FR3110789A1 - Procédé et système de contrôle d’une machine électrique du type conique pour aéronef - Google Patents

Procédé et système de contrôle d’une machine électrique du type conique pour aéronef Download PDF

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Abstract

Un procédé de contrôle d’une machine électrique (M) pour un aéronef, la machine électrique (M) étant du type conique et comportant un organe de rotor coopérant avec un organe de stator, le procédé comportant une étape de mesure de vitesse de rotation (ωR) de l'organe de rotor, une étape de mesure de la position axiale (Rx) de l’organe de rotor, une étape de détermination d’un courant corrigé selon l’axe q (iq*) à partir de la régulation de l’écart entre la mesure de vitesse de rotation (ωR) et une consigne de vitesse de rotation de rotor prédéterminée (ωR*), une étape de détermination d’un courant corrigé selon l’axe d (id*) à partir de la régulation de l’écart entre la mesure de la position axiale (Rx) et une consigne de position axiale prédéterminée (Rx*) et une étape de détermination des courants de commande (iabc) de l’organe de stator (S) à partir du courant corrigé selon l’axe d (id*) et du courant corrigé selon l’axe q (iq*). Figure de l’abrégé : Figure 4

Description

Procédé et système de contrôle d’une machine électrique du type conique pour aéronef
La présente invention concerne le domaine des machines électriques embarquées dans un aéronef.
De manière connue, un aéronef comporte une ou plusieurs machines électriques pour entrainer un arbre propulsif en rotation (fonctionnement moteur) ou pour générer de l’énergie électrique (fonctionnement générateur). En pratique, une machine électrique comporte un organe de rotor coopérant avec un organe de stator. L’organe de stator est couplé magnétiquement à l’organe de rotor de manière à l’entrainer en rotation ou générer un courant électrique.
Afin d’assurer la sûreté du vol de l’aéronef, il est nécessaire de contrôler les tensions au sein d’une machine électrique quand celle-ci réalise un entrainement de l’organe de rotor à très haute vitesse. Pour éviter que les tensions dépassent des seuils admissibles, il est connu de prévoir un système de débrayage mécanique de la machine électrique de manière à ce que l’organe de rotor et l’organe de stator ne coopèrent plus ensemble, ce qui complexifie la machine électrique et augmente sa masse.
Afin d’éliminer ces inconvénients, en référence à la figure 1, il est connu de prévoir une machine électrique M_AA du type conique comportant un organe de stator S_AA et un organe de rotor R_AA, rotatif selon un axe X_AA, de manière à ménager entre eux un entrefer de forme conique. Un système de contrôle 90 permet de définir les courants de commande iabc qui circulent dans l’organe de stator S afin de contrôler le couple de l’organe de rotor R_AA.
Lorsque le flux magnétique devient trop important dans la machine électrique M_AA, il est connu de prévoir un actionneur extérieur 92, relié à l’organe de rotor R_AA de la machine électrique M_AA, qui est configuré pour déplacer l’organe de rotor R_AA selon l’axe X_AA par rapport à l’organe de stator S_AA de manière à les écarter et stopper le couplage magnétique. L’actionneur extérieur 92 est commandé par un dispositif de sécurité 91 qui est configuré pour détecter un risque pour la machine électrique M_AA, par exemple, lorsque la vitesse de rotation de l’organe de rotor R_AA est trop élevée.
L’intégration d’un tel actionneur extérieur augmente le coût, l’encombrement et la masse d’une machine électrique, ce qui présente un inconvénient. Le but de la présente invention est de proposer une machine électrique permettant un couplage/découplage de sécurité pour les hautes tensions tout en améliorant le contrôle de la machine électrique sur son régime de fonctionnement nominal.
PRESENTATION DE L’INVENTION
L’invention concerne un procédé de contrôle d’une machine électrique pour un aéronef, la machine électrique étant du type conique et comportant un organe de rotor coopérant avec un organe de stator, l’organe de stator étant couplé magnétiquement à l’organe de rotor, l’organe de rotor étant rotatif selon un axe et mobile en translation selon ledit axe, le procédé comportant :
  • une étape de mesure de vitesse de rotation de l’organe de rotor,
  • une étape de mesure de la position axiale de l’organe de rotor,
  • une étape de détermination d’un courant corrigé selon l’axe q à partir de la régulation de l’écart entre la mesure de vitesse de rotation et une consigne de vitesse de rotation prédéterminée,
  • une étape de détermination d’un courant corrigé selon l’axe d à partir de la régulation de l’écart entre la mesure de la position axiale et une consigne de position axiale prédéterminée et
  • une étape de détermination des courants de commande de l’organe de stator à partir du courant corrigé selon l’axe d et du courant corrigé selon l’axe q.
De manière avantageuse, la machine électrique est contrôlée pour réaliser un mouvement rotatif contrôlé et un mouvement axial contrôlé de l’organe de rotor à l’intérieur de l’organe de stator. De manière avantageuse, la vitesse de rotation peut être contrôlée de manière traditionnelle alors que la position axiale est contrôlée de manière indirecte en contrôlant le courant de magnétisation de la machine électrique.
De manière préférée, le procédé comprend une étape de suppression des termes de couplage entre les deux axes d, q afin de ne pas influencer le contrôle du courant d’axe d par le courant d’axe q et réciproquement. Le mouvement de translation et de rotation sont ainsi indépendants, ce qui permet de réaliser la stratégie de contrôle désirée afin que la machine électrique ne dépasse pas des seuils de tension admissibles.
De préférence, le procédé comporte :
  • une étape de détermination d’une tension corrigée selon l’axe d à partir de la régulation de l’écart entre une mesure de courant d’axe d fourni à la machine électrique et le courant corrigé selon l’axe d
  • une étape de détermination d’une tension corrigée selon l’axe q à partir de la régulation de l’écart entre une mesure de courant d’axe q fourni à la machine électrique et le courant corrigé selon l’axe q
  • une étape de détermination des courants de commande de l’organe de stator à partir de la tension corrigée selon l’axe d et de la tension corrigée selon l’axe q.
L’invention concerne également un ensemble d’une machine électrique pour aéronef et d’un système de contrôle de ladite machine électrique, la machine électrique étant du type conique et comportant un organe de rotor coopérant avec un organe de stator, l’organe de stator étant couplé magnétiquement à l’organe de rotor, l’organe de rotor étant rotatif selon un axe et mobile en translation selon ledit axe, le système de contrôle étant configuré pour :
  • mesurer la vitesse de rotation de l’organe de rotor,
  • mesurer la position axiale de l’organe de rotor,
  • déterminer un courant corrigé selon l’axe q à partir de la régulation de l’écart entre la mesure de vitesse de rotation et une consigne de vitesse de rotation prédéterminée,
  • déterminer un courant corrigé selon l’axe d à partir de la régulation de l’écart entre la mesure de la position axiale et une consigne de position axiale prédéterminée et
  • déterminer des courants de commande de l’organe de stator à partir du courant corrigé selon l’axe d et du courant corrigé selon l’axe q.
De préférence, l’ensemble comporte un capteur de mesure de la position axiale de l’organe de rotor.
De préférence encore, l’ensemble comporte un capteur de mesure de la position angulaire de l’organe de rotor de manière à en déduire la vitesse de rotation de l’organe de rotor.
L’invention concerne également un aéronef comportant un ensemble d’une machine électrique et d’un système de contrôle de ladite machine électrique tel que présenté précédemment.
PRESENTATION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple, et se référant aux figures suivantes, données à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables.
La figure 1 est une représentation schématique d’une machine électrique et d’un actionneur externe selon l’art antérieur.
La figure 2 est une représentation schématique d’une machine électrique selon une forme de réalisation de l’invention.
La figure 3 est une représentation schématique de la force électromagnétique qui s’exerce sur un organe de rotor d’une machine électrique.
La figure 4 est une représentation schématique d’un système de contrôle d’une machine électrique selon une forme de réalisation de l’invention.
Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
En référence à la figure 2, l’invention concerne une machine électrique M pour un aéronef, la machine électrique M est du type conique et comporte un organe de rotor R coopérant avec un organe de stator S, l’organe de stator S étant couplé magnétiquement à l’organe de rotor R. L’organe de rotor R est rotatif selon un axe X et mobile en translation selon ledit axe X afin de régler l’entrefer formé entre l’organe de rotor R et l’organe de stator S.
La machine électrique M est adaptée pour fonctionner en mode moteur afin d’entrainer en rotation l’organe de rotor R lorsque l’organe de stator S est alimenté électriquement. La machine électrique M peut être également adaptée pour fonctionner en mode générateur afin de générer de l’énergie électrique dans l’organe de stator S suite à l’entrainement en rotation de l’organe de rotor R. L’organe de stator S et l’organe de rotor R sont de formes coniques de manière à définir entre eux un entrefer conique.
La machine électrique M est reliée de manière connue à un système de contrôle 9 qui fournit des courants de commande iabc à l’organe de stator S. Les courants de commande iabc sont triphasés, mais ils sont contrôlés en biphasé dans un repère dq encore noté (d,q,0), correspondant à la transformation de Park T(θ) bien connue de l’homme du métier, dans lequel θ(t) est un angle de transformation qui dépend du temps. L’angle de transformation θ(t) correspond à l’angle du flux de l’organe de rotor R qui dépend de la position angulaire de l’angle de rotor R.
En utilisant la transformation T(θ), les courants triphasés (ia, ib, ic) (=iabc) de la machine électrique M sont ramenés dans le repère de Park dq qui tourne à la vitesse de rotation ωRde rotor et ils sont transformés en composantes (id, iq, i0), selon l’opération matricielle indiquée ci-dessous :
La transformation de Park T(θ) permet d’obtenir des grandeurs constantes (non sinusoïdales) qui peuvent être contrôlées plus facilement par comparaison aux courants sinusoïdaux. De manière connue, le système de contrôle 9 agit, d’une part, sur le courant d’axe q iq(t) pour contrôler le couple produit par la machine électrique M à partir de la régulation de la vitesse de rotation ωRet, d’autre part, sur le courant d’axe d id(t) pour contrôler le défluxage de la machine électrique M.
Selon l’invention, en référence à la figure 4, le système de contrôle 9 est configuré pour :
  • mesurer la vitesse de rotation ωRde l’organe de rotor R,
  • mesurer la position axiale Rx de l’organe de rotor R,
  • déterminer un courant corrigé selon l’axe q iq* à partir de la régulation de l’écart entre la mesure la vitesse de rotation ωRet une consigne de vitesse prédéterminée ωR*,
  • déterminer un courant corrigé selon l’axe d id* à partir de la régulation de l’écart entre la mesure de la position axiale Rx et une consigne de position axiale prédéterminée Rx* et
  • déterminer des courants de commande iabc de l’organe de stator S à partir du courant corrigé selon l’axe d id* et du courant corrigé selon l’axe q iq*.
Autrement dit, les réglages de la vitesse de rotation ωRet de la position axiale Rx sont découplés sur chacun des axes d et q du courant, ce qui permet de les régler de manière indépendante.
De manière avantageuse, grâce à l’invention, le système de contrôle 9 permet de régler le niveau de flux magnétique dans la machine électrique M pour contrôler la force axiale développée par l’organe de rotor R de manière à régler la position axiale Rx de l’organe de rotor R sans recourir à un actionneur extérieur.
Dans une machine électrique M du type conique, la densité de flux magnétique B est fortement liée à la position axiale Rx de l’organe de rotor R par rapport à l’organe de stator S, c’est-à-dire, liée à l’épaisseur d’entrefer.
La relation suivante peut être utilisée pour déterminer la densité de flux magnétique B dans l’entrefer par rapport au courant I qui est fourni par le système de contrôle 9.
dans laquelle on a
  • p, nombre de paires de pôles de la machine électrique M
  • m, nombre de phases de la machine électrique M
  • kw, coefficient de bobinage
  • µ0, perméabilité magnétique du vide
  • N, nombre de conducteurs
  • g’, longueur de l’entrefer mécanique (dépend de la position axiale de l’organe de rotor R)
  • I, courant qui génère la force qui permet à l’organe de rotor R de reculer.
En référence à la figure 3, il est représenté de manière schématique la force électromagnétique F qui est exercée sur l’organe de rotor R par magnétisme par l’organe de stator S. Cette force F se décompose en une composante radiale Fr, une composante tangentielle Ft et une composante axiale Fx. Les relations entre la force électromagnétique F et le flux magnétique B sont définies par la formule suivante :
dans laquelle :
  • Bnest la composante normale du flux magnétique B
  • Btest la composante tangentielle du flux magnétique B
  • Lγ est la longueur longitudinale du rotor
  • rgest le rayon moyen du rotor
  • μ0 est la perméabilité magnétique du vide
  • est l’angle conique illustré à la figure 3.
Ainsi, la composante normale Bndu flux magnétique B contribue à la composante radiale Fr et à la composante axiale Fx de la force électromagnétique F. Comme indiqué précédemment, le flux magnétique B est fonction du courant I.
En pratique, le courant d’axe d id permet de contrôler les composantes radiale Fr et axiale Fx de la force électromagnétique F. Le courant d’axe q iq permet de contrôler la composante tangentielle Bt dont dépend la composante tangentielle Ft de la force électromagnétique F afin de générer la vitesse de rotation ωRde la machine électrique M.
Ainsi, comme illustré à la formule précédente, on détermine une relation entre la densité de flux magnétique B et le courant I par rapport à la position axiale Rx de l’organe de rotor R (longueur de l’entrefer).
Dans cet exemple, en référence à la figure 4, le système de contrôle 9 comporte un capteur 4 de la position axiale Rx de l’organe de rotor R, de préférence, un capteur de position linéaire. Le système de contrôle 9 comporte en outre un capteur 5 de la position angulaire θ de l’organe de rotor R. Ces mesures sont utilisées pour réaliser l’asservissement de la position axiale Rx et de la vitesse de rotation ωRdu rotor R comme cela sera présenté par la suite.
Le système de contrôle 9 permet en particulier de réaliser un asservissement du courant d’axe d id en fonction de la position axiale Rx de l’organe du rotor R qui est mesurée.
A titre d'exemple, pour une machine électrique du type asynchrone, les équations de régulation du courant des axes d et q dans le repère (d,q,0) sont les suivantes:
avec
  • RS, résistance de l’organe de stator
  • TS, constante de temps de l’organe de stator S
  • TR, constante de temps de l’organe de rotor R
  • Ra, résistance de la machine électrique M obtenue comme RS(TS+TR)/TR
  • Ta, constante de temps du moteur obtenue comme σTSTR/(TS+TR)
  • s, opérateur de Laplace
  • vsd, tension d’axe d
  • vsq, tension d’axe q
  • ωφ, vitesse de rotation du vecteur de flux
  • σ, facteur de dispersion obtenue comme (1-LM2)/ LSLR
  • LS, inductance de l’organe de stator S
  • LM, inductance de magnétisation
  • Isφ, composante du courant qui détermine le flux de rotor
  • ωR, vitesse de rotation de l‘organe de rotor R
  • λR, vecteur de flux de l’organe de rotor R.
En référence à la figure 4, le système de contrôle 9 reçoit en entrée une consigne de position axiale Rx*, une consigne de vitesse de rotation ωR*, une mesure de position Rx via le capteur de position axiale 4 et une mesure de position angulaire θ via le capteur angulaire 5. Le système de contrôle 9 fournit en sortie des courants de commande iabc, dans le repère (a, b, c) destinés à alimenter l’organe de stator S de la machine électrique M.
De manière détaillée, toujours en référence à la figure 4, le système de contrôle 9 comporte un premier comparateur de position 31 configuré pour déterminer un premier écart ε1 entre la consigne de vitesse de rotation ωR* et une mesure de la vitesse de rotation ωR. Dans cet exemple, le système de contrôle 9 comporte un opérateur dérivé 26 pour déterminer la mesure de la vitesse de rotation ωRà partir de la mesure de position angulaire θ.
En outre, le système de contrôle 9 comporte un deuxième comparateur de position 32 configuré pour déterminer un deuxième écart ε2 entre la consigne de position axiale Rx* et la position axiale mesurée Rx de l’organe de rotor R.
Le système de contrôle 9 comporte un premier de bloc de régulation 21 qui permet, d’une part, de déterminer un courant corrigé d’axe q iq* à partir du premier écart ε1 et, d’autre part, de déterminer un courant corrigé d’axe d id* à partir du deuxième écart ε2.
Toujours en référence à la figure 4, le système de contrôle 9 comporte un troisième comparateur 33 configuré pour déterminer un troisième écart ε3 entre le courant corrigé d’axe d id* et le courant mesuré d’axe d id, c’est-à-dire, le courant fourni à la machine électrique M.
Le système de contrôle 9 comporte un quatrième comparateur 34 configuré pour déterminer un quatrième écart ε4 entre le courant corrigé d’axe q iq* et le courant mesuré d’axe q iq.
De plus, le système de contrôle 9 comporte un deuxième bloc de régulation 22 qui permet, d’une part, de déterminer une tension corrigée d’axe d ud à partir du troisième écart ε3 et, d’autre part, de déterminer une tension corrigée d’axe q uq à partir du quatrième écart ε4. De manière préférée, le deuxième bloc de régulation 22 est configuré pour supprimer les termes de couplage entre les deux axes d, q, en particulier les termes ωφσLSisqet ωφσLSisq(isq- isφ) présentés précédemment, afin de ne pas influencer le contrôle du courant d’axe d par le courant d’axe q et réciproquement. Le système de contrôle 9 comporte également un bloc de conversion 23 des tensions corrigées ud, uq, exprimées dans le référentiel dq, dans le référentiel abc (iabc) qui sont transmises à un onduleur 24 afin de fournir des intensités iabc à l’organe de stator S de la machine électrique M.
Le système de contrôle 9 comporte un deuxième bloc de conversion 25 des intensités iabc, exprimées dans le référentiel abc, dans le référentiel dq (id, iq) qui sont transmises aux comparateurs 33, 34 présentés précédemment (boucle de retour de la régulation). Dans cet exemple, chaque bloc de régulation 21, 22 comporte des opérateurs du type proportionnelle intégrale ou analogue.
Suite au découplage entre les deux axes d et q, on peut réguler indépendamment la position axiale Rx du rotor R, par la boucle de contrôle de courant d'axe d (Figure 4) et la vitesse de rotation ωRdu rotor (et donc le couple de la machine électrique), par la boucle de contrôle de courant d'axe q (Figure 4).
Une machine électrique M du type conique présente un grand intérêt pour le domaine aéronautique du fait qu’elle permet simultanément de réaliser, un mouvement de rotation et un mouvement de translation axiale. Grâce à l’invention, les deux mouvements peuvent être contrôlés de manière optimale afin de tirer avantage de la machine électrique M.
De manière avantageuse, grâce à l’invention, on découple le contrôle du mouvement de rotation et le mouvement de translation de manière interne sans recourir à un actionneur externe comme dans l’art antérieur, ce qui limite l’encombrement. Ainsi, l’organe de rotor peut être aligné ou non aligné avec l’organe de stator tout en contrôlant le couple de la machine électrique par régulation de la vitesse de rotation ωR.
Grâce à l’invention, le déplacement axial de l’organe de rotor est contrôlé de manière dynamique en utilisant le courant de magnétisation de la machine électrique M. Cela permet avantageusement d’écarter axialement l’organe de rotor de l’organe de stator afin de les découpler partiellement. On peut contrôler de manière dynamique la marge de tension par rapport aux seuils de tension admissibles prédéterminés. Cela est particulièrement avantageux lorsque la machine électrique M est utilisée en tant que générateur électrique dans un aéronef. De manière avantageuse, la machine électrique M peut être utilisée comme actionneur aéronautique ayant deux mouvements (rotation et translation selon un même axe). L’invention s’applique aussi bien à une machine asynchrone qu’une machine synchrone à aimants permanents. A cet effet, il faut simplement adapter les équations [Math 5] et [Math 6] des courants de régulation d'axes d et q à la machine concernée (asynchrone, synchrone).

Claims (7)

  1. Procédé de contrôle d’une machine électrique (M) pour un aéronef, la machine électrique (M) étant du type conique et comportant un organe de rotor (R) coopérant avec un organe de stator (S), l’organe de stator (S) étant couplé magnétiquement à l’organe de rotor (R), l’organe de rotor (R) étant rotatif selon un axe (X) et mobile en translation selon ledit axe (X), le procédé comportant :
    • une étape de mesure de vitesse de rotation (ωR) de l’organe de rotor (R),
    • une étape de mesure de la position axiale (Rx) de l’organe de rotor (R),
    • une étape de détermination d’un courant corrigé selon l’axe q (iq*) à partir de la régulation de l’écart entre la mesure de vitesse de rotation (ωR) et une consigne de vitesse de rotation prédéterminée (ωR*),
    • une étape de détermination d’un courant corrigé selon l’axe d (id*) à partir de la régulation de l’écart entre la mesure de la position axiale (Rx) et une consigne de position axiale prédéterminée (Rx*) et
    • une étape de détermination des courants de commande (iabc) de l’organe de stator (S) à partir du courant corrigé selon l’axe d (id*) et du courant corrigé selon l’axe q (iq*).
  2. Procédé de contrôle selon la revendication 1, comprend une étape de suppression des termes de couplage entre les deux axes d, q afin de ne pas influencer le contrôle du courant d’axe d (id) par le courant d’axe q (iq) et réciproquement.
  3. Procédé de contrôle selon l’une des revendications 1 à 2, comportant :
    • une étape de détermination d’une tension corrigée selon l’axe d (ud) à partir de la régulation de l’écart entre une mesure de courant d’axe d (id) fourni à la machine électrique (M) et le courant corrigé selon l’axe d (id*)
    • une étape de détermination d’une tension corrigée selon l’axe q (uq) à partir de la régulation de l’écart entre une mesure de courant d’axe q (iq) fourni à la machine électrique (M) et le courant corrigé selon l’axe q (iq*)
    • une étape de détermination des courants de commande (iabc) de l’organe de stator (S) à partir de la tension corrigée selon l’axe d (ud) et de la tension corrigée selon l’axe q (uq).
  4. Ensemble d’une machine électrique (M) pour aéronef et d’un système de contrôle (9) de ladite machine électrique (M), la machine électrique (M) étant du type conique et comportant un organe de rotor (R) coopérant avec un organe de stator (S), l’organe de stator (S) étant couplé magnétiquement à l’organe de rotor (R), l’organe de rotor (R) étant rotatif selon un axe (X) et mobile en translation selon ledit axe (X), le système de contrôle (9) étant configuré pour :
    • mesurer la vitesse de rotation (ωR) de l’organe de rotor (R),
    • mesurer la position axiale (Rx) de l’organe de rotor (R),
    • déterminer un courant corrigé selon l’axe q (iq*) à partir de la régulation de l’écart entre la mesure de vitesse de rotation (ωR) et une consigne de vitesse de rotation prédéterminée (ωR*),
    • déterminer un courant corrigé selon l’axe d (id*) à partir de la régulation de l’écart entre la mesure de la position axiale (Rx) et une consigne de position axiale prédéterminée (Rx*) et
    • déterminer des courants de commande (iabc) de l’organe de stator (S) à partir du courant corrigé selon l’axe d (id*) et du courant corrigé selon l’axe q (iq*).
  5. Ensemble selon la revendication 4, comportant un capteur de mesure (4) de la position axiale (Rx) de l’organe de rotor (R).
  6. Ensemble selon l’une des revendications 4 et 5, comportant un capteur de mesure (5) de la position angulaire (θ) de l’organe de rotor (R) de manière à en déduire la vitesse de rotation (ωR) de l’organe de rotor (R).
  7. Aéronef comportant un ensemble d’une machine électrique (M) et d’un système de contrôle (9) de ladite machine électrique (M) selon l’une des revendications 4 à 6.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20200091851A1 (en) * 2015-08-04 2020-03-19 Thk Co., Ltd. Device and method for controlling linear actuator

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