Introduction à la piste de l’augmentation du nombre de phases

Introduction à la piste de l’augmentation du nombre de phases.

Comme expliqué précédemment, les limitations de la machine à induction triphasée en termes de densité de puissance et de couple et de plage de fonctionnement à puissance constante rendent contraignante l’utilisation de cette machine pour une application de traction. Cependant, si on se permet d’augmenter le nombre des phases au stator, plus de degrés de liberté s’offrent au niveau de l’alimentation de la machine avec plus de séquences possibles. Une séquence d’alimentation correspondant à un ordre particulier d’alimentation des phases statoriques, plus le nombre de phases augmente, plus le nombre de séquences d’alimentation est important. La notion de séquences d’alimentation différentes dans une machine polyphasée, sera expliquée en détails dans la section 1.2.1. Chaque séquence d’alimentation, génère un nombre de paires de pôles magnétiques qui lui correspond. Avec plusieurs séquences, la machine peut a priori fonctionner sous différentes polarités, soit de façon simultanée ce qui permettrait d’améliorer la densité du couple, soit de façon séquentielle, ce qui permettrait d’étendre la plage de vitesse. Ces aspects seront détaillés dans la section 1.2.2. L’énergie électrique est transportée conventionnellement par des réseaux triphasés, ce qui a conduit au développement des machines électriques triphasées, qui sont généralement alimentées par des onduleurs de tension dans le domaine de la vitesse variable. Cependant avec trois phases uniquement, plusieurs problèmes peuvent être rencontrés dans les applications caractérisées par des fortes puissances (tensions et/ou courants élevés), notamment les contraintes sur les composants de puissance constituant l’onduleur. D’un côté, les tensions élevées engendrent des contraintes au niveau des diélectriques, de l’autre, les courants élevés engendrent des contraintes thermiques importantes au niveau des composants, ce qui nécessite parfois la mise en parallèle de plusieurs interrupteurs (pour répartir la charge thermique). Cette mise en parallèle, impose elle-même des contraintes sur le dimensionnement afin de garantir un bon fonctionnement synchrone, dans le temps, des interrupteurs.

Avantages potentiels.

Cependant avec trois phases uniquement, plusieurs problèmes peuvent être rencontrés dans les applications caractérisées par des fortes puissances (tensions et/ou courants élevés), notamment les contraintes sur les composants de puissance constituant l’onduleur. D’un côté, les tensions élevées engendrent des contraintes au niveau des diélectriques, de l’autre, les courants élevés engendrent des contraintes thermiques importantes au niveau des composants, ce qui nécessite parfois la mise en parallèle de plusieurs interrupteurs (pour répartir la charge thermique). Cette mise en parallèle, impose elle-même des contraintes sur le dimensionnement afin de garantir un bon fonctionnement synchrone, dans le temps, des interrupteurs. L’augmentation du nombre de phases au niveau de la machine, et qui est possible du fait de l’alimentation par un onduleur qui peut avoir un nombre quelconque de phases, s’avère une solution très intéressante vu qu’elle permet de segmenter la puissance. Cette segmentation permet notamment la réduction des contraintes de tension et de courant sur les composants de puissance, qui peuvent par conséquent fonctionner à des fréquences plus élevées afin de réduire le contenu harmonique, entre autres celui du couple. Par ailleurs dans le domaine de la traction électrique, les tensions utilisées sont relativement basses, ce qui accentue les contraintes de courant sur l’onduleur. Pour cela l’utilisation des machines polyphasées dans ce domaine s’annonce prometteuse [6]. Cette segmentation de puissance sur différentes phases, n’est de notre point de vue qu’un avantage secondaire des machines polyphasées. En effet, avec une machine polyphasée, la densité du couple peut être améliorée, et la plage de vitesse de la machine peut être étendue,

La Figure 1.17 illustre la séquence « 1 » et la séquence qui lui est inverse « 4 », pour une machine à 5 phases. L’utilisation de l’une de ces deux séquences génère la série d’harmoniques de FMM (ou harmoniques d’espace) : si le bobinage est à nombre entier d’encoches par paire de pôles et par phase, les harmoniques d’espace de rang « 1p, 4p, 6p, 9p …etc » (« p » étant le nombre de paires de pôles « fondamental », qui caractérise le bobinage), sont générées. Chaque harmonique d’espace est caractérisé par son amplitude dans la fonction « spatiale » du bobinage (décomposée en série de Fourier). Ces « amplitudes spatiales » dépendent de la distribution du bobinage, par exemple un bobinage à distribution antipériodique (à pas diamétral classique) est caractérisé par des amplitudes nulles pour les harmoniques d’espace de rang kp avec k pair. De façon générale, l’amplitude liée à une polarité « v.p » donnée dans la FMM, décroit avec l’augmentation du rang « v.p », et donc l’utilisation de l’une de ces deux séquences (1 et 4) pour une machine à 5 phases génère principalement « 1p » (le rang le plus bas des harmoniques d’espace) comme polarité dominante. La Figure 1.18 illustre les deux séquences « 2 » et « 3 » pour une machine à 5 phases. L’utilisation de l’une de ces deux séquences, génère la série d’harmoniques d’espace : « 2p, 3p, 7p, 8p …etc ». La polarité dominante, entre « 2p » ou « 3p », dans la machine, dépend des coefficients de bobinage liés à ces harmoniques (ou leurs amplitudes dans la décomposition en série de Fourier de la fonction de bobinage).