FR2959279A1

FR2959279A1 - Demarreur-generateur de turbomachine et procede pour sa commande

Info

Publication number: FR2959279A1
Application number: FR1053145A
Authority: FR
Inventors: Wergifosse Eric De; Julien Rambaud
Original assignee: Hispano Suiza SA
Current assignee: Safran Electrical and Power SAS
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-10-28
Anticipated expiration: 2030-04-23
Also published as: FR2959279B1

Abstract

Procédé de commande d'un démarreur-générateur (10) de turbomachine lors d'une phase de démarrage de la turbomachine, le démarreur-générateur comprenant : une machine électrique principale (20) et une excitatrice (30), les rotors de la machine électrique principale et de l'excitatrice étant montés sur un arbre commun (12), le rotor (300) de la machine électrique principale (20) présentant une reluctance variable, caractérisé en ce que, lors de la phase de démarrage, la turbomachine étant initialement à l'arrêt, la machine électrique principale (20) est commandée en mode moteur à reluctance synchrone.

Description

Arrière-plan de l'invention L'invention se rapporte aux démarreurs-générateurs de turbomachines. Le domaine d'application de l'invention est plus particulièrement celui des démarreurs-générateurs pour des moteurs aéronautiques de propulsion à turbine à gaz ou pour des groupes auxiliaires de puissance ou APU ("Auxiliary Power Unit") à turbine à gaz montés sur des aéronefs. L'invention est toutefois applicable à d'autres types de turbomachines, par exemple des turbines industrielles. Un tel démarreur-générateur ou S/G ("Starter/Generator") comprend de façon usuelle une machine électrique principale qui forme génératrice électrique principale fonctionnant en mode synchrone après démarrage et allumage de la turbomachine associée. La machine électrique principale possède un inducteur rotorique et des enroulements statoriques qui, en mode génératrice synchrone, fournissent une énergie électrique alternative à un réseau de bord d'un aéronef via une ligne d'alimentation sur laquelle est monté un contacteur de ligne. La tension alternative fournie par la génératrice principale est régulée au moyen d'une unité de régulation générateur ou GCU ("Generator Control Unit") qui alimente en courant continu un inducteur statorique d'une excitatrice dont les enroulements rotoriques sont reliés à l'inducteur rotorique de la machine électrique principale via un redresseur tournant. L'énergie électrique nécessaire à l'alimentation de l'inducteur de l'excitatrice peut être fournie par une génératrice électrique auxiliaire telle qu'une génératrice synchrone à aimants permanents, ou peut être dérivée du réseau électrique de bord de l'aéronef.

Les rotors de la machine électrique principale, de l'excitatrice et de la génératrice auxiliaire éventuelle sont montés sur un arbre commun couplé mécaniquement à un arbre de la turbomachine et constituent un démarreur-générateur à deux ou trois étages fonctionnant sans balais (ou "brushless").

Pour assurer le démarrage de la turbomachine, il est bien connu de faire fonctionner la machine électrique principale en mode moteur électrique synchrone en alimentant ses enroulements statoriques par une tension alternative et en alimentant l'inducteur rotorique via l'excitatrice. Cependant au départ, l'arbre de la machine ne tournant pas, aucune tension n'est générée au niveau du rotor de l'excitatrice si son stator est alimenté en courant continu, comme cela est le cas lors du fonctionnement en mode génératrice. De ce fait, l'inducteur de la machine électrique principale n'est pas alimenté. Pour remédier à cet inconvénient, il a été proposé dans le document GB 2 443 032 de modifier l'excitatrice pour fonctionner en mode transformateur tournant afin de fournir le courant d'excitation de l'inducteur rotorique de la machine électrique principale lorsqu'elle fonctionne au démarrage en mode synchrone. L'alimentation de l'inducteur rotorique est alors réalisée de la manière suivante. Dans un premier temps, l'arbre du démarreur-générateur étant initialement à l'arrêt, il est nécessaire d'injecter via la GCU une tension alternative dans l'inducteur statorique de l'excitatrice pour développer sur ses enroulements rotoriques une tension alternative qui, après redressement, alimente l'inducteur rotorique de la machine électrique principale. L'excitatrice fonctionne en transformateur.

Dès que la vitesse de rotation est suffisante pour que l'excitatrice génère, avec une excitation continue au stator, une tension suffisante pour alimenter l'inducteur rotorique de la machine électrique principale, deux options sont possibles : soit continuer malgré tout avec une excitation alternative, soit faire basculer le GCU en mode d'excitation continu. Dans ce deuxième cas, l'excitatrice fonctionne alors en génératrice synchrone pour alimenter l'inducteur rotorique de la machine électrique principale. Lors du fonctionnement de l'excitatrice en mode transformateur, la puissance nécessaire à alimenter l'inducteur de la machine électrique principale provient essentiellement du GCU. Au contraire, lors du fonctionnement de l'excitatrice en génératrice synchrone, la puissance nécessaire à alimenter l'inducteur rotorique de la machine électrique principale est essentiellement prélevée sur l'arbre. La puissance fournie par le GCU correspond seulement à quelques pourcents de la puissance nominale de la machine.

Ainsi, pour pouvoir injecter la tension alternative requise afin de produire le couple requis au démarrage, la GCU doit être conçue et dimensionnée bien au-delà de ce qui est nécessaire pour alimenter l'excitatrice en courant continu en mode générateur ou pendant la deuxième partie de la phase de démarrage. Par ailleurs, lors du fonctionnement en mode transformateur de l'excitatrice, le niveau de tension à appliquer à l'enroulement statorique de l'excitatrice est bien plus élevé que celui nécessaire en mode d'excitation continu. De ce fait, le dispositif d'alimentation du GCU doit être adapté en conséquence, impliquant souvent l'ajout d'un étage de conversion élévateur de tension. De plus, l'excitatrice doit être dimensionnée magnétiquement et thermiquement pour pouvoir passer la puissance nécessaire à l'alimentation de l'inducteur de la machine électrique principale, lors de sa phase de fonctionnement en transformateur tournant, ce qui implique un surcroît de masse et d'encombrement de cette partie de la machine. Pour remédier à ces inconvénients, il a été proposé d'assurer le démarrage en faisant fonctionner la machine électrique principale en mode moteur asynchrone plutôt qu'en mode moteur synchrone. On pourra se référer aux documents US 6 844 707 et EP 2 025 926. Dans le document US 6 844 707, au démarrage, des enroulements statoriques de la machine électrique principale sont alimentés en tension alternative, via un contacteur de démarrage, au moyen d'un circuit onduleur piloté en tension et en fréquence, tandis que l'inducteur rotorique de la machine principale est mis en court-circuit par un interrupteur initialement fermé.

La mise en court-circuit de l'inducteur rotorique permet la mise en rotation du rotor en association avec des barres d'amortissement associées à l'inducteur rotorique et formant une "cage d'écureuil" partielle. L'ouverture de l'interrupteur de court-circuit est commandée par le courant issu des enroulements rotoriques de l'excitatrice lors du passage du démarreur- générateur en mode générateur électrique. Le document EP 2 025 926 décrit également un fonctionnement de la machine électrique principale en mode moteur asynchrone au démarrage, le couple de démarrage étant assuré par mise de l'inducteur rotorique en circuit fermé en série avec une résistance au moyen d'un interrupteur avec assistance éventuelle de barres d'amortissement.

Ces solutions connues nécessitent l'insertion d'un interrupteur commandable en parallèle ou en série avec l'inducteur rotorique de la machine électrique principale, ce qui est un élément fortement dé-fiabilisant.

En outre, le fonctionnement en mode asynchrone étant dégradé par rapport à un fonctionnement en mode synchrone, ces solutions connues ne sont pas adaptées dans le cas de S/G associés à des turbo-machines demandant une puissance élevée au démarrage, en particulier dans le cas de turbomachines de moteurs aéronautiques de propulsion.

Objet et résumé de l'invention L'invention a pour but de remédier à de tels inconvénients. En particulier, l'invention vise à éviter de devoir alimenter l'excitatrice par un GCU lourd et coûteux ou de devoir démarre en mode asynchrone, ce qui ne permet que de faibles couples. L'invention propose à cet effet, selon un de ses aspects, un procédé de commande d'un démarreur-générateur de turbomachine lors d'une phase de démarrage de la turbomachine, le démarreur-générateur comprenant : une machine électrique principale ayant un stator portant des enroulements statoriques et un rotor avec un inducteur rotorique, et une excitatrice ayant un inducteur statorique et un rotor avec des enroulements rotoriques reliés à l'inducteur rotorique de la machine électrique principale via un redresseur tournant, les rotors de la machine électrique principale et de l'excitatrice étant montés sur un arbre commun, le rotor de la machine électrique principale présentant une reluctance variable en fonction d'une position angulaire par rapport au stator, caractérisé en ce que, lors de la phase de démarrage, la turbomachine étant initialement à l'arrêt, la machine électrique principale est commandée en mode moteur à reluctance synchrone en injectant un courant alternatif dans les enroulements statoriques de la machine électrique principale, un couple de démarrage étant engendré sans contribution de l'inducteur rotorique de la machine électrique principale à la génération du couple de démarrage. Grâce à ces caractéristiques, l'inducteur rotorique de la machine électrique principale ne doit pas être alimenté pendant la phase de démarrage. Ainsi, il n'est pas nécessaire d'alimenter l'excitatrice avec un

GCU capable de fournir un courant alternatif de puissance élevée. Au contraire, l'excitatrice peut être alimentée par une unité de régulation générateur destiné à fournir le courant continu d'une amplitude limitée au niveau juste nécessaire au fonctionnement de la machine électrique principale en mode générateur. L'unité de régulation générateur peut donc être dimensionnée plus faiblement que dans l'art antérieur, présenter une structure plus fiable et moins couteuse, nécessiter moins de puissance et dissiper moins d'énergie. L'invention propose également un procédé de commande d'un démarreur-générateur de turbomachine lors d'une phase de démarrage de la turbomachine, le démarreur-générateur comprenant : une machine électrique principale ayant un stator portant des enroulements statoriques et un rotor avec un inducteur rotorique, et une excitatrice ayant un inducteur statorique et un rotor avec des enroulements rotoriques reliés à l'inducteur rotorique de la machine électrique principale via un redresseur tournant, les rotors de la machine électrique principale et de l'excitatrice étant montés sur un arbre commun, le rotor de la machine électrique principale présentant une reluctance variable en fonction d'une position angulaire par rapport au stator, caractérisé en ce que : lors d'une première étape de la phase de démarrage, la turbomachine étant initialement à l'arrêt, la machine électrique principale est commandée en mode moteur à reluctance synchrone en injectant un courant alternatif dans les enroulements statoriques de la machine électrique principale, un couple de démarrage étant engendré sans contribution de l'inducteur rotorique de la machine électrique principale à la génération du couple de démarrage, - lors d'une deuxième étape suivante de la phase de démarrage, la machine électrique principale est commandée en mode moteur synchrone en injectant un courant alternatif dans les enroulements statoriques de la machine électrique principale tout en alimentant l'inducteur rotorique de la machine électrique principale en courant continu par injection de courant continu dans l'inducteur statorique de l'excitatrice, et

le passage de la première étape à la deuxième étape de la phase de démarrage est commandé lorsque la vitesse de rotation de l'arbre atteint une valeur prédéterminée. Dans ce cas, l'inducteur rotorique de la machine électrique principale ne doit pas non plus être alimenté pendant la première étape de la phase de démarrage. Lors de la deuxième étape de la phase de démarrage, l'inducteur rotorique de la machine électrique principale peut être alimenté par un courant et une tension continus limités. Ainsi, il n'est pas non plus nécessaire d'alimenter l'excitatrice avec un GCU capable de fournir un courant alternatif de puissance élevé. Dans ce cas également, l'excitatrice peut être alimentée par une unité de régulation générateur pouvant être dimensionnée plus faiblement que dans l'art antérieur, présentant une structure plus fiable et moins couteuse, nécessitant moins de puissance et dissipant moins d'énergie. De plus, dans ce cas, la deuxième étape de la phase de démarrage en mode moteur synchrone peut permettre d'atteindre un couple plus élevé qu'en mode moteur à reluctance synchrone. Il est donc possible de démarrer une turbomachine nécessitant un couple plus élevé pendant la phase de démarrage. De manière correspondante, l'invention fournit un démarreur- générateur de turbomachine comprenant : - une machine électrique principale conçue pour fonctionner en mode génératrice électrique synchrone après démarrage de la turbomachine et pour fonctionner en mode moteur électrique lors d'une phase de démarrage de la turbomachine, la machine électrique principale ayant un stator portant des enroulements statoriques et un rotor avec un inducteur rotorique, le rotor de la machine électrique principale présentant une reluctance variable en fonction d'une position angulaire par rapport au stator, - une excitatrice ayant un inducteur statorique et un rotor avec des enroulements rotoriques reliés à l'inducteur rotorique de la machine électrique principale via un redresseur tournant, les rotors de la machine électrique principale et de l'excitatrice étant montés sur un arbre commun destiné à être couplé mécaniquement à un arbre de la turbomachine, - une unité de régulation générateur reliée à l'inducteur statorique de l'excitatrice pour fournir un courant continu à l'inducteur statorique de l'excitatrice lorsque la machine électrique principale fonctionne en mode génératrice électrique synchrone, et - une unité de régulation démarreur reliée aux enroulements statoriques de la machine électrique principale via un contacteur de démarrage pour fournir un courant alternatif aux enroulements statoriques de la machine électrique principale lorsque celle-ci fonctionne en mode moteur électrique, caractérisé en ce que l'unité de régulation démarreur est apte à fournir le courant alternatif aux enroulements statoriques de la machine électrique principale pour un fonctionnement en mode moteur à reluctance synchrone, un couple de démarrage étant engendré sans contribution de l'inducteur rotorique de la machine électrique principale à la génération du couple de démarrage. L'unité de régulation démarreur peut comprendre des moyens de détermination d'au moins une première consigne correspondant à un fonctionnement de la machine électrique principale en mode reluctance synchrone, et des moyens de régulation aptes à réguler le courant alternatif fournit aux enroulements statoriques de la machine électrique principale en fonction de la première consigne.

Selon un mode de réalisation, l'unité de régulation démarreur comprend des moyens de détermination d'au moins une deuxième consigne correspondant à un fonctionnement de la machine électrique principale en mode moteur synchrone, et des moyens de commutation, les moyens de régulations étant aptes à réguler le courant alternatif fournit aux enroulements statoriques de la machine électrique principale en fonction de la première ou de la deuxième consigne en fonction d'un état des moyens de commutation. Dans ce cas, l'unité de régulation générateur peut être apte à fournir un courant continu à l'inducteur statorique de l'excitatrice lorsque la machine électrique principale fonctionne en mode moteur synchrone Les moyens de détermination d'au moins une première consigne peuvent inclure une table mémorisée dans une mémoire. L'invention propose également une turbomachine équipée d'un démarreur-générateur selon l'invention ci-dessus.

Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est un schéma très simplifié d'un moteur d'avion à turbine à gaz ; - la figure 2 montre de façon très schématique l'agencement d'un démarreur-générateur selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue partielle, en perspective, du rotor de la machine électrique principale du démarreur-générateur de la figure 2, - la figure 4 est un schéma d'un mode de réalisation d'une unité de régulation démarrage du démarreur-générateur de la figure 2, selon une variante ; - la figure 5 est un schéma d'un mode de réalisation d'une unité de régulation démarrage du démarreur-générateur de la figure 2, selon une autre variante.

Description détaillée de modes de réalisation L'invention sera principalement décrite ci-après dans le cadre de son application à un démarreur-générateur de turbomachine de moteur de propulsion pour avion telle que par exemple celle montrée de façon très simplifiée sur la figure 1. L'invention est toutefois applicable à des démarreurs-générateurs d'autres turbomachines, notamment des turbines d'hélicoptères, des turbines industrielles ou des turbines de groupes auxiliaires de puissance (APU). La turbomachine de la figure 1 comprend une chambre de combustion 1, les gaz de combustion issus de la chambre 1 entraînant une turbine haute pression (HP) 2 et une turbine basse pression (BP) 3. La turbine 2 est couplée par un arbre à un compresseur HP 4 alimentant la chambre de combustion 1 en air sous pression tandis que la turbine 3 est couplée par un autre arbre à une soufflante 5 en entrée du moteur. Une boîte de transmission 6, ou boîte de relais d'accessoires, est reliée par une prise de puissance mécanique 7 à un arbre de turbine et comprend un ensemble de pignons pour l'entraînement de différents équipements, notamment des pompes et au moins un démarreur-générateur électrique (ci-après "S/G") 10.

La figure 2 montre schématiquement un S/G 10 à trois étages, à savoir une machine électrique principale 20, une excitatrice 30 et une génératrice auxiliaire 40 dont les rotors sont montés sur un arbre commun 12 relié mécaniquement à un arbre de turbomachine de moteur d'avion tel que celui de la figure 1. La machine électrique principale 20 comprend, au rotor, un inducteur rotorique 22 bobiné et, au stator des enroulements statoriques 24a, 24b, 24c qui peuvent être connectés en étoile. L'excitatrice 30 comprend, au stator, un enroulement inducteur 34 et, au rotor, des enroulements rotoriques 32a, 32b, 32c qui peuvent être connectés en étoile. Les courants alternatifs développés au rotor de l'excitatrice 30 sont redressés par un redresseur tournant 36, tel qu'un pont de diodes tournant, pour alimenter l'inducteur rotorique de la machine électrique principale. La génératrice auxiliaire 40 est par exemple une génératrice synchrone à aimants permanents avec un rotor 42 portant des aimants permanents et des enroulements statoriques 44a, 44b, 44c qui peuvent être connectés en étoile. En mode générateur, la turbomachine ayant été démarrée et allumée, la machine électrique principale 20 constitue une génératrice électrique synchrone qui délivre au stator une tension électrique triphasée (dans cet exemple) sur une ligne d'alimentation 26 sur laquelle est inséré un commutateur de ligne 28. La ligne d'alimentation 26 achemine la tension électrique vers le réseau de bord (non représenté) de l'avion. La régulation de la tension produite est assurée par une unité de régulation générateur ou GCU 50 qui commande l'alimentation de l'inducteur 34 de l'excitatrice en courant continu pour asservir la tension Uréf en un point de référence sur la ligne 26 à une valeur de consigne. A cet effet, une information représentative de la valeur instantanée de la tension Uréf est fournie à la GCU 50. L'énergie électrique nécessaire à l'alimentation de l'excitatrice 30 est fournie par la génératrice auxiliaire 40, la GCU 50 recevant et redressant la tension alternative fournie au stator de la génératrice auxiliaire 40. En variante, l'alimentation de la GCU 50 pourrait être dérivée du réseau électrique de bord de l'avion. Un tel fonctionne-ment d'un S/G en mode générateur est bien connu.

En mode démarreur, la machine électrique principale 20 constitue un moteur électrique qui fournit le couple nécessaire à la mise en rotation de la turbomachine. Pendant la phase de démarrage, les enroulements statoriques 24a, 24b, 24c de la machine électrique principale 20 sont alimentés en courant alternatif au moyen d'une unité de régulation démarrage 60 comprenant un onduleur qui est relié aux enroulements 24a, 24b, 24c par une ligne 62 sur laquelle est inséré un contacteur de démarrage 64. La figure 3 représente un exemple de rotor 300 de la machine principale 20. Le rotor 300 présente des saillies 301 portant chacune une partie de l'inducteur rotorique 22.

Par ailleurs, on sait qu'un moteur à reluctance synchrone classique comprend un rotor qui présente des saillies faisant fonction de pôles sans enroulement d'excitation ni aimant permanent. La reluctance du rotor varie donc en fonction de la position angulaire par rapport au stator. En fonctionnement, lorsqu'une paire de pôles est énergisée au stator, un couple est produit qui a tendance à faire tourner le rotor pour aligner la direction de plus faible reluctance avec la paire de pôles statorique énergisée. On constate sur la figure 3 que, comme dans le cas d'un moteur à reluctance synchrone classique, la forme du rotor 300 implique une variation de la reluctance du rotor 300, en fonction de sa position angulaire. En particulier, la reluctance selon une direction passant par le milieu des pôles du rotor 300 est maximale (axe `d'), tandis que la reluctance selon une direction interpôles est minimale (axe 'q'). Ainsi, la machine électrique principale 20 peut fonctionner en mode moteur à reluctance synchrone. Selon l'invention, cette constatation est utilisée pour commander la machine électrique principale 20 en mode moteur à reluctance synchrone. Lors d'une première étape de la phase de démarrage, la turbomachine étant initialement à l'arrêt, l'unité de régulation démarrage 60 commande donc la machine électrique principale 20 en mode moteur à reluctance synchrone. Pour cela, le courant alternatif fournit aux enroulements statoriques 24a, 24b, 24c de la machine électrique principale 20 est déterminé par l'unité de régulation démarrage 60 de la manière décrite ci-dessous.

On sait que les courants Ia, Ib et le fournis respectivement aux enroulements statoriques 24a, 24b et 24c peuvent être exprimés dans un repère d, q par des courants Id et Iq. Dans ce repère, le couple de la machine électrique principale 20 est exprimé par :

Couple = 3/2 * Npp * (Ld ù Lq) * Id * Iq (1) où : Npp est le nombre de paire de pôles. - Ld est l'inductance statorique d'axe d. - Lq est l'inductance statorique d'axe q. 10 - Id est la composante du courant statorique d'axe d. Iq est la composante du courant statorique d'axe q. Typiquement, la forme du rotor 300 se traduit par des inductances Ld et Lq dans un rapport de 2 à 3. Par ailleurs, on sait que les inductances Ld et Lq varient en 15 fonction du courant. Pour un S/G 10 donné, il est possible de déterminer, par exemple par mesures, des courbes Ld(Id) et Lq(Iq). Ainsi, l'équation (1) peut s'écrire :

Couple = 3/2 * Npp * F(Id, Iq) * Id * Iq (1')

Si on ne tient pas compte de la saturation des circuits magnétiques avec l'augmentation du courant statorique, la condition optimale d'utilisation, c'est-à-dire le meilleur rapport entre le couple et le courant statorique, est obtenu pour : Id = Iq (2)

L'équation (2) est valable à vitesse de rotation faible. Si l'on tient compte de la saturation des circuits magnétiques, le 30 rapport optimum entre Id et Iq peut être décalé est obtenu pour des valeurs d'Id inférieur à Iq. A vitesse de rotation w (rad/sec) élevée, le courant est limité par le niveau de tension disponible par rapport aux chutes de tensions inductives orthogonales : Ld * w * Npp * Id et Lq * w * Npp * Iq. Dans ce 35 cas également, le rapport optimal entre le couple et le courant peut être obtenu pour un point de fonctionnement dans lequel Id est différent d'Iq. 20 25 Le point de fonctionnement optimal peut donc être exprimé de manière générale par :

Id / Iq = f (w) (2») 5 où la fonction f(w) peut être déterminée par exemple par mesure. Ainsi, pour un couple donné et une vitesse w donnée, les équations (1') et (2') permettent de déterminer une consigne de courant Id* et une consigne de courant Iq*. Ces consignes de courant peuvent 10 être utilisées par l'unité de régulation démarrage 60 pour déterminer le courant alternatif à fournir aux enroulements statoriques 24a, 24b, 24c de la machine électrique principale 20 pour un fonctionnement en mode moteur à reluctance synchrone. L'unité de régulation démarrage 60 peut par exemple 15 comprendre des tables, préalablement déterminée en fonction des équations (1') et (2'), qui donnent Id* et Iq* en fonction du couple et de la vitesse w. En variante, l'unité de régulation démarrage 60 peut comprendre des formules de calcul, préalablement déterminée en fonction des équations (1') et (2'), qui donnent Id* et Iq* en fonction du couple et 20 de la vitesse w. Selon une première variante, le mode reluctance synchrone est utilisé pendant toute la phase de démarrage de la turbomachine. Cette variante peut être mise en oeuvre dans le cas où le couple produit par le fonctionnement en mode reluctance synchrone est suffisant dans toute la 25 gamme de vitesse de la phase de démarrage de la turbomachine. Notamment, cette variante pourrait convenir pour le démarrage d'une turbomachine d'un groupe auxiliaire de puissance (APU). Selon une deuxième variante, la première étape de la phase de démarrage, en mode reluctance synchrone, est suivie d'une deuxième 30 étape dans laquelle la machine électrique principale 20 fonctionne en mode moteur synchrone. Cette variante convient notamment pour le démarrage d'une turbomachine de moteur de propulsion pour avion, qui nécessite un couple plus élevé. Dans cette deuxième variante, lorsque la vitesse de rotation de 35 l'arbre 12 atteint une valeur de seuil telle que la fourniture du couple requis ne peut plus être garantie par la machine électrique principale fonctionnant en mode moteur à reluctance synchrone, une commutation de mode moteur à reluctance synchrone en mode moteur synchrone est commandée pour effectuer la deuxième et dernière étape de la phase de démarrage. L'excitatrice étant en rotation, un courant continu est injecté par le GCU 50 sur l'inducteur 34 de l'excitatrice afin d'alimenter l'inducteur rotorique 22 en courant continu via le redresseur tournant 36. Dans le même temps, les enroulements statoriques 24a, 24b, 24c de la machine électrique principale sont alimentés en courant alternatif au moyen de l'unité de régulation démarrage 60 tout en assurant une orientation optimale du flux statorique par rapport à la position du rotor. Dans les deux variantes précitées, lors du fonctionnement en mode reluctance synchrone, l'inducteur rotorique 22 de la machine électrique principale 20 ne doit pas être alimenté. Le couple est généré sans contribution de l'inducteur rotorique 22. Dans la deuxième variante, lors du fonctionnement en mode moteur synchrone, l'inducteur rotorique de la machine électrique principale peut être alimenté en fournissant un courant continu à l'inducteur statorique de l'excitatrice. Ainsi, dans pour ces deux variantes, le GCU 50 ne doit pas fournir de courant alternatif à l'excitatrice 30 pendant la phase de démarrage. Le GCU 50 peut donc être conçu et dimensionné uniquement pour fournir le courant continu d'amplitude limité, nécessaire au fonctionnement de la machine électrique principale 20 en mode générateur et éventuellement en mode moteur synchrone. De façon classique, la phase de démarrage prend fin lorsque le couple produit par la turbomachine est suffisant pour ne plus avoir besoin du S/G 10. Le contacteur de démarrage 64 est ouvert, et la fermeture du contacteur de ligne 28 peut être commandée par la GCU 50 lorsque la vitesse du S/G 10, et donc sa fréquence, sont suffisantes. La figure 4 représente schématiquement l'unité de régulation démarrage 60, dans le cas de la première variante précitée, c'est-à-dire lorsque le mode reluctance synchrone est utilisé jusqu'à atteindre un niveau de couple suffisant pour permettre le démarrage complet de la turbomachine. Certains des éléments de la figure 4 sont représentés et décrits sous forme de modules fonctionnels. En pratique, l'homme du métier peut comprendre que ces modules sont réalisés par exemple sous la forme d'un microcontrôleur programmé de manière appropriée, d'un circuit à logique programmable (FPGA,...) ou de circuits intégrés conçus de manière appropriée. Les tensions alimentant les enroulements statoriques de la machine électrique principale 20 sont produites par un onduleur de démarrage 402 qui est piloté en tension et en fréquence au moyen d'un circuit de commande d'onduleur 404 et d'un module de commande 405. L'énergie électrique nécessaire à la génération des tensions voulues par l'onduleur 402 et au fonctionnement des différents composants de l'unité de régulation démarreur 60 est fournie par une ligne d'alimentation (non représentée) à partir d'un réseau de bord de l'avion alimenté par un APU ou un groupe générateur au sol. Un module 414 a des entrées reliées à des capteurs de courant insérés sur les conducteurs de la ligne 62 pour fournir des informations représentatives des intensités des courants de phase Ia, Ib, et le dans les enroulements statoriques de la machine électrique principale. Le module 414 et relié à un module 415 qui réaliste une conversion du repère ABC au repère d, q et fournit donc des informations « Iq mes » et « Id mes » représentant les courants mesurés dans le repère d, q.

Un module 416 a une entrée reliée à un capteur 14 (figure 2) monté sur l'arbre 12 du S/G 10 pour fournir une information représentative de la vitesse de rotation w de l'arbre 12 et une information représentative de la position angulaire de l'arbre 12, c'est-à-dire représentative de la position angulaire du rotor de la machine électrique principale 20. Le capteur 14 est par exemple un capteur de position angulaire permettant de dériver des signaux du capteur une information de position et une information de vitesse, un tel capteur étant bien connu en soi. En variante l'information position peut être reconstruite par un estimateur utilisant des grandeurs déjà disponibles et dans ce cas l'ajout d'un capteur de position n'est pas nécessaire. Un module 406 mémorise une table qui donne une consigne Iq* en fonction d'une consigne de couple C* et de la vitesse w. De manière similaire, un module 407 mémorise une table qui donne une consigne Id* en fonction d'une consigne de couple C* et de la vitesse w. Les tables sont déterminées comme expliqué ci-dessus pour que les valeurs Iq* et Id* correspondent à un fonctionnement en mode reluctance synchrone.

Un régulateur 410 d'axe q a pour entrée la différence, calculée par un module 408, entre la valeur mesurée « Iq mes » et la consigne Iq*. De manière similaire, un régulateur 411 d'axe d a pour entrée la différence, calculée par un module 409, entre la valeur mesurée « Id mes » et la consigne Id*. Les sorties des régulateurs 410 et 411 sont converties par un module 412 dans le repère ABC et sont fournies au module 405 pour commander l'onduleur 402. Le fonctionnement de l'unité de régulation démarreur 60 est le suivant. En réponse à un ordre de démarrage, l'unité de régulation démarreur 60 commande la fermeture du contacteur 64 et génère une consigne de couple C* pour les modules 406 et 407. De manière connue, la consigne de couple C* peut être déterminée notamment en fonction d'une table qui contient des informations représentant la valeur de consigne du couple de démarrage C* en fonction de la vitesse de rotation w de l'arbre du S/G. L'unité de régulation démarreur 60 dispose alors des signaux permettant d'asservir les courants « Iq mes » et « Id mes » aux valeurs de consignes Iq* et Id*. La machine électrique principale 20 fonctionne en mode reluctance synchrone et la vitesse de rotation w augmente progressivement. L'ouverture de l'interrupteur de ligne 64 est commandée par l'unité de régulation démarreur 60 lorsque la vitesse de rotation w atteint une valeur prédéterminée, correspondant au démarrage complet de la turbomachine. La figure 5 représente schématiquement l'unité de régulation démarrage 60, dans le cas de la deuxième variante précitée, c'est-à-dire lorsque la première étape de la phase de démarrage, en mode reluctance synchrone, est suivie d'une deuxième étape en mode moteur synchrone. Sur la figure 5, les éléments identiques ou similaires à des éléments de la figure 4 sont désignés par les mêmes références et ne sont plus décrits en détails. En plus des éléments de la figure 4, l'unité de régulation démarrage 60 de la figure 5 comprend un module 418 qui mémorise une loi qui donne une consigne Iq* en fonction d'une consigne de couple C* et

de la vitesse w. De manière similaire, un module 419 mémorise une loi qui donne une consigne Id* en fonction d'une consigne de couple C* et de la vitesse w. Les lois des modules 418 et 419 donnent, de manière connues, des valeurs Iq* et Id* correspondent à un fonctionnement de la machine électrique principale 20 en mode moteur synchrone. Deux commutateurs 417 permettent de relier les modules 408 et 409 respectivement au module 406 ou 418 et au module 407 ou 419. Les commutateurs 417 sont commandés en fonction de la vitesse w. Le fonctionnement de l'unité de régulation démarrage 60 est le suivant. La machine étant initialement à l'arrêt, en réponse à un ordre de démarrage, les commutateurs 417 relient les modules 406 et 407 aux modules 408 et 409. Ensuite, dans une première étape, le fonctionnement est le même que dans le cas de la figure 4. La machine électrique principale 20 fonctionne en mode reluctance synchrone et la vitesse augmente progressivement. Lorsque la vitesse atteint un seuil déterminé, les commutateurs 417 sont commutés. L'unité de régulation démarrage 60 détermine alors les consignes de courant Iq* et Id* pour un fonctionnement en mode moteur synchrone. L'unité de régulation démarrage 60 envoi un signal au GCU 5 pour lui demander de fournir un courant continu à l'excitatrice. Ainsi, dans une deuxième étape de la phase de démarrage, la machine électrique principale 20 fonctionne en mode moteur synchrone et la vitesse continue à augmenter progressivement.

Enfin, comme précédemment, l'ouverture de l'interrupteur de ligne 64 peut être commandée par l'unité de régulation démarreur 60 lorsque la vitesse de rotation w atteint une valeur prédéterminée, correspondant au démarrage complet de la turbomachine.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un démarreur-générateur (10) de turbomachine lors d'une phase de démarrage de la turbomachine, le démarreur-générateur comprenant : une machine électrique principale (20) ayant un stator portant des enroulements statoriques (24a, 24b, 24c) et un rotor avec un inducteur rotorique (22), et une excitatrice (30) ayant un inducteur statorique (34) et un rotor avec des enroulements rotoriques (32a, 32b, 32c) reliés à l'inducteur rotorique (22) de la machine électrique principale (20) via un redresseur tournant (36), les rotors de la machine électrique principale et de l'excitatrice étant montés sur un arbre commun (12), le rotor (300) de la machine électrique principale (20) présentant une reluctance variable en fonction d'une position angulaire par rapport au stator, caractérisé en ce que, lors de la phase de démarrage, la turbomachine étant initialement à l'arrêt, la machine électrique principale (20) est commandée en mode moteur à reluctance synchrone en injectant un courant alternatif dans les enroulements statoriques de la machine électrique principale, un couple de démarrage étant engendré sans contribution de l'inducteur rotorique de la machine électrique principale à la génération du couple de démarrage.
2. Procédé de commande d'un démarreur-générateur de turbomachine lors d'une phase de démarrage de la turbomachine, le démarreur-générateur comprenant : une machine électrique principale (20) ayant un stator portant des enroulements statoriques et un rotor avec un inducteur rotorique (22), et une excitatrice (30) ayant un inducteur statorique et un rotor avec des enroulements rotoriques reliés à l'inducteur rotorique de la machine électrique principale via un redresseur tournant (36), les rotors de la machine électrique principale et de l'excitatrice étant montés sur un arbre commun (12), le rotor de la machine électrique principale présentant une reluctance variable en fonction d'une position angulaire par rapport au stator, caractérisé en ce que : lors d'une première étape de la phase de démarrage, la turbomachine étant initialement à l'arrêt, la machine électrique principale (20) est commandée en mode moteur à reluctance synchrone en injectantun courant alternatif dans les enroulements statoriques de la machine électrique principale, un couple de démarrage étant engendré sans contribution de l'inducteur rotorique de la machine électrique principale à la génération du couple de démarrage, - lors d'une deuxième étape suivante de la phase de démarrage, la machine électrique principale (20) est commandée en mode moteur synchrone en injectant un courant alternatif dans les enroulements statoriques de la machine électrique principale tout en alimentant l'inducteur rotorique de la machine électrique principale en courant continu par injection de courant continu dans l'inducteur statorique de l'excitatrice (30), et - le passage de la première étape à la deuxième étape de la phase de démarrage est commandé lorsque la vitesse de rotation (w) de l'arbre atteint une valeur prédéterminée.
3. Démarreur-générateur (10) de turbomachine comprenant : - une machine électrique principale (20) conçue pour fonctionner en mode génératrice électrique synchrone après démarrage de la turbomachine et pour fonctionner en mode moteur électrique lors d'une phase de démarrage de la turbomachine, la machine électrique principale ayant un stator portant des enroulements statoriques (24a, 24b, 24c) et un rotor avec un inducteur rotorique (22), le rotor (300) de la machine électrique principale (20) présentant une reluctance variable en fonction d'une position angulaire par rapport au stator, - une excitatrice (30) ayant un inducteur statorique (34) et un rotor avec des enroulements rotoriques (32a, 32b, 32c) reliés à l'inducteur rotorique (22) de la machine électrique principale via un redresseur tournant (36), les rotors de la machine électrique principale et de l'excitatrice étant montés sur un arbre commun (12) destiné à être couplé mécaniquement à un arbre de la turbomachine, - une unité de régulation générateur (50) reliée à l'inducteur statorique de l'excitatrice pour fournir un courant continu à l'inducteur statorique de l'excitatrice lorsque la machine électrique principale fonctionne en mode génératrice électrique synchrone, et - une unité de régulation démarreur (60) reliée aux enroulements statoriques de la machine électrique principale via uncontacteur de démarrage (64) pour fournir un courant alternatif aux enroulements statoriques de la machine électrique principale lorsque celle-ci fonctionne en mode moteur électrique, caractérisé en ce que l'unité de régulation démarreur est apte à fournir le courant alternatif aux enroulements statoriques de la machine électrique principale pour un fonctionnement en mode moteur à reluctance synchrone, un couple de démarrage étant engendré sans contribution de l'inducteur rotorique de la machine électrique principale à la génération du couple de démarrage.
4. Démarreur-générateur selon la revendication 3, dans lequel l'unité de régulation démarreur (60) comprend des moyens de détermination (406, 407) d'au moins une première consigne (Iq*, Id*) correspondant à un fonctionnement de la machine électrique principale en mode reluctance synchrone, et des moyens de régulation (410, 411) aptes à réguler le courant alternatif fournit aux enroulements statoriques de la machine électrique principale en fonction de la première consigne.
5. Démarreur-générateur selon la revendication 4, dans lequel l'unité de régulation démarreur (60) comprend des moyens de détermination (418, 419) d'au moins une deuxième consigne (Iq*, Id*) correspondant à un fonctionnement de la machine électrique principale en mode moteur synchrone, et des moyens de commutation (417), les moyens de régulations étant aptes à réguler le courant alternatif fournit aux enroulements statoriques de la machine électrique principale en fonction de la première ou de la deuxième consigne en fonction d'un état des moyens de commutation.
6. Démarreur-générateur selon la revendication 5, dans lequel l'unité de régulation générateur (50) est apte à fournir un courant continu à l'inducteur statorique de l'excitatrice lorsque la machine électrique principale fonctionne en mode moteur synchrone.
7. Démarreur-générateur selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel les moyens de détermination d'au moins une première consigne incluent une table mémorisée dans une mémoire.
8. Turbomachine équipée d'un démarreur-générateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 7.5