (E) de la turbomachine est une pompe d’un système de calage variable de pas d’hélice.