Dimensionnement de l'excitatrice brushless

Mise en contexte de la modélisation des excitatrices brushless

La modélisation des excitatrices a soulevé de l’intérêt pour plusieurs chercheurs. Car elle permet, entre autre, de déterminer les tensions d’excitation adéquates de l’alternateur principal ce qui peut entraîner une meilleure stabilité et performance du réseau électrique.
Mais cette modélisation a souvent été délicate, car l’excitatrice brushless, avec ses diodes tournantes, constitue un système non linéaire. La modélisation des systèmes non linéaires a toujours posé un problème aux automaticiens. Si en plus de cela, le point de fonctionnement de l’excitatrice se situe dans les zones saturées ou que la commutation des diodes est multiple, la modélisation devient encore plus délicate.
Cependant dans ce cas de commutations multiples des diodes, M. Maguiraga & al. ont proposés des études. Ces études localisent le point de fonctionnement de l’excitatrice brushless et déterminent le mode fonctionnement du pont redresseur.
Il a été démontré par Bollinger, K.E., & al. que ces ponts opèrent en l’un des 3 différents modes suivant la valeur du courant rotorique qui varie de 0 au courant de court-circuit. Le premier mode correspond à une commutation simple des diodes. Le second et le troisième mode correspondent à une commutation multiple des diodes.
Chaque mode est caractérisé par des équations qui sont exploitées pour déterminer le modèle correspondant. Ce modèle tient compte aussi d’un coefficient de saturation qui est nul si l’excitatrice opère dans les zones non saturées.

Étude du modèle de l’excitatrice

Pour établir ce modèle, les auteurs en question ont utilisé la méthode des petites variations autour d’un point de fonctionnement de l’excitatrice brushless étoile double redressement (PD3) qui est la plus utilisée. Ce qui permet de supposer que l’excitatrice est un système linéaire autour de ce point de fonctionnement.

Caractéristiques générales du système d’excitation

L’ensemble du système d’excitation dont il sera question comporte un alternateur triphasé inversé et un convertisseur en pont de diodes embarqué sur deux ou plusieurs frettes rotatives.
Une réduction sensible de la constante de temps est obtenue grâce à l’utilisation conjointe de plusieurs dispositions de construction: Un circuit magnétique d’induit feuilleté. Une tension de commande de l’inducteur de l’excitatrice fournie par un alternateur auxiliaire à aimant permanent, généralement à travers un convertisseur à thyristors placé sous la dépendance des signaux de régulation.
La fréquence et le nombre de phases de cet alternateur, le mode de redressement et la loi de commande du convertisseur sont tels que l’ on peut considérer que la tension appliquée à l’inducteur de l’excitatrice est constante, étant entendu que le modèle des sous ensembles de régulation est connu et accessible à la mesure sans difficulté.

Caractéristiques mesurées lors des essais

Les caractéristiques utilisables pour l’établissement du modèle sont relevées au cours des essais en usine des dispositifs d’excitation.
Comme signalé, on supposera que le point de fonctionnement de l’excitatrice se situe dans les zones non saturées.

Caractéristiques statiques

Il s’agit, dans tous les cas, des grandeurs moyennes redressées, mesurées en aval du redresseur en pont de diodes.
La caractéristique en charge est relevée pour un débit sur une résistance égale à celle de l’inducteur du turboalternateur. Le point de fonctionnement nominal de l’alternateur principal requiert un courant d’excitation le correspondant à une tension d’excitation Ue.
L’examen des caractéristiques nous montre, généralement qu’à cette valeur de tension Ue en charge, l’excitatrice fonctionne encore sur une partie non saturée de la caractéristique à vide. Ce qui nous permet de linéariser valablement les caractéristiques pour tout point de fonctionnement situé en deçà du point nominal, ce qui correspond au domaine utile d’action de la régulation de tension.

Influence du nombre d’encoches rotoriques

Étant donné que le nombre d’encoches par pôle par phase est n = 1, ce qui donne Ne= pq = 2Pq, l’influence du nombre d’encoches rotoriques est la même que celle du nombre de pôles pour q fixe.
Comme pour le nombre de pôles, plus le nombre d’encoches rotoriques augmente, plus l’empiétement, le diamètre et la chute de tension augmentent. Pour conserver la même force électromotrice requise pour la tension redressée à vide, la longueur de l’armature diminue. L’induction et le coefficient de bobinage restent constants.

Réponse en boucle fermée

La rétroaction du courant iP de l’alternateur pilote permet d’assurer, en permanence, une tension d’excitation Ue équivalente à celle utilisée en boucle ouverte soit 170 Volts.
Cela permet au contrôleur de ne pas être sollicité en permanence. Le contrôleur agira seulement au moment ou la tension d’excitation de l’alternateur principal U n’atteint pas celle souhaitée. C’est à dire U=250 V. Tout en agissant, le contrôleur doit limiter sa sortie à des valeurs raisonnables ne dépassant pas les 550 V pour éviter une surexcitation de l’excitatrice brushless ou sa défaillance ou son fonctionnement dans la zone saturée. Cette tension limite de commande doit permettre une tension redressée inférieure à 300 V pour assurer, comme noté, un meilleur fonctionnement de l’alternateur principal. Comme noté, ·le choix de cette tension limite de commande est fait par intuition, il doit être justifié expérimentalement. Si nécessaire, cette limite doit être modifiée.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Mise en contexte du phénomène d’empiétement
1.3 Mise en contexte de la modélisation des excitatrices brushless
1.4 Étude du modèle de l’ excitatrice
1.4.1 Caractéristiques générales du système d’excitation
1.4.2 Caractéristiques mesurées lors des essais
1.4.3 Caractéristiques statiques
1.4.4 Caractéristiques dynamiques
1.4.5 Représentation du système d’excitation
1.4.6 Diagramme de fonctionnement
1.4.7 Représentation fonctionnelle
1.4.8 Prise en compte de la réaction d’induit
1.4.9 Modèle de la brushless
1.4.10 Influence de la réaction d’induit
1.5 Conclusion
CHAPITRE 2 ÉTUDE DE L’EMPIÈTEMENT
2.1 Calcul de l’ empiétement
2.2 Conditions de validité
2.3 Paramètres-de l’empiétemen
2.4 Expression de la chute de tension
2.5 Influence des facteurs raccourcissement et de distribution sur le taux d’harmonique
2.7 Conclusion
CHAPITRE 3 ÉTUDE DE L’INFLUENCE DES PARAMÈTRES DE CONSTRUCTION
3.1 Influence du facteur de répartition des conducteurs rotoriques
3.2 Influence du nombre de pôles
3.3 Influence de la réactance synchrone de l’excitatrice
3.4 Influence du nombre d’encoches rotoriques
3.5 Influence du nombre de conducteurs
3.6 Influence du taux de remplissage des encoches
3.7 Influence de la profondeur des encoches
3.8 Influence de la distance entre 2 encoches consécutives
3.9 Influence de l’entrefer
3.10 Influence du courant d’excitation de l’alternateur principal
3.11 Influence du nombre de phases
3.12 Influence du courant d’excitation de l’excitatrice
3 .13 Influence de la fmm de l’ excitatrice
3.14 Dimensionnement de l’excitatrice brushless
3.15 Conclusion
CHAPITRE 4 ÉTUDE ET AMÉLIORATION DU TEMPS DE RÉPONSE DE L’EXCITATRICE BRUSHLESS
4.1 Réponse en boucle ouverte
4.2 Réponse en boucle fermée
4.2.1 Étude de la stabilité du système
4.2.2 Cas d’un contrôleur Proportionnel
4.2.3 Cas d’un contrôleur Proportionnel Intégral
4.2.4 Cas d’un contrôleur Proportionnel Intégral Dérivé
4.3 Conclusion
CONCLUSION