a Définition et intérêt des MSDE

Le principe de la machine synchrone à double excitation combine deux sources de flux, une à aimants permanents et l’autre bobinée. La structure profite ainsi des avantages des deux technologies, à savoir un bon rendement et un bon couple massique en plus d’une simplicité du contrôle de flux.

La MSDE est alors une excellente alternative aux MSAP conventionnelles que ce soit pour des applications en mode moteur ou en mode générateur. En fait, si on prend le cas d’une machine de traction électrique, le degré de liberté supplémentaire apporté par la double excitation peut permettre de caler la zone de rendement maximal dans un plan couple vitesse sur la zone de

fonctionnement la plus sollicitée améliorant ainsi l’efficacité énergétique du système de traction [AMA_01]. La MSDE semble également bien adaptée pour une application en générateur électrique. En effet, le défluxage par la bobine d’excitation permet d’éviter l’utilisation d’une électronique de puissance complexe pour réguler la tension. La double excitation est une solution fiable, elle permet d’avoir une source de flux même en toute circonstance. Ainsi, supposant que la bobine d’excitation fonctionne correctement, en cas de défaut tel un court-circuit du bobinage statorique, il suffit de défluxer grâce à la bobine d’excitation pour annuler le flux et par conséquent limiter les courants de court-circuit sans avoir recourt aux systèmes de protection.

Pour mieux valoriser l’intérêt de la MSDE prenons le cas d’un moteur électrique. Le diagramme de Fresnel reste le même que pour une MSAP (Figure 1-19(b)). La différence s’illustre dans l’expression du flux d’excitation où une partie sera constante (Φa), créée par l’aimant

permanent, et l’autre partie ajustable (Φb) est créée par le bobinage d’excitation. Le flux

d’excitation aura pour expression (1.6):

f f a b a exc   M I  (1.6)

Avec: - Mf est l’inductance mutuelle entre la bobine d’excitation et le bobinage du stator,

- If est le courant d’excitation avec Ifmin < If < Ifmax,

- Ifmin est le courant d’excitation minimal limité par le risque de démagnétisation

des aimants permanents et par l’échauffement du bobinage d’excitation,

- Ifmax est le courant d’excitation maximal limité par l’échauffement de la bobine

d’excitation.

La vitesse exprimée par la relation (1.3) devient :



 



On voit apparaitre le courant d’excitation dans l’expression (1.7) de la vitesse. Pour faire de la survitesse il faudra alors soit faire comme pour les MSAP, c’est à dire contrôler l’angle de charge (solution coûteuse énergétiquement et matériellement), soit contrôler le courant d’excitation If. Même si la solution de contrôle par le courant d’excitation entraîne des pertes

joules supplémentaires, elle assure un fonctionnement sur des plages de vitesse plus étendues et avec des rendements plus intéressants que la solution où l’angle de charge est contrôlé.

En utilisant un modèle reposant sur un diagramme à réactance synchrone [SEG_06] on peut comparer les rendements dans un plan couple-vitesse d’une MSAP et d’une MSDE. Les deux machines sont identiques à part la méthode de contrôle du flux. Pour la MSAP le contrôle se fera à travers l’angle de charge et pour la MSDE le contrôle se fera à travers le courant d’excitation If. Pour les deux machines on adoptera une stratégie de commande qui minimisera

les pertes. Pour cette comparaison seules les pertes joules sont prises en compte. [AMA_01] et [VID_05] présentent des modèles permettant la prise en compte des pertes fer. Pour la MSDE, on introduit un paramètre supplémentaire qu’on appelle « taux d’hybridation » (ToHy) et qui représente la part du flux crée par les aimants permanents par rapport aux flux maximal (Φmax)

que peut créer l’inducteur (l’ensemble aimants plus bobine d’excitation). L’expression (1.6) du flux d’excitation devient :

f f b a exc  ToHy M I  max (1.8)

Avec: - Φmax = Φa + Mf Ifmax est le flux d’excitation maximal

Pour notre comparaison, on prendra une MSDE avec un taux d’hybridation de 50%. La comparaison des performances des MSDE et MSAP est illustrée par la Figure 1-20. Sur la Figure 1-20(a) et la Figure 1-20(c) ont peut voir les courbes d’iso rendements respectivement de la MSAP et de la MSDE dans un plan couple/vitesse. On remarque qu’au-delà de la vitesse de base le rendement de la MSAP se dégrade rapidement. Cette chute du rendement est due à la dégradation du facteur de puissance lors du défluxage par action sur l’angle ψ comme le montre la Figure 1-20(b). Par contre, pour la MSDE, le défluxage se fait par le courant d’excitation (Figure 1-20(d)) permettant ainsi un fonctionnement à des plages de vitesse plus étendue (Figure 1-20(c)) que celle de la MSAP et avec des rendements meilleurs. Il faut noter que lors d’un fonctionnement à vitesse inférieure à celle de base le rendement de la MSAP est supérieur à celui de la MSDE (pertes joules du bobinage d’excitation). Mais si les deux moteurs sont utilisés suivant un cycle de fonctionnement qui sollicite souvent la survitesse on remarquera que le rendement moyen sur le cycle de la MSDE est supérieur à celui de la MSAP.

Selon l’application souhaitée de la machine, le taux d’hybridation constitue un degré de liberté supplémentaire pour son dimensionnement. En fait, le bon choix du taux d’hybridation permet de caler la zone de fonctionnement à rendement maximal sur la zone de fonctionnement la plus sollicitée du plan couple/vitesse. On peut voir sur la Figure 1-21 le déplacement de la zone de rendement maximal d’un moteur MSDE suivant l’évolution de son taux d’hybridation. Si, par exemple, le point de fonctionnement le plus sollicité est à une vitesse de 2500 tr/min avec un couple de 500 Nm, on aura intérêt à choisir les MSDE ayant des taux d’hybridation de 20% et de 50%. Par contre, si le point le plus sollicité se situe à une vitesse de 1500 tr/min avec un couple de 500 Nm, on aura intérêt à choisir les MSDE ayant des taux d’hybridation de 75% ou 100%.

Figure 1-20 : courbe d’iso-rendement de la MSAP (a), évolution de sa commande (angle de charge) (b), courbe d’iso-rendement de la MSDE (ToHy=50%) (c) et évolution de sa commande (courant d’excitation)

(d) dans un plan couple /vitesse

Figure 1-21 : Courbes d’iso-rendement de MSDE avec des taux d’hybridation différents ; 25%(a), 50%(b), 75%(c) et 100%(d)

(a) Iso-rendement MSDE ToHy=25% (b) Iso-rendement MSDE ToHy=50%

(c) Iso-rendement MSDE ToHy=75% (d) Iso-rendement MSDE ToHy=100%

(a) Iso-rendement MSAP (c) Iso-rendement MSDE