Damien Birolleau

ETAT DE L'ART DES ACTIONNEURS TOLERANTS AUX FAUTES

I NTRODUCTION

• Contexte
• Principe de la tolérance aux fautes

Pour un système donné, F(t) est défini comme la probabilité que ce système ne tombe pas en panne dans l'intervalle [0,t]. Il est donc possible d'avoir un système peu fiable mais hautement disponible et donc tolérant aux pannes.

D OMAINE DE RECHERCHE : LES ACTIONNEURS POUR LE D RIVE - BY -W IRE

• La redondance et ses limites
• Différence Brake / Steer (Freinage / Direction)
• Le Steer-by-Wire

Figures III-31 Courant de court-circuit avec alimentation de la phase défectueuse coupée. Mutuellement entre spires court-circuitées et bobines éloignées de la phase en défaut.

H YPOTHESES SUR LE SYSTEME

F AUTES MAJEURES

• Identification des fautes principales
• Sur l'onduleur
• Sur l'actionneur électrique

Une diminution de la valeur maximale du courant de court-circuit apparaît lorsque le nombre de spires de court-circuit augmente. Pour le cas de 8 spires en court-circuit (une bobine complète), la phase A fournit environ 0,85 Nm.

C E QUI EXISTE AUJOURD ' HUI CONTRE CES DEFAUTS

P RECONISATIONS POUR LE MOTEUR

• Préconisations sur la structure
• Indépendance Electrique
• Indépendance magnétique
• Isolation thermique
• Isolation physique des phases
• Multiplication des phases
• Limitation des courants de faute ou de leurs effets

P RECONISATIONS SUR LA TECHNOLOGIE

L IMITES DE CES PRECONISATIONS

SIMULATION PAR ELEMENTS FINIS DE DEFAUTS DANS LE BOBINAGE

I NTRODUCTION

P RESENTATION DES MOTEURS SUPPORTS D ' ETUDE

• Choix de la technologie du moteur
• Moteurs et caractéristiques
• Remarques sur la technologie choisie

M ODELISATION DES MOTEURS ET DU COURT - CIRCUIT

• Hypothèses
• Grandeurs de référence
• Modélisation du court-circuit

S IMULATIONS D ' UN COURT - CIRCUIT INTERNE

• Détail des simulations réalisées
• Résultats du premier moteur
• Second moteur

Le couple moyen diminue à mesure que le nombre de tours court-circuités augmente, avec ou sans puissance du reste de la phase A. La figure II-14 montre que la puissance de la phase A délivre environ 1 N.m, quel que soit le nombre de tours en peu de temps. circuit.

A VANTAGES ET LIMITES DE CES SIMULATIONS

Figure II-27 Champ dans l'aimant passant devant la dent endommagée avec 13 tours en court-circuit. Comme pour la première machine, le risque de démagnétisation, c'est-à-dire de celle pour laquelle la valeur du champ est minime, augmente avec l'apparition d'un court-circuit. Les risques de démagnétisation sont donc similaires ou légèrement supérieurs à ceux de la première machine.

Le sens de l'évolution de la valeur moyenne du champ en fonction du temps est inverse par rapport au cas nominal. L'explication est la même que pour la première machine : cela est dû au courant dans les spires de court-circuit qui est contraire au courant nominal.

C ONCLUSION

E : force électromotrice produite par le reste de la machine dans les spires Rcc : résistance des spires en court-circuit. La formule analytique du courant de court-circuit devient la relation (34) (le terme transitoire n'est pas pris en compte). Le couple fourni par le moteur et le courant de court-circuit sont alors observés.

MODELISATION ANALYTIQUE D'UN COURT-CIRCUIT INTERNE A VITESSE CONSTANTE

I NTRODUCTION

M ETHODE DE MODELISATION CHOISIE

• Méthode de modélisation
• Modélisation du comportement en nominal
• Comportement après l'apparition du court-circuit interne

M ISE EN EQUATION

• Introduction
• Conditions de mise en équation
• Calcul du flux dans chaque dent du stator
• Calcul du courant de court-circuit
• Calcul du couple
• Calcul de la valeur moyenne du champ dans les aimants

V ALIDATION DU MODELE

• Introduction
• Grandeurs utilisées - Recalage
• Validation en linéaire
• Validation en non linéaire
• Conclusion

E XPLOITATION DU MODELE

• Introduction
• Influence de la résistance de spire R sp
• Cartographie sur la vitesse de rotation
• Arrêt de l'alimentation de la phase en faute
• Etude de la stratégie de déphasage des courants des phases saines

A VANTAGES ET LIMITES DU MODELE

MODELE DYNAMIQUE EN DEFAUT DE LA PREMIERE MACHINE DE REFERENCE

I NTRODUCTION

Figure IV-10 Couple (à gauche) et vitesse (à droite) avec apparition d'un court-circuit à 8 tours à 300ms. Ici, seuls les effets d'un court-circuit à vide sont étudiés (phases non entraînées, rotor en rotation). Figure V-24 Ampleur du courant de court-circuit icc pour un court-circuit sur le même fil (à gauche) ou entre deux fils différents (à droite).

Figures V-25 Couple de défaut moyen en cas de court-circuit sur un même fil (à gauche) ou entre deux fils différents (à droite). Figures V-26 Densité de courant dans une partie du circuit en cas de court-circuit sur le même fil (à gauche) ou entre deux fils différents (à droite).

M ODELISATION

• Mise en équation

2.2. "Schéma-bloc" complet

• I MPLANTATION SOUS M ATLAB / SIMULINK
• V ALIDATION
• Conditions de validation
• Comparaison avec le modèle statique
• Transitoire à l'instant du défaut
• E XPLOITATION DU MODELE
• Conditions des simulations
• Couple résistant faible
• Etude de l'effet de la saturation du courant de consigne
• Conclusion sur les simulations
• C ONCLUSION SUR LE MODELE DYNAMIQUE

Avant d'utiliser le modèle de moteur en court-circuit de phase entraînée, il doit être validé. Ces courants sont donnés sur les figures IV-15 pour les cas nominaux et 1 ou 8 tours en court-circuit. Figures IV-18 Courants de phase au nominal (à gauche) et à 8 tours en court-circuit (à droite) ; couple résistant de 3 Nm.

Figure IV-19 Réponse en vitesse (à gauche) et en couple (à droite) avec 8 tours en court-circuit et un couple résistant de 3 Nm sans saturation de courant. Figure IV-21 Courant de court-circuit avec huit mauvais tours et un couple résistant de 3 Nm avec saturation de courant (à gauche) et sans (à droite).

ETUDE DES COURTS-CIRCUITS INTERNES DANS LES BOBINAGES MULTIFILAIRES

I NTRODUCTION

La figure A-1 montre le résultat sur le courant de court-circuit lorsque les phases ne sont pas alimentées. Figure A-6 Champ inversé dans l'aimant passant en face de la dent défectueuse avec 6 tours en court-circuit. Le rotor tourne et provoque donc des variations de flux dans les spires en court-circuit.

Le premier élément comparé est le courant de court-circuit circulant dans les spires de la figure D-2 pour les deux machines. Cette annexe a pour objectif de décrire en détail le calcul des formules de courants de court-circuit dans les fils de la main utilisées dans le cinquième chapitre.

M ODELISATION ANALYTIQUE

• Hypothèses
• Représentation du bobinage
• Cas étudiés
• Simplification du modèle
• Calcul des courants
• Calcul du couple moyen de freinage

C AS PARTICULIERS

• Introduction
• Court-circuit sur un même fil
• Bobinage deux fils en main
• Bobinage mono brin

Il est possible d'étudier le cas d'un court-circuit dans un bobinage constitué d'un seul fil. Figure V-19 Amplitude du courant i1 pour un court-circuit entre deux fils différents à 500 tr/min (à gauche) et 1 000 tr/min (à droite). Figures V-20 Amplitude du courant i2 pour un court-circuit entre deux fils différents à 500 tr/min (à gauche) et 1000 tr/min (à droite).

Figures V-21 Couple d'interférence moyen en cas de court-circuit entre deux fils différents à 500 tr/min (à gauche) et 1000 tr/min (à droite). Les détails des interrelations entre les enroulements en court-circuit et la phase A, puis les phases B et C, sont donnés en (20) et (21).

V ALIDATION PAR ELEMENTS FINIS

• Introduction
• Modélisation
• Comparaison des simulations

E XPLOITATION

• Introduction
• Amplitude du courant de court-circuit
• Couple
• Densités de courant dans les fils

Figures IV-13 Réponses en vitesse à la valeur nominale (à gauche) et à l'erreur (à droite) ; couple résistant 2 Nm Figures IV-16 Réponse en vitesse à la valeur nominale (à gauche) et à l'erreur (à droite) ; couple résistant 3 Nm Figures IV-17 Réponse en couple à la valeur nominale (à gauche) et à l'erreur (à droite) ; couple de résistance 3 Nm.

Figure IV-22 Réponse en vitesse au nominal (à gauche) et avec 8 tours en défaut (à droite) pour un couple résistant de 4 Nm. Figure IV-23 Réponse en couple au nominal (à gauche) et avec 8 tours défectueux (à droite) pour un couple résistant de 4 Nm.

C ONCLUSION

Figures V-10 Schémas des circuits électriques utilisés pour les simulations de court-circuit sur le bobinage d'une dent en fin de bobinage (à gauche) ou au milieu (à droite). Cependant, la valeur maximale reste inchangée et se produit toujours en cas de court-circuit dans un tour. Les figures D-6 montrent donc le courant de court-circuit pour 1 enroulement et une bobine entière en court-circuit.

SIMULATIONS ELEMENTS FINIS - RESULTATS COMPLEMENTAIRES

I NTRODUCTION

Le courant traversant la dent défectueuse et donc vu par les spires en court-circuit est donné à la Figure A-4 pour le cas sans charge et à la Figure A-5 pour le cas chargé. Ils permettent de valider les cas avec les phases non alimentées en linéaire et non linéaire, en nominal et après un court-circuit interne. Figure D-4 Champ dans un aimant passant devant la dent de référence après un court-circuit et des phases hors tension ; cas linéaire.

Les figures D-8 montrent donc l'équation d'un tour ou d'un court-circuit complet pour chaque machine. Figures D-8 Champ dans un aimant passant par la dent de référence après un court-circuit sur 1 tour ou une bobine complète et phases non pilotées ; cas non linéaire.

C OURANT DANS LES SPIRES EN DEFAUT A VIDE

C OUPLE CREE AU ROTOR

F LUX DANS LES SPIRES EN COURT - CIRCUIT

C HAMP DANS LES AIMANTS

La réluctance ℜrot_de définit la partie du flux qui est générée par une source et s'éloigne de la source en face des dents. Sdent : Surface de la partie de la dent tournée vers le rotor lbec : Distance entre deux nez d'encoche. Concernant la réticence au flux passant avant la dent de référence, l'expression est dérivée du flux φ4 et du rapport (6) de la partie précédente.

Comme vous pouvez le voir sur la figure B-3 de la section précédente, le flux traversant le rotor lorsqu'il fait face à une dent éloignée est le même que le flux passant à travers la dent éloignée elle-même. La force électromotrice de la phase défectueuse est réduite en raison des courbures moins saines.

CALCUL DES RELUCTANCES POUR LES MODELES

I NTRODUCTION

Pour obtenir ces résistances, il faut prendre en compte l’ensemble du circuit de la machine. A partir du flux φ4 et de la source des ampères-tours, les ampères-tours aux extrémités de la résistance représentant les dents éloignées permettent de calculer l'expression (7) du flux φ3. Ces différences peuvent s’expliquer par les limites de la modélisation des courants de fuite dans le modèle analytique.

En effet, le débit de fuite dans les encoches n'est pris en compte qu'en ajustant la hauteur des nez d'encoches. Seules les inductances propres des dents de la phase considérée et les inductances mutuelles avec les dents adjacentes de la phase participent réellement au nominal (par rapport aux hypothèses faites).

R ELUCTANCE D ' ENTREFER ET DE BECS D ' ENCOCHE

R ELUCTANCE POUR LES FLUX AU STATOR

• Réluctance principale
• Réluctance sur une dent adjacente et réluctance sur une dent éloignée

R ELUCTANCE POUR LES FLUX AU ROTOR

PARAMETRES DES MODELES

MODELE ANALYTIQUE – VALIDATION PHASES NON ALIMENTEES

I NTRODUCTION

De petites différences apparaissent entre les deux méthodes de simulation, soit pour le courant de court-circuit, soit pour le couple, malgré la forte perméabilité du fer utilisé pour les simulations par éléments finis. Pour l'étude des défauts dans le cas non linéaire, les cas comparés correspondent aux extrêmes en terme de court-circuit dans une bobine, c'est à dire une spire ou la bobine entière en court-circuit. On considère une machine triphasée à Ndents de dents, avec Nbob tours enroulés par dent et un court-circuit sur Ncc tours d'une phase.

Cette inductance prend donc en compte la réciprocité entre les bobines d'une même phase et l'inductance spécifique de chaque bobine. La méthode pour l'obtenir et la définition des variables pour placer le court-circuit sont données dans le manuscrit en partie V.2.4.

C AS LINEAIRE

• En nominal
• En court-circuit

C AS NON LINEAIRE

• En nominal
• En court-circuit

CALCUL DES MUTUELLES POUR LE MODELE DYNAMIQUE

I NTRODUCTION

Ces inductances s'appliquent à la première machine étudiée, ainsi qu'à toutes les machines basées sur le même type de bobinage, c'est à dire enroulé sur des dents à 0,5 crans par moitié et par phase et avec le même changement de phase. L'inductance spécifique d'une phase permet de calculer la tension induite dans la phase par ses propres bobines lorsqu'elle est alimentée. Les interconnexions de phases sont partagées entre les bobines des dents adjacentes et celles des dents distantes comme indiqué dans la relation (14).

En additionnant les différentes expressions trouvées, les expressions des courants dans les fils en fonction de la force électromotrice E sont celles données en (41). Le résultat met donc l'accent sur des courants proportionnels à la force électromotrice vide dans la chose.

D ETAIL DES VARIABLES UTILISEES

C ALCUL DES INDUCTANCES ET DES MUTUELLES EN NOMINAL

• Inductance propre de phase L
• Mutuelles entre phase M
• Inductance cyclique L cycl

En raison de l'équilibre des courants, les courants provenant des dents distantes dans toutes les phases s'annulent. Cette inductance correspond à celle d'une phase qui a perdu Ncc tours sur une de ses bobines. Les répartitions des courants générés par chaque source Ampère/tour en éteignant toutes les autres sont donc calculées.

Avec la même méthode, pour le cas où la source du deuxième fil est allumée et les autres sont éteintes, le résultat est donné par et(37). Finalement, pour la source connectant tous les fils intacts, le résultat obtenu est celui de et(40).

C ALCUL DES INDUCTANCES ET DES MUTUELLES APRES APPARITION DU DEFAUT

• Inductance de la phase en faute L f
• Mutuelle entre les phases saines et la phase en faute M f
• Mutuelles entre les spires en court-circuit et les phases M cc→A et M cc→B/C

C ALCUL DE LA FORCE ELECTROMOTRICE DE LA PHASE EN DEFAUT

FORMULES DES COURANTS POUR LES FILS EN MAIN

I NTRODUCTION

R APPEL DU MODELE

F ORMULE DES COURANTS DE COURT - CIRCUIT