Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Les machines synchrones à double excitation (MSDE) tentent de pallier les inconvénients liés à l’utilisation des aimants permanents, notamment les problèmes relatifs aux flux d’excitation constant. Ces machines ont pour but de combiner ainsi les avantages des machines à aimants permanents, notamment leur très bon rendement énergétique, à ceux des machines à excitation contrôlable possédant la facilité de fonctionnement à vitesse variable. Le flux d'excitation dans ces machines est la somme d'un flux créé par des aimants permanents et un flux d'excitation créé par des bobines. Le contrôle de ce flux permet un fonctionnement plus souple à vitesse élevée, un meilleur dimensionnement de l'ensemble convertisseur-machine et une amélioration du rendement énergétique.
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Double excited synchronous machines (DESM) attempt to overcome the disadvantages associated with the use of permanent magnets, including problems relating to the constant flow of excitation. Such machines are intended to combine the advantages of permanent magnet machines, notably their high energy efficiency, with controllable excitation machines possessing an ease of operation at variable speeds. The excitation flux in these machines is the sum of a flow created by permanent magnets and an excitation flux created by the coils. Controlling this flux provides a more flexible operation at high speeds, improves the dimensioning of the transforming unit and improves energy efficiency.
Auteur(s)
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Lionel VIDO : Agrégé de Génie Électrique - Docteur ès-Sciences de l'École Normale Supérieure de Cachan - Maître de Conférences - Laboratoire SATIE, UMR CNRS 8029 - Université de Cergy-Pontoise
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Yacine Amara : Ingénieur de l'École Nationale Polytechnique d'El Harrach (Alger) - Docteur ès-Sciences de l'Université Paris-Sud XI - Maître de Conférences - Laboratoire GREAH - Université du Havre
-
Mohamed GABSI : Docteur habilité à diriger les recherches (HdR) de l'Université Paris-Sud XI - Professeur des Universités - Laboratoire SATIE, UMR CNRS 8029 - ENS de Cachan
INTRODUCTION
Les entraînements électriques à base de machines synchrones à aimants permanents (MSAP) sont présents dans un très grand nombre d'applications industrielles. Parmi les avantages de ces dispositifs, il est important de souligner l'amélioration du rendement énergétique dû à l'utilisation des aimants permanents. Cependant, certains inconvénients liés au flux d'excitation constant, que créent les aimants permanents, sont à considérer. En effet, le fonctionnement à vitesse variable, et plus particulièrement à vitesse élevée, de ces machines est plus problématique que celui des machines à excitation bobinée par exemple. Le fonctionnement à haute vitesse nécessite la mise en place d'algorithme dit de « défluxage », consistant à injecter un courant d'induit ayant une composante négative dans l'axe direct. Ce type de fonctionnement n'est cependant possible que si le convertisseur connecté à la machine est contrôlable et il n'est pas exempt de tout risque, à savoir le risque de démagnétisation des aimants. De plus, le « défluxage » ne peut être efficace que si la réaction magnétique d'induit de la machine est assez importante pour contrecarrer le flux d'excitation des aimants permanents. Il est à noter qu'une réaction magnétique d'induit assez forte est synonyme d'un mauvais facteur de puissance.
Les machines synchrones à double excitation (MSDE) tentent de pallier ces inconvénients en alliant les avantages des machines à aimants permanents (très bon rendement énergétique) à ceux des machines à excitation contrôlable (facilité de fonctionnement à vitesse variable). Le flux d'excitation dans ces machines est la somme d'un flux créé par des aimants permanents et un flux d'excitation créé par des bobines.
Dans ce dossier, nous présentons dans ses grandes lignes, le principe de fonctionnement et de dimensionnement des MSDE avec :
-
le principe de fonctionnement des machines à double excitation, ainsi que les différentes structures basées sur ce principe (§ 2) ;
-
les principes de réglage des MSDE à vitesse variable, en utilisant des modèles simples premier harmonique de la machine et en supposant que l'on dispose d'une alimentation de forme sinusoïdale (§ 3) ;
-
l'apport de ces machines dans le cadre d'une application en traction électrique (§ 4) ;
un tableau non exhaustif sur la situation actuelle de la recherche et du développement concernant ces machines et quelques perspectives (§ 5).
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Présentation
Conclusion
En anglais
4. Éléments de dimensionnement
Le dimensionnement consiste à définir les valeurs des grandeurs caractéristiques d'un dispositif pour qu'il joue convenablement le rôle qui lui revient dans un environnement donné. Le rôle que doit jouer le dispositif en question est généralement formulé sous forme de contraintes consignées dans un cahier des charges. Le cahier des charges, en plus de contenir des contraintes sur les caractéristiques fonctionnelles du dispositif, impose souvent des limitations en termes de coûts et de délais aux concepteurs.
Dans nombre d'applications industrielles, les concepteurs sont confrontés à des études de dimensionnement très complexes, faisant appel à des modélisations multiphysiques, dans des délais très courts. La modélisation joue un rôle central dans la réduction du délai de dimensionnement. On s'intéresse dans le paragraphe 4.1 à la problématique de la modélisation pour le dimensionnement des machines à double excitation. On se limite cependant au dimensionnement électromagnétique de ces machines.
Dans le paragraphe 4.2, on aborde le dimensionnement optimal des machines à double excitation à travers un exemple de dimensionnement d'une machine pour la traction électrique.
4.1 Modélisation pour le dimensionnement
Deux grandes familles de modèles sont utilisées pour le dimensionnement électromagnétique des machines électriques :
-
les modèles numériques (la méthode des éléments finis est le plus souvent utilisée, cf. [Doc. D 3 525]) ;
-
les modèles analytiques (méthode des circuits de réluctances, résolution formelle des équations de Maxwell dans les parties à perméabilité fixe, cf. [Doc. D 3 525]).
Les modèles analytiques sont souvent utilisés pour explorer rapidement l'espace des solutions potentiellement optimales. Ces modèles sont basés sur des hypothèses simplificatrices qui rendent leur temps d'exécution relativement faible. Leur construction est cependant très fastidieuse. Le dimensionnement définitif est obtenu par...
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Éléments de dimensionnement
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HENNEBERGER (G.), HADJI-MINAGLOU (J.R.), CIORBA (R.C.) - Design and test of permanent magnet synchronous motor with auxiliary excitation winding for electric vehicle application. - European Power Electronics Chapter Symposium, Lausanne, p. 645-649, oct. 1994.
-
(2) - LUO (X.), LIPO (T.A.) - A synchronous/permanent magnet hybrid AC machine. - IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 15, no 2, p. 203-210, juin 2000.
-
(3) - SYVERSON (C.D.) - Hybrid alternator. - US Patent 5,397,975, 14 mars 1995.
-
(4) - MIZUNO (T.) - Hybrid excitation type permanent magnet synchronous motor. - US Patent 5,682,073, 28 oct. 1997.
-
(5) - AMARA (Y.), LUCIDARME (J.), GABSI (M.), LÉCRIVAIN (M.), BEN AHMED (A.H.), AKÉMAKOU (A.) - A new topology of hybrid synchronous machine. - IEEE Trans. Ind. Applications, vol. 37, Issue 5, p. 1273-1281, sept.-oct. 2001.
-
(6) - FODOREAN...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Logiciels de calculs par la méthode des éléments finis
Ansys (diffusion Ansys) http://www.ansys.com/international/ansys-france.asp
Flux 2D et Flux 3D (diffusion Cedrat) http://www.cedrat.com/
FEMM (logiciel libre) http://www.femm.info/wiki/HomePage
Maxwell (diffusion Ansoft) http://www.ansoft.com/products/em/maxwell/
Opera (diffusion Cobham Technical Services - Vector Fields) http://www.cobham.com/
MEGA (diffusion University of Bath) http://www.bath.ac.uk/elec-eng/research/emd.html
HAUT DE PAGE1.2 Logiciels pour la modélisation analytique
Matlab http://www.mathworks.fr/
Scilab http://www.scilab.org/
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