INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
La présente invention concerne le procédé de commande du moteur synchrone dépourvue de capteur de position angulaire du démarrage à la faible vitesse.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Une machine électrique est équipée d’un stator inducteur comprenant des enroulements et d’un rotor comprenant un corps induit et un arbre de rotation.
Pour contrôler une machine électrique synchrone, il est nécessaire de connaitre la position et la vitesse du rotor. Il est ainsi connu d’utiliser un capteur de mesure angulaire du rotor (codeur ou resolver) permettant de détecter la position exacte du rotor ainsi que sa vitesse de rotation et envoyer ce signal de position rotorique à une unité de commande. Dans une machine électrique autopilotée, ce signal est utilisé pour asservir les courants dans les enroulements du stator inducteur. Cela permet au convertisseur d’ajuster la fréquence d’alimentation en fonction de la position du rotor, pour maintenir un angle de 90° entre le champ tournant statorique Hs et un champ rotorique Hr, pour que le couple moteur puisse toujours être maximal.
Cependant, dans certaines applications de densité massique élevée, notamment dans l’aéronautique, il est de plus en plus difficile d’intégrer des capteurs de position sur l’arbre rotorique de la machine électrique, en particulier lorsque l’environnement est encombrant ou difficile pour la maintenance. Par exemple, de tels capteurs de position doivent résister à de forte contrainte thermique, en particulier, il existe des besoins d’utiliser des moteurs synchrones sur des avions pouvant passer d’une température de 45°C, par exemple sur un tarmac à une température négative de -70°C lorsque l’avion est à haute altitude. En outre, ces capteurs de position sont couteux et peuvent subir d’autres contraintes, tels que des poussières, l’humidité etc… Toutes ces contraintes entrainent une réduction du MTBF (de l’anglais Mean Time Between Failure) correspondant au temps moyen entre les pannes d'un système réparable.
En outre, lorsque le couple est très élevé, il peut arriver que l’arbre rotor glisse par rapport au corps de rotor du capteur de position. Une erreur de position absolue prend naissance entre l’axe de référence du capteur de position et l’axe magnétique de la machine électrique. Le réglage initial angulaire du capteur angulaire est en conséquent modifié. En outre la partie mobile du capteur angulaire peut lui aussi glisser sur l’arbre rotor entraînant un décalage de la position angulaire. Ce décalage entraîne une dégradation qui peut emmener à un disfonctionnement de la commande de la machine électrique. En effet, dans une machine synchrone, par exemple triphasée, à aimants permanents, le couple produit dépend de l'interaction entre le flux rotorique et le flux statorique dans un plan dit plan rotorique propre à la machine électrique. Le flux rotorique étant produit par les aimants permanents, on règle le couple par le réglage du flux statorique pour lequel deux paramètres sont accessibles : l'amplitude du flux, réglée elle-même par l'amplitude des courants du système triphasé d'alimentation, et la phase du flux statorique par rapport au flux rotorique. Cette phase est elle-même réglée par la phase des courants statoriques. Pour une machine synchrone à pôles lisses, à amplitude courant donnée, le couple maximum est obtenu lorsque le flux rotorique est, à peu de chose près, en quadrature de phase par rapport au flux statorique.
Il existe ainsi des procédés de commande sans capteur de position permettant ainsi d’augmenter la fiabilité et réduire le cout du dispositif de commande.
Il existe notamment une solution d’estimation de la position angulaire du moteur à travers une approche d’estimation de la Fore Contre Electro-Motrice entre phases statoriques . Cependant l’amplitude de la force contre électromotrice est proportionnelle à la vitesse de rotation de la machine électrique. Ainsi, la détectabilité de la position électrique s’estompe naturellement avec la réduction de l’amplitude des forces contre électromotrices en fonction de la vitesse de rotation de la machine électrique. Cette solution est donc non applicable dans de faible vitesse de rotation ainsi qu’à l’arrêt.
Il est connu un dispositif de commande utilisant pour le démarrage, une séquence de démarrage en boucle ouverte de type I/f (courant/ fréquence) ou V/f (tension/fréquence) sans utilisation de l’ information de la position rotorique mesurée. En effet, la fréquence électrique du champ statorique est imposée par l’utilisateur et est progressivement augmentée jusqu’à ce qu’elle soit suffisamment élevée pour être capable d’estimer les forces électromotrices. La pente de variation de la fréquence électrique doit être lente afin d’assurer l’accrochage du flux rotorique réel de la machine électrique avec le flux rotorique virtuel créé par cette approche boucle ouverte. Ce n’est qu’à partir de là, que la boucle de régulation via l’algorithme de commande sans capteur peut être utilisée en boucle fermée. Cette méthode nécessite une parfaite connaissance de l’inertie et de la charge entrainée par la machine électrique ainsi qu’une gestion spécifique, d’une part, de l’accélération de la vitesse à introduire en fonction du couple et, d’autre part, de la transition entre la boucle ouverte à la boucle fermée sous peine de décrochage de la machine électrique.
De plus, un phénomène qui rajoute des limitations au fonctionnement sans capteur dans la zone à faible vitesse de rotation provient des semi-conducteurs du convertisseur de puissance qui fonctionnement de façon non linéaire, dû aux temps morts appliqués aux fronts montants des commandes PWM, aux durées de la mise à l’état ON et OFF des commandes PWM ainsi qu’à la chute de tension aux bornes des semi-conducteurs. L’ensemble de ces phénomènes est la source de création d’une erreur dite erreur en tension, présente à l’échelle microscopique, et dont l’impact est moyenné à l’échelle macroscopique (au niveau d’un cycle électrique fondamentale) et est dominant dans la zone à basse vitesse de rotation. En effet le ratio erreur-amplitude fondamental est élevé à faible vitesse de rotation, ce qui n’est cependant pas le cas à haute vitesse de rotation. La valeur de la fréquence de la tension ou du courant de rang 1 (h1) est appelé « fondamental ».
Cette erreur en tension, induit une déformation du fondamental de la tension de commande appliquée en entrée de la machine électrique (en introduisant des harmoniques basses-fréquences). Cela se reflète à l’identique au niveau des courants statoriques, moyennant l’impédance de la machine électrique qui, à faible vitesse de rotation, est de faible valeur et est dans l’incapacité de filtrer ces harmoniques basses-fréquences. Ainsi, et comme mentionné précédemment, le ratio signal utile et bruits se dégrade ce qui impact négativement le procédé d’estimation de la position rotorique à faible vitesse de rotation (car ce dernier est conçu sous l’hypothèse du premier fondamental).
Ainsi une des problématiques est de démarrer en boucle fermée et sans capteur de position un moteur électrique de type synchrone, du démarrage avec un couple jusqu’à une vitesse de rotation spécifique.
L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant d’assurer un démarrage sans capteur et en boucle fermée, ainsi permet la prévention des phénomènes d’instabilité à faible vitesse de rotation et sous un couple de charge maximale, et de fonctionner en large zone de défluxage de la machine électrique. L’’invention permet de proposer une nouvelle solution à base d’algorithme de commande sans capteur de position, qui permet d’assurer un démarrage fiable et robuste en boucle fermée, depuis l’arrêt de la machine électrique jusqu’à la vitesse de rotation maximale.
Un aspect de l’invention concerne un dispositif de commande d’un convertisseur onduleur pour le démarrage d’un moteur électrique synchrone multi-phasée jusqu’à une vitesse seuil prédéterminée, d’une machine électrique, le dispositif de commande comprenant : une boucle de régulation, comprenant : un régulateur de courant pour délivrer une consigne de tension comprenant une tension quadratique et direct avec un angle, à partir d’une consigne de courant pour régulation, une unité de calcul pour calculer une transformation de Park direct et indirect, l’unité de calcul comprenant une sortie de retour de courant dans un repère de Park, à partir de valeurs de mesures des courants des phases reçues, transformées dans un repère de Park, en courant quadratique de retour et en courant direct de retour, en prenant en compte une valeur de position angulaire estimée du rotor reçue, caractérisé en ce que le dispositif de commande comporte en outre : un estimateur d’angle adaptatif en boucle fermé, pour estimer la valeur de position angulaire estimée du rotor, en se basant sur une différence entre au moins une donnée d’un vecteur de flux statorique de référence calculé en fonction des courants de retour, et une donnée d’un vecteur de flux statorique adaptatif, calculé à partir de la consigne de tension, des courants de retour, et d’une vitesse électrique estimée calculée en fonction de cette différence, un modificateur de courant de consigne, dans lequel, lorsqu’une valeur absolue de la vitesse électrique estimée reçue par l’estimateur d’angle adaptatif est inférieure à la vitesse prédéterminée seuil, le modificateur calcule un courant direct de consigne pour régulateur ayant une valeur non nulle, modifiant ainsi un courant direct de consigne d’un courant de consigne reçu.
De préférence, le lecteur de radio-identification a une puissance maximale de 2W.
Avantageusement, le lecteur de radio-identification permet de configurer les antennes de retournement temporel.
Avantageusement, le lecteur de radio-identification est muni de moyens de calcul et contrôle pilotés par une intelligence embarquée de type algorithmique ou intelligence artificielle.
De préférence, les fentes d’aération présentes dans la nacelle ont des dimensions inférieures au quart de la longueur d’onde utilisée par le lecteur de radio-identification.
Avantageusement, la nacelle est munie d’un dispositif permettant de détecter si la nacelle est ouverte ou fermée et configuré pour communiquer avec le lecteur de radio-identification.
De préférence, les radio-étiquettes sont passives et alimentées par ondes radio générées par le lecteur de radio-identification dans la bande de fréquences UHF (860 à 960 MHz).
Selon un autre aspect, l’invention a pour objet un système de gestion d’équipements installés dans une nacelle d’une turbomachine, les équipements étant munis de radio-étiquettes et la turbomachine étant équipée d’un lecteur de radio-identification et d’au moins deux antennes de retournement temporel.
Le système de gestion est caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de cartographie du champ électromagnétique à l’intérieur de la nacelle fermée, des moyens de correspondance entre la position connue des équipements et les caractéristiques électromagnétiques de leurs radio-étiquettes respectives, et des moyens de réalisation d’un inventaire en focalisant des ondes par retournement temporel.
Avantageusement, le système de gestion comprend des moyens de détection de la fermeture de la nacelle.
Avantageusement, le système de gestion comprend des moyens de réalisation d’un inventaire sans focalisation des ondes par retournement temporel.
Selon un autre aspect, l’invention a pour objet une turbomachine comportant des équipements munis de radio-étiquettes et équipée d’un lecteur de radio-identification et d’au moins deux antennes de retournement temporel, caractérisée en ce qu’elle comprend un système de gestion tel que défini ci-dessus.
L’invention a encore pour objet un aéronef comprenant une turbomachine telle que définie ci-dessus.
, dont il a déjà été fait mention, représente de manière schématique la segmentation classique de la mémoire des radio-étiquettes ;
illustre schématiquement une vue en coupe d’une nacelle de turbomachine d’aéronef ;
représente un organigramme d’un procédé d’inventorisation selon l’invention ;
Selon une autre variante de réalisation avantageuse, la machine ORC et le cas échéant le cycle frigorifique est(sont) agencée(s) dans une partie basse du système, en dessous de la piscine.
Selon encore une autre variante, le réacteur peut comprendre un injecteur agencé dans une partie basse du système et relié à la deuxième pompe agencée dans une partie haute du système, l’injecteur étant adapté pour amorcer cette la deuxième pompe.
De préférence, le réacteur comprend des batteries adaptées pour le démarrage électrique de première pompe, des composants électriques de l’ORC et le cas échéant du cycle frigorifique ainsi que de la deuxième pompe.
Ainsi, l’invention met en œuvre en premier lieu un système de condenseur passif de sureté utilisant comme source froide, une réserve d’eau ou piscine dans laquelle le condenseur passif est immergé et qui est agencée en hauteur (au-dessus du cœur de réacteur). Cette piscine permet d’évacuer la puissance résiduelle du cœur du réacteur.
Or, comme expliqué en préambule, cette architecture est dépendante du volume de la piscine: le temps de refroidissement de la piscine est proportionnel (ou directement lié) à son volume et donc est limité.
Pour pallier cela, l’invention consiste essentiellement à implanter une machine ORC et une réserve d’eau supplémentaire, distincte de la piscine, l’énergie stockée dans la piscine étant la source chaude pour l’évaporateur de l’ORC, la réserve d’eau supplémentaire alimentant directement le condenseur de l’ORC par une pompe dédiée pour constituer la source froide au condenseur de l’ORC.
Par-là, les pertes d’eau par évaporation de la piscine sont compensées en acheminant de l’eau depuis la réserve supplémentaire, avantageusement dans une partie basse, de préférence au niveau du sol, par rapport à la piscine en partie haute.
Un avantage majeur d’agencer la source froide depuis le sol est la simplification très importante du génie civil dédié au supportage et à la protection de ce volume de source froide de sûreté en partie haute de l’installation nucléaire, et de la réduction de coût de construction et de maintenance, et des études de tenue au séisme qui en découlent.
Le système d’évacuation de la puissance résiduelle selon l’invention se différencie des systèmes selon l’état de l’art, notamment par les aspects suivants :
contrairement aux systèmes existants qui utilisent l’air comme source froide, l’eau conduite de la partie basse depuis la réserve d’eau supplémentaire sert de source froide au condenseur de l’ORC cette eau amenée depuis la réserve d’eau supplémentaire peut avantageusement servir aussi de source froide au condenseur d’un cycle frigorifique qui a pour objectif de produire de la puissance de froid par exemple, pour refroidir l’expandeur de l’ORC et donc assurer une meilleure autonomie et fiabilité du système.
Un avantage majeur d’une configuration de système selon l’invention, par comparaison aux géométries des systèmes existants, est donc l’utilisation de l’eau acheminée en partie haute, pour alimenter la piscine en évaporation, comme source froide pour le condenseur du cycle ORC et avantageusement d’un cycle frigorifique.
Ainsi, une configuration d’un système selon l’invention permet la mise en oeuvre d’un échangeur à eau à plaques en tant qu’évaporateur de l’ORC, qui doit être certes déporté de la piscine mais dont le volume est bien plus faible que des condenseurs à air de puissance équivalente. A titre d’exemple indicatif, un échangeur à eau à plaques présente un coefficient d’échange par convection amélioré d’un facteur 50 à 100 par rapport à un condenseur dont le fluide est de l’air.
L’utilisation d’un échangeur à eau permet d’abaisser la pression de condensation du fluide ORC dans le cycle ORC et donc, le rendement est augmenté.
Le fait d’utiliser de l’eau pompée comme source froide du cycle ORC et avantageusement du cycle frigorifique, qui est combiné permet en outre d’augmenter grandement la fiabilité du système: la diminution des volumes des échangeurs les rend moins vulnérables aux agressions externes, qu’elles soient naturelles ou malveillantes.
De plus, les condenseurs à plaques eau/eau, sont des échangeurs très connus de l’état de l’art, possédant une grande fiabilité (critère essentiel dans le domaine du nucléaire).
Aussi, le fait que la source froide de l’ensemble des échangeurs de la source froide (cycle de refroidissement du réacteur, cycle ORC, cycle frigorifique) soit de l’eau, évite l’utilisation d’une source froide complémentaire, de l’air dans l’état de l’art.
La illustre, pour un premier exemple, le fonctionnement d’un mode de réalisation de l’invention.
La illustre, pour un deuxième exemple, le fonctionnement d’un mode de réalisation de l’invention.
La illustre, pour un troisième exemple, le fonctionnement d’un mode de réalisation de l’invention.
La illustre, pour un quatrième exemple, le fonctionnement d’un mode de réalisation de l’invention.
Le système de commande COM est destiné à piloter, au cours du temps, l’alimentation de la machine tournante MEL en fonction de valeurs cibles et/ou de valeurs mesurées de grandeurs prédéterminées. Ces valeurs cibles et/ou valeurs mesurées sont appelées dans la suite de la description variables de fonctionnement de la machine électrique. Pour le procédé et le système selon l’invention, le système de commande COM prend en compte une consigne de couple Cem* (qui peut provenir classiquement d’une demande de l’utilisateur de la machine électrique, alternativement cette consigne de couple peut être calculée par une régulation de vitesse), et au moins une autre variable de fonctionnement VAF qui peut être une mesure ou une consigne. On appelle variable de fonctionnement de la machine électrique, une grandeur qui caractérise le fonctionnement de la machine électrique, il peut s’agir notamment d’une variable électrique, comme la tension, le courant, ou la puissance de la machine électrique, d’une variable mécanique comme la position, la vitesse ou l’accélération du rotor de la machine électrique, etc. Les variables de fonctionnement peuvent par exemple être la vitesse de rotation électrique ω e du rotor (non représenté) de la machine électrique (alternativement cette variable peut aussi être la norme du flux magnétique dans les phases), l’amplitude de tension de la machine électrique, l’amplitude du courant de la machine électrique, une température de la machine électrique, le flux magnétique dû aux aimants, etc. On rappelle que la vitesse de rotation électrique ω e du rotor correspond à la multiplication de la vitesse de rotation mécanique ω m du rotor par le nombre de paires de pôles de la machine électrique synchrone MEL. En d’autres termes, on peut écrire : ω e =p.ω m avec p le nombre de paires de pôles de la machine électrique synchrone MEL.
Le capteur optionnel de position angulaire ou de vitesse de rotation angulaire CAP peut être configuré pour mesurer la position mécanique angulaire voire la position électrique angulaire, d’un rotor (non représenté) de la machine électrique synchrone par rapport au stator (non représenté), et pour délivrer un signal de position angulaire (respectivement de vitesse de rotation angulaire) représentatif de la valeur mesurée de la position angulaire (respectivement de la vitesse de rotation angulaire) du rotor de la machine électrique tournante.
Le procédé de commande d’une machine électrique tournante selon l’invention comporte les étapes suivantes en temps réel :
Acquisition (Réception) de la consigne de couple de la machine électrique synchrone, Acquisition d’une consigne ou d’une mesure d’une seule ou d’une pluralité de variables de fonctionnement de la machine électrique, Détermination d’un paramètre de correction d’une variable de fonctionnement, en fonction d’une prédiction (estimation) de tension absolue dépendante des courants dans les phases de la machine électrique, et en fonction de consignes de tension (notamment en fonction de la tension absolue de consigne), Détermination de consignes de courant de la machine électrique synchrone, au moyen d’au moins un modèle de contrôle, le modèle de contrôle relie : La consigne de couple, L’au moins une variable de fonctionnement, Une variable de fonctionnement (parmi l’au moins une variable de fonctionnement) étant corrigée au moyen dudit paramètre de correction, et Les consignes de courant : les consignes de courant dits « direct » et « en quadrature », (ou de manière analogue, la consigne de la norme de courant et de l’angle de défluxage), Détermination du régime de fonctionnement de la machine électrique (également appelé régime de saturation de la machine électrique) et d’une méthode d’asservissement associée, Détermination de consignes de tension par application de la méthode d’asservissement aux consignes de courant, Détermination d’un signal de commande de commutation de l’onduleur au moyen des consignes de tension, et Commande de l’onduleur au moyen du signal de commande de commutation.
- mettre en œuvre l’étape c) en acheminant les billes 200 dans la chambre de récupération 500,
puis après la réalisation d’un ou plusieurs cycles, on met en œuvre les étapes suivantes :
- mettre en œuvre l’étape d1) dans la chambre de récupération 500 et, de préférence, dans une chambre de dissolution des sels 600 (de préférence il s’agit d’un tube), pour avoir le temps de séjour optimal,
- mettre en œuvre l’étape d2) dans le réacteur de chauffage 800 positionné en amont du réacteur principal 100,
- de préférence mettre en œuvre l’étape e) dans un autre réacteur de gazéification reliée à la sortie 502 de la chambre de récupération 500.
Nous allons maintenant décrire de manière plus détaillée l’agencement des différents composants du dispositif.
Le réacteur principal ou réacteur de prégazéification 100 comprend l’entrée de matière à traiter 101, une entrée de billes 102 et une sortie 103 pour évacuer un milieu réactionnel comprenant les billes, l’eau et la biomasse.
La biomasse peut être stockée dans un réacteur de stockage. Un système de transfert comprenant un sas de transfert peut être disposé entre le réacteur de stockage et le réacteur principal ou réacteur de prégazéification 100 pour transférer la biomasse du réacteur de stockage vers le réacteur principal 100.
L’entrée de billes 102 est également reliée au réacteur de chauffage 800.
Les billes 200 chauffées sont mises en contact avec le mélange à traiter dans le réacteur principal ou réacteur de prégazéification 100. Le réacteur peut être :
- à haute pression (typiquement supérieure à 250 bar) et à température ambiante (entre 20 et 25°C), ou
- à haute pression (typiquement supérieure à 222 bars et de préférence supérieure à 250 bars) et à une température supérieure à 200°C et de préférence inférieure à 374°C (par exemple 300°C).
Les billes 200 transfèrent leur chaleur au mélange à traiter : la température du mélange augmente et passe en conditions supercritiques (température supérieure à 374°C). On forme un mélange réactionnel dans le réacteur principal ou réacteur de prégazéification 100.
Le mélange réactionnel est ensuite acheminé dans le réacteur de gazéification 300 relié à la sortie 103. Ce réacteur est par exemple un tube. Il a une longueur adaptée pour que l’énergie stockée dans les billes soit cédée à l’eau supercritique et que les sels se déposent sur les billes 200 lors du passage de l’eau en phase gaz.
A la sortie 302 du réacteur de gazéification 300, le mélange réactionnel est évacué dans une chambre de récupération 500. Dans cette chambre 500, on sépare d’une part un mélange de gaz et d’eau supercritique et d’autre part les billes 200 recouvertes par la coquille de sels 210. La partie basse de la chambre 500 est régulée à une température inférieure à la température critique de 374 °C (par exemple à une température de 360°C) pour que le gaz supercritique redevienne liquide et ainsi de re-dissoudre les sels dans l’eau. Une sortie 502 permet d’évacuer l’eau supercritique et le gaz de synthèse. Une sortie 503 permet d’évacuer les billes.