Utilisateur:Behnanekamal/Brouillon

Machines synchrones à double excitation:

Définition :

Alternateur sans balai auto-excite.

Les machines synchrones à double excitation (MSDE) sont des machines électriques avancées qui utilisent deux sources distinctes d'excitation pour optimiser leur performance. Elles combinent les avantages des aimants permanents, qui offrent un flux d'excitation constant et sans pertes, avec une excitation bobinée, qui permet un contrôle précis et variable du flux magnétique. Cette configuration hybride permet une gestion plus efficace des variations de charge et de vitesse, améliorant ainsi la stabilité et le rendement énergétique global de la machine. Les MSDE surpassent les machines synchrones traditionnelles en termes de flexibilité opérationnelle, car elles peuvent ajuster leur excitation pour répondre aux exigences spécifiques de différentes applications industrielles et énergétiques. Cela les rend particulièrement adaptées aux systèmes de propulsion électrique, aux générateurs d'énergie renouvelable, et à toute application nécessitant un contrôle dynamique et efficace de la puissance. En intégrant ces deux systèmes d'excitation, les MSDE permettent une optimisation continue des performances, assurant une utilisation plus efficace de l'énergie dans des conditions de fonctionnement variées.

Fonctionnement :

Le principe de fonctionnement des machines synchrones à double excitation (MSDE) repose sur l'intégration de deux circuits d'excitation distincts : l'un utilisant des aimants permanents et l'autre des bobinages électromagnétiques. Les aimants permanents génèrent un flux magnétique constant, fournissant une base stable et continue pour le champ magnétique de la machine. En parallèle, les bobinages électromagnétiques permettent de moduler dynamiquement le flux magnétique en ajustant le courant qui y circule. Cette modulation permet un contrôle précis du flux magnétique selon les exigences opérationnelles.

La machine à double excitation profite de la combinaison des deux sources d'excitation. L'excitation par aimants permanents assure un flux constant et sans pertes, tandis que l'excitation bobinée offre une capacité de réglage rapide et précis. Cette configuration permet une gestion efficace des variations de charge et de vitesse, améliorant la stabilité et le rendement énergétique global de la machine. Par exemple, lorsque la charge varie, le flux généré par les bobinages peut être ajusté pour maintenir un flux magnétique optimal, évitant ainsi des pertes d'énergie et augmentant l'efficacité de la machine.

Dans une MSDE, le flux d'excitation bobinée peut soit consolider soit affaiblir le flux des aimants permanents, en inversant le sens du courant d'excitation selon les besoins. Les flux actifs de chaque source d'excitation sont illustrés par le cheminement des flux principaux dans la machine, montrant comment ils interagissent pour optimiser la performance de la machine. De plus, le flux de fuite généré par les aimants permanents, bien que ne contribuant pas à la production de couple, est pris en compte dans la conception globale pour minimiser les pertes et maximiser l'efficacité énergétique.

Pour le fonctionnement alternateur des machines synchrones, trois cas applicatifs

peuvent être identifiés :

– alternateur directement connecté au réseau électrique ;

Alternateur connecté au réseau électrique (vitesse constante).

– alternateur connecté à un redresseur à diodes ;

Alternateur connecté à un redresseur à diodes.

– alternateur connecté à un redresseur contrôlable :

Alternateur connecté à un redresseur contrôlable.

Le premier cas correspond à un fonctionnement à vitesse constante, le réseau électrique imposant sa fréquence. Deux types de motivation peuvent être identifiés dans les études menées sur l’utilisation des machines à double excitation pour ce type d’application :

– amélioration des performances des alternateurs classiques à excitation bobinée.

– exploration des performances des alternateurs à double excitation pour ce type d’applications.

Structures et Classification à double excitation :

Structures :

Le principe de la double excitation offre la possibilité de concevoir une grande variété de structures pour les machines synchrones. De nombreux critères peuvent être utilisés pour classer ces machines, similaires à ceux utilisés pour d'autres types de machines électriques. Parmi ces critères, on trouve la distinction entre les machines à flux radial ou axial (pour les machines rotatives), les machines de structure 2D (flux principalement dans un plan) ou 3D (flux dans les trois dimensions), ainsi que la différenciation entre les machines rotatives et linéaires. Plusieurs publications se sont penchées sur la classification des structures des machines synchrones à double excitation.

Les différentes structures des MSDE permettent de répondre à des besoins spécifiques en termes de performance et de coût. Les critères de classification incluent la configuration des enroulements, la méthode de refroidissement et le type de régulateur utilisé.

Critères de classification :

Les critères de classification des machines à double excitation sont multiples, mais deux semblent particulièrement adaptés en raison du principe de la double excitation, impliquant la présence de deux sources de flux d’excitation magnétique : la manière dont les deux sources de flux d’excitation sont combinées et la localisation des sources de flux d’excitation dans la machine. Le premier critère distingue les machines à double excitation série et parallèle, selon l'analogie avec les circuits électriques. Le second critère concerne la localisation des sources de flux d’excitation dans le stator, le rotor, ou une combinaison des deux. Privilégier les bobines d’excitation au stator permet d'éviter les contacts glissants et simplifie la construction, offrant des avantages fonctionnels tels qu'un refroidissement simplifié. Les machines à commutation de flux à double excitation, avec toutes les sources d’excitation et les enroulements de l’induit au stator, illustrent cette approche. Nous optons pour une synthèse actualisée en classant les structures selon le premier critère, tout en tenant compte des autres pour une compréhension complète.

Machines Synchrones à Double Excitation Série (MSDES) :

Exemple d’une machine synchrone à double excitation série (Fodorean et al. 2007 ; Mizuno 1997)

Les Machines Synchrones à Double Excitation Série (MSDES) intègrent deux sources d'excitation : des aimants permanents et une excitation bobinée. Les aimants permanents fournissent un flux magnétique constant, tandis que l'excitation bobinée permet un contrôle dynamique et précis du flux en ajustant le courant dans les bobinages. Cette combinaison permet d'optimiser les performances de la machine en temps réel, améliorant la stabilité et l'efficacité énergétique. Le flux total dans l'induit est la somme vectorielle des flux générés par les aimants permanents et par l'excitation bobinée, permettant ainsi une flexibilité et une adaptation optimales aux conditions de fonctionnement variées.

Machines Synchrones à Double Excitation Parallèle (MSDEP) :

Exemple d’une machine synchrone à double excitation parallèle (Akemakou et Phounsombat 2000)

Les Machines Synchrones à Double Excitation Parallèle (MSDEP) combinent deux sources d'excitation en parallèle : des aimants permanents et des bobinages électromagnétiques. Cette configuration permet de bénéficier d'un flux magnétique constant produit par les aimants permanents et d'un flux ajustable grâce aux bobinages. Les aimants permanents assurent un flux de base stable, tandis que les bobinages permettent de moduler dynamiquement le flux magnétique en fonction des besoins opérationnels. Cela conduit à une meilleure gestion des variations de charge et de vitesse, optimisant ainsi la stabilité et l'efficacité énergétique de la machine. Le flux total dans l'induit est la somme vectorielle des flux générés par chaque source d'excitation, permettant une flexibilité accrue et une adaptation optimale aux conditions de fonctionnement variées. Les MSDEP sont particulièrement adaptées aux applications nécessitant une réponse rapide et un contrôle précis de la puissance.

Avantages et Applications :

Avantages :

• Défluxage efficace : Les MSDE permettent de réduire les pertes de puissance en ajustant le flux magnétique en fonction des conditions de fonctionnement.
• Optimisation énergétique : Grâce à la double excitation, il est possible d'améliorer le rendement énergétique de la machine, particulièrement important dans les applications nécessitant une efficacité élevée.
• Gestion des variations de charge : Les MSDE peuvent mieux gérer les variations de charge, maintenant une performance optimale même sous des conditions de fonctionnement variables.
• Réduction des coûts des aimants permanents : En optimisant l'utilisation des aimants, les MSDE peuvent réduire la dépendance aux matériaux coûteux, ce qui peut être particulièrement bénéfique dans les applications à grande échelle.

Application :

Les MSDE sont utilisées dans diverses applications industrielles et technologiques, telles que :

• Systèmes de propulsion électrique : Dans les véhicules électriques, les MSDE peuvent améliorer l'efficacité énergétique et offrir un meilleur contrôle de la propulsion.
• Générateurs d'énergie renouvelable : Les éoliennes et autres sources d'énergie renouvelable peuvent bénéficier de l'optimisation énergétique offerte par les MSDE.
• Moteurs industriels : Les MSDE sont utilisées dans des moteurs nécessitant une grande précision et une efficacité élevée, comme dans les usines de fabrication automatisées.

Mise en équation :

Notations :

Ces notations sont utilisées pour décrire les différentes variables et paramètres impliqués dans le fonctionnement des machines synchrones à double excitation

• E_f​ : Force électromotrice d'excitation
• E_r​ : Force électromotrice de réaction
• I_f​ : Courant d'excitation
• I_r​ : Courant de réaction
• i_d, i_q : composantes du courant d’induit dans les axes d et q (A)
• L_f​ : Inductance d'excitation
• L_r​ : Inductance de réaction
• M : Inductance mutuelle
• p : Nombre de paires de pôles
• ω : Vitesse angulaire
• θ : Position angulaire
• τ : Couple (Torque)
• V : Tension (Voltage)
• v_d, v_q : composantes de la tension d’induit dans les axes d et q (V)
• R : Résistance
• Ψ : Flux magnétique
• P : Puissance
• Φ_{exc max} : le flux inducteur maximal
• Φ_a : le flux d’excitation des aimants permanents.
• Ф_RMI : flux de la réaction magnétique de l’induit
• Ф_b : flux d’excitation des bobines d’excitation (Wb)

Les relations :

Les relations permettant de calculer les paramètres d'une MSDE :

Relations permettant de calculer les flux de la MSDE

Les circuits :

Les circuits électriques équivalents et diagrammes vectoriel permettant de simplifier l'étude d'une MSDE :

Circuits électriques équivalents pour les machines synchrones à double excitation à pôles lisses (modèle sans pertes)

Diagramme Vectoriel et Caractéristique de Puissance des MSDE :

Diagramme Vectoriel :

Diagramme vectoriel équivalent pour le modèle sans pertes des MSDE à pôles lisses (mode moteur)

Cette figure présente le diagramme vectoriel des grandeurs électromagnétiques (flux, FEM, tension, courant) dans le repère de Park. Par convention, les angles ψ et δ, comme ils apparaissent sur cette figure, sont respectivement comptés négativement et positivement. Le flux de l’induit ФInduit est la somme vectorielle du flux d’excitation Ф_exc, et du flux de la réaction magnétique de l’induit Ф_RMI

Caractéristique de Puissance :

Les machines synchrones à double excitation (MSDE) présentent des caractéristiques de puissance distinctives, influencées par la variation du couple et de la vitesse. La puissance maximale normalisée varie en fonction de la vitesse normalisée:

Enveloppes « tension/vitesse », « puissance/vitesse » et « couple/vitesse » pour les entraînements électromécaniques

Caractéristiques de puissance pour une machine ayant Ln = 0,5, sans et avec double excitation

Utilisation :

Les machines synchrones à double excitation (MSDE) sont utilisées dans diverses applications grâce à leur flexibilité et leur efficacité énergétique. Elles sont particulièrement adaptées aux véhicules électriques, permettant une variation de vitesse optimale et un bon rendement énergétique grâce à l'ajustement du taux d'hybridation. Les MSDE sont également utilisées dans les systèmes de conversion d'énergie et les actionneurs électriques, où elles améliorent les performances et réduisent les coûts. Dans l'industrie, elles permettent un contrôle précis de la vitesse et un démarrage direct sur le réseau. De plus, elles représentent un sujet de recherche important, offrant des perspectives intéressantes pour l'amélioration des performances des machines électriques.

Bibliographie:

document utilisé comme source pour la rédaction de cet article

M. Yacine Amara, M. Hamid Ben Ahmed et M. Mohamed Gabsi _Machines synchrones à double excitation structures, dimensionnement et analyse du fonctionnement.

https://www.istegroup.com/wp-content/uploads/2023/02/Machines-synchrones-a-double-excitation.jpg