Avion Electricité Journée club EEA 18-19 mars 2004

1. J. P. Hautier A. Bouscayrol P. Delarue, E. Semail E. Monmasson J.P.Louis M. Benkhoris B. Davat F. Meibody-Tabar H. Razik S. Piefederici B. de Fornel M. Pietrzak-David Avion Electricité Journée club EEA 18-19 mars 2004 Groupe Thématique “Systèmes” OpérationSMM Systèmes Multimachines Multiconvertisseurs du Groupement de Recherche ME2MS Machines polyphasées : de la Modélisation Multimachine à la Commande

2. - Plan - 1. Machines Polyphasées et avionique • Polyphasé ? , Pourquoi ?, Aujourd’hui? , Problèmes ? 2. Equivalence avec un ensemble Multimachine • Justification théorique 3. Exemple: machine synchrone pentaphasée à aimants • Synthèse d’une MLI originale de l’onduleur de tension • Commande vectorielle de la machine pentaphasée • Un fonctionnement sur 4 phases (mode dégradé)

3. 1. «  Machines polyphasées et avionique » From « More electric control surface actuation : a standard for the next generation of transport aircraft » D.Van den Bossche, AIRBUS, EPE2003

4. - 1. Machines Polyphasées et avionique - • Polyphasée ? • au minimum 2 phases…(indépendantes) pour créer un champ tournant • (diphasée, triphasée couplée étoile/triangle) • au minimum 3 phases... (indépendantes) pour fiabilité • (triphasée étoile neutre sorti, pentaphasée, hexaphasée,...) • Concrètement • Triphasée neutre alimenté: oui mais composants supplémentaires • Hexaphasée double étoile alimentée par 2 ponts à thyristors triphasés • (4 phases indépendantes, stratégie simple de commande en mode dégradé) • Quelques cas d’alimentation par onduleur de tension (5, 6, 9, 13, 15)

5. - 1. Machines Polyphasées et avionique - • Pourquoi ? • Constat: • Électrification des systèmes embarqués • (Utilisation d’actionneurs commandables électriquement) • (électromagnétiques, hydrauliques/électriques, piézo-électriques...) • ( Mis à profit d’algorithmes de commande élaborés) • (optimisant fiabilité et ressources énergétiques) • Contraintes essentielles : • Couples massique et volumique…aimants permanents • fiabilité … polyphasé

6. - 1. Machines Polyphasées et avionique - • Aujourd’hui ? • Puissance croissante des DSP, des FPGA: possibilité/coût acceptable • Vitesse variable/nombre de phases…paramètre de dimensionnement • Prototypes virtuels ... de “drives” (modélisation “fine” accessible) • Problèmes ? • Outils conceptuels et synthétiques de commande non disponibles: • (Machine diphasée équivalente, phaseurs complexes) • ( Représentation graphique des onduleurs de tension et machine) • Privilège des machines à deux phases indépendantes alimentées par onduleurs) • Concevoir machine adaptée à l’onduleur

7. 2. «  Ensemble Multimachine équivalent » transformation machines couplage machine fictives mécanique réelle v' C v 1 m1 v 1 1 M 1 W i i m1 i ph1 ph1 C C tot tot W W C v' v mp p n M v p n i i W mp phn i n

8. machine transfor- machines Couplage réelle mation fictives mécanique v' C v 1 v m1 1 1 M 1 W i i i m1 ph1 ph1 C C tot tot W W C v v' mp n p M v p n i i W mp phn i n Couplage électrique…aisé à traiter Couplage magnétique - 2. Ensemble Multimachine équivalent - (GDR SDSE-ME2MS…thèse X. Kestelyn/L2EP)

9. machine réelle • Ensemble de machines fictives dotées de propriétés caractéristiques • dim EL = nombre de phases de la machine fictive associée à lL • lL: inductance de la machine fictive v 1 i ph1 C tot W v n i phn - 2. Ensemble Multimachine équivalent - • Hypothèses : machineà pôles lisses et non saturée • SYMETRIE : matrice inductance propre statorique • Diagonalisable : valeurs propres réelles lL … les « inductances cycliques » • Orthogonalité des espace propres EL associé à chaque valeur propre lLflux d’énergie indépendants

10. Représentation multidimensionnelle de l’onduleur + Prototype virtuel 3. «  Machine synchrone pentaphasée » Entraînement pentaphasé

11. Onduleur multibras Couplage mécanique Ctot=Cmh+ Cmp+Cms 3 Machines fictives Phases couplées magnétiquement - 3. Machine synchrone pentaphasée -

12. Onduleur fictif Couplage mécanique Ctot=Cmh+ Cmp+Cms Couplage électrique (Projection dans les espaces propres) 3 Machines fictives - 3.Machine synchrone pentaphasée -

13. - 3. Plan: Machine synchrone pentaphasée • 3.1 Outil d’analyse • 3.2 Outil de synthèse: MLI originale de l’onduleur de tension adaptée • 3.3 Outil de synthèse: commande vectorielle des deux machines fictives • 3.4 Un fonctionnement sur 4 phases

14. 200 M. Principale 60 400 400 M. Secondaire M. Homopolaire M. Homopolaire - 3.1. Outil d’analyse - Analyse des ondulations parasites du courant Projections Courant de phase MLI intersective « triangle/sinus »

15. Onduleur triphasé alimentant machine diphasée vdq1 MP MS 25= 32 vecteurs MH Onduleur - 3.2 Outil de Synthèse: MLI originale - v V ot1 DC SE i i ph1 ot1 v v V dq1 ot2 DC SE i i i mp ph2 ot2 v v dq2 V ot3 DC SE i ms i i v ph3 ot3 o v V ot4 DC i SE mh i i ph4 ot4 v V ot5 DC SE i i ph5 ot5 …alimentant 2 machines diphasées et une machine monophasée 3 onduleurs indépendants alimentant 3 machines

16. 200 M. Principale 60 400 400 M. Secondaire homopolaire M. Homopolaire M. Homopolaire - 3.2 Outil de Synthèse: MLI originale - Analyse des ondulations parasites du courant Projections Courant de phase MLI intersective

17. M. Principale ? Projections M. Secondaire M. Homopolaire - 3.2 Outil de Synthèse: MLI originale - Synthèse d’une commande

18. - 3.3 Commande vectorielle machine pentaphasée - 3 accumulateurs inductifs l (valeurs propres) Couplage mécanique Ctot=Cmh+ Cmp+Cms Machines fictives Accumulateur cinétique Couplage électrique Modèle causal REM (Représentation Energétique Macroscopique) pour la commande

19. - 3.3 Commande vectorielle machine pentaphasée - ep up is ip ims imo SM us COMMANDE uhrég Chrég m1rég uprég es ihrég Crég m2rég m3rég Cprég Wréf m4rég m5rég usrég Csrég Critères couples ih uh Ch v1 MH i1 ih eh v2 Cem W i2 Cp v3 i3 MP v4 W i4 Cs Crés v5 i5 MS W Déduction systématique d’une Structure Maximale de Commande SMC

20. - 3.3 Commande vectorielle machine pentaphasée - ihréf = 0 Choix des critères couples ? En fonctionnement normal • Machine homopolaire monophasée non alimentée • 2 machines diphasées alimentées afin d’optimiser le rendement…vecteur fem et vecteur courant colinéaires In fine,…simplement deux commandes vectorielles de machines diphasées

21. - 3.3 Commande vectorielle machine pentaphasée - Asservissement de vitesse: 2 machines actives Courant dans la Machine principale (à partir des mesures des courants réels) Courant dans la Machine secondaire Vitesse expérimentale

22. - 3.3 Commande vectorielle machine pentaphasée - Courant de phase et courantsd,q impd 0 M. Principale impq imsq imsd 0 Avec iqms=30% iqmp…pertes Joule minimales M. Secondaire

23. - 3.4 Mode dégradé: fonctionnement sur 4 phases - Hypothèse d’une machine « sinus » sans harmonique de fem Stratégie: ne piloter que les machines principale et secondaire

24. - 3.4 Mode dégradé: fonctionnement sur 4 phases - Hypothèse d’une machine « sinus » sans harmonique de fem COUPLE Courants dans les machines fictives et couple total

25. Conclusion Entraînement polyphasée intrinsèquement …plus fiable Formalisme… représentation conceptuellement pratique d’utilisation Formalisme…outil d’analyse et de conception…de la commande … du générateur Formalisme…comparaison aux autres SMM eric.semail@llle.ensam.fr

26. - 3.3 Commande vectorielle machine pentaphasée - Seulement la machine principale

27. Fem réelle

28. Cp = ep . ip Cs = es . is Fem des machines fictives Les fem sont composées par des familles harmoniques de la fem réelle. Chaque machine peut fournir un couple constant (principale- diphasée) ou non (homopolaire). Ch = eh . ih