Etat de l’art des machines multi-étoiles

En général, les machines électriques qui comportent plus de trois phases sont dénommées machines polyphasées. A l’origine, les machines polyphasées ont été développées pour permettre de surmonter la limite de courant imposée par les composants semi-conducteurs dans les années 70-80, grâce à la diminution des courants de phase. Les génératrices polyphasées à double bobinage ont également permis de disposer d’une solution optimale pour alimenter les réseaux de bord à la fois AC et DC des avions et des navires. Le réseau DC était alimenté par un redresseur connecté à un des deux circuits de bobinage et le réseau AC directement alimenté par le deuxième circuit. L’avantage de cette solution consistait dans la réduction de la masse, par la diminution des dispositifs de filtrage. Parmi les nombreuses solutions différentes de machines polyphasées, la machine multi- étoiles, en particulier la machine double étoile avec un déphasage spatiale de 30° alimentée par des créneaux de

courant, est probablement la plus répandue et la plus étudiée dans la littérature à partir des années 1970 [96], [175], [186]–[193]. C’est l’étude dans [175], qui met en évidence entre plusieurs dispositions spatiales de deux étoiles, que le déplacement de 30° entre les deux étoiles est bien meilleur par rapport à 0° ou 60° en ce qui concerne les

caractéristiques du couple. D’autre part, alimenter une machine double étoile décalée de 30° avec deux

convertisseurs triphasés de tension, au lieu d’une machine triphasée alimentée par un seul convertisseur, permet de repousser les harmoniques par rapport au fondamental et de supprimer l’harmonique de rang 6 du couple. Dans

[175], [186], [194], les auteurs montrent également que le déplacement spatial de 30° entre les deux étoiles offrent

le meilleur compromis entre les harmoniques de courant de phase et les ondulations de couple. En effet, avec une alimentation « sinus », cela revient à mettre en opposition les étoiles d’un point de vue électrique et cela permet de réduire considérablement les harmoniques de courant, ainsi que les ondulations de couple. Les auteurs [31], [131], [180], démontrent que le concept peut être étendu à 𝑠 étoiles et 𝑠 convertisseurs. Par conséquent, l’angle

spatial de déplacement de 𝑠 étoiles, qui offre les meilleures performances pour une machine multi-étoiles, est

généralement 𝜋 𝑞𝑡𝑜𝑡 ou

2𝜋

𝑞𝑡𝑜𝑡, selon que le nombre d’étoiles est pair ou impair.

D’autres auteurs [45], [55], [112], [132], [176], [177], [181], [195], [196], ont également envisagé et étudié d’autres dispositions spatiales des étoiles, associées à différents types de courant d’alimentation, ou des structures de conversion de puissance, selon différents objectifs : d’un point de vue commande, d’un point de vue qualité du couple et formes d’ondes ou encore d’un point de vue sûreté de fonctionnement pour la tolérance de panne. Pour ce dernier objectif que constitue la sûreté de fonctionnement, les auteurs recherchent une ségrégation magnétique entre les phases homologues, donc l’absence de couplage magnétique inter-étoiles. Les principales raisons dans le recours à l’utilisation de machines polyphasées, à la place des machines triphasées classiques, résident principalement dans les performances d’alimentation des machines polyphasées et du courant nominal des convertisseurs de puissance. D’après [195]–[197], les principaux avantages d’alimentation des machines polyphasées tiennent dans la répartition de la puissance d’un bras dans plusieurs convertisseurs, ce qui permet de réduire la sollicitation d’un interrupteur statique à la place des techniques de parallélisation des structures de convertisseur, des techniques qui complexifient la commande et diminue la fiabilité de fonctionnement du convertisseur. Pour la machine multi-étoiles en particulier, en plus du fractionnement de la puissance, la structure de la machine offre une fiabilité de fonctionnement naturelle. Lorsqu’une ou plusieurs phases est en défaut, il suffit de déconnecter l’étoile comportant le défaut et on se retrouve avec une structure classique dont la commande en régime permanent reste simple. Grâce aux machines polyphasées, la fiabilité du système machine-convertisseurs est augmentée, notamment lors de la perte d’une phase de la machine, ou bien d’un module de convertisseur. En ce qui concerne les performances de la machine, les ondulations de couple peuvent être diminuées et le facteur de bobinage augmenté grâce à un choix approprié de la configuration de bobinage. Dans le cas d’une machine multi- étoiles, une répartition spatiale judicieuse des étoiles permet de diminuer les ondulations de courant et de couple. En comparaison avec une machine triphasée alimentée par un onduleur pleine onde, les pertes au rotor de la machine polyphasée dues aux harmoniques peuvent également être diminuées.

Alimentées dans un premier temps par des convertisseurs à commutateurs de courant, les machine double étoile, qui fonctionnaient à faibles fréquences de découpage, ont présenté l’inconvénient majeur de générer des ondulations de courants et donc de couple. A cet inconvénient, une solution a été proposée : les machines multi- étoiles sont alors alimentées par un convertisseur à commutateurs de tension, aujourd’hui des transistors IGBT, demain des composants « grand-gap ». Ces convertisseurs en tension ont également amené une autre problématique. Des courants parasites apparaissent dans le cas d’étoiles déphasées spatialement. A moins de disposer d’une commande parfaitement symétrique à chaque instant donné de commutation, des courants de circulation provoqués par des écarts entre les temps de commutation des bras de chaque onduleur, dus aux imperfections des composants, génèrent alors des pertes supplémentaires et des échauffements préjudiciables pour le système convertisseur-machine. L’alimentation d’une machine double étoile par un convertisseur de tension nécessite donc une synchronisation des ordres de commande de chaque bras, au risque de voir apparaître des courants parasites supplémentaires [176]. Ces phénomènes inattendus sont liés d’une part, à la limitation d’ordre conceptuelle de la structure qui met en application un couplage magnétique naturel entre les étoiles et d’autre part, à la stratégie de commande de l’onduleur. Si ces couplages magnétiques ne sont pas pris en compte, ou pas suffisamment étudiés de manière à être maîtrisés, ils deviennent préjudiciables. Ces couplages entre les étoiles annulent également les courants homopolaires liés aux harmoniques multiples du nombre de phases d’une étoile. Par conséquent, même s’il existe dans la FEM une harmonique de rang 𝑞, il n’en reste pas moins impossible de

l’utiliser dans la création du couple. L’alimentation du neutre est alors nécessaire si l’on souhaite utiliser ce rang d’harmonique pour créer du couple. Dans [132], l’auteur analyse une machine double étoile à induction dont la création de FMM comprend principalement le fondamental et le rang 3 à partir de deux bobinages différents. Pour

le même type de machine, dans [198], les auteurs mettent en avant l’augmentation conséquente de couple grâce à l’alimentation des deux neutres. Cette augmentation de couple est rendue possible par l’utilisation de l’harmonique de rang 3 qui vient saturer uniformément les matériaux de la machine contrairement à une machine triphasée

classique.

Ces phénomènes de couplage inter-étoiles existants de la machine multi-étoiles étaient jusque-là masqués par les convertisseurs à commutateurs de courant, qui pouvaient être commandés, comme s’ils alimentaient chacun une machine triphasée seule. En effet, grâce à la particularité de l'alimentation en courant, lorsqu'il y a commutation du courant dans une étoile, les autres courants restent constants dans les autres étoiles. Ils n'interagissent donc pas via les inductances mutuelles inter-étoiles. Cela n’est plus vrai pour des convertisseurs à commutateurs en tension. Cette méthode présente donc des limites. Même si dans le principe, la commande de type modulation des largeurs d’impulsions (MLI), généralement mise en œuvre pour des convertisseurs à commutateurs en tension, élimine les courants parasites indépendamment de la structure de la machine, il faut monter suffisamment en fréquence pour la porteuse. Elle implique également des pertes supplémentaires par commutation. Il existe, aujourd’hui, des solutions pour contrer cet effet indésirable, mais au prix d’une complexification de la structure du convertisseur telle que, l’ajout de plusieurs niveaux d’interrupteurs en série ou en parallèle et l’utilisation de nouveaux composants « grand-gap », qui présentent des pertes par commutation inférieures à un interrupteur actuel de type IGBT en silicium. Sans augmenter la fréquence de la MLI, une autre approche consiste à modifier les bobinages en jouant sur les inductances de fuite. Ces inductances de fuite permettent de limiter les courants parasites.

La machine double étoile peut être alimentée par deux onduleurs triphasés, ce qui évite de devoir concevoir un convertisseur personnalisé. Cette dernière présente également l’avantage non négligeable d’être facilement concevable à partir d’une machine triphasée existante. Une comparaison des avantages majeurs entre des machines double étoile et six phases a été menée dans [199], pour deux cas d’alimentation, pleine onde et MLI. Les résultats ont montré, encore une fois pour le cas de l’alimentation en pleine onde, une diminution des ondulations des courants au rotor et des ondulations de couple pour la machine double étoile, grâce à l’élimination des harmoniques de rangs 6𝑛 ± 1 (𝑛 = 1, 3, 5, … ) contenues dans la FMM. Cela représente un effet bénéfique sur

les vibrations et le bruit. Par contre, il est intéressant de remarquer, que pour le cas d’une alimentation MLI, il y a très peu de différence de comportement entre les deux machines. Pour l’alimentation MLI, comme précisé précédemment, en général sans devoir augmenter la fréquence de la MLI, deux solutions sont proposées pour améliorer le comportement des machines : la modification de la structure de la machine du point de vue du bobinage et l’adaptation de technique de MLI appropriée. Par exemple, dans [200], une nouvelle configuration de bobinage est proposée pour la machine double étoile à induction, de manière à maximiser les inductances de fuite des encoches, cela afin de limiter les harmoniques des courants. Le principe de base de la solution de bobinage modifiée consiste à prendre un pas raccourci, pour alterner les conducteurs des deux étoiles différentes dans deux encoches. Dans [201], l’auteur propose de placer en série avec les enroulements de la machine un filtre dont l’impédance est élevée aux fréquences harmoniques. L’autre possibilité est de rechercher une structure, ou bien un bobinage, qui minimise ces couplages magnétiques, de manière à réduire conceptuellement les courants parasites. A défaut, un nouveau modèle qui rend compte de l’origine des courants parasites et qui permet d’élaborer une commande qui réduit ces courants parasites doit être établi. Dans tous les cas, pour pouvoir commander les machines polyphasées, il est nécessaire de reprendre la base des principes de transformation qui permettent de simplifier les commandes en réalisant des découplages successifs. La transposition des principes de commande

d’une machine triphasée n’est pas applicable directement pour une machine multi-étoiles alimentée par un convertisseur de tension. Concernant les différentes techniques de MLI, dans [202], l’auteur réalise un état de l’art intéressant des techniques couramment employées pour alimenter les machines double étoile afin d’améliorer leur comportement, comme par exemple, la technique de modulation d’injection double homopolaire, de vecteurs d’espace, vecteurs d’espace multi-niveaux, de décomposition en espace vectoriel, de logique floue etc.