Modélisation multimachines par approche vectorielle
Machines polyphasées à plus de deux courants indépendants

Contexte « historique » et économique : le nombre de phases comme paramètre de conception

Historiquement, le transport de l’énergie électrique économiquement efficace a conduit à l’adoption des systèmes triphasés à courant alternatif sinusoïdal. Les bobinages des machines électriques à courant alternatif, directement connectées au réseau, se devaient alors d’être triphasés et optimisés pour des grandeurs alternatives à formes sinusoïdales. Pour les applications nécessitant des entraînements performants à vitesse et couple variables, l’électronique de puissance et le contrôle vectoriel numérique ont permis naturellement et progressivement (de 1970 à 2010) à ces mêmes machines triphasées à grandeurs alternatives sinusoïdales de s’imposer par rapport aux machines à courant continu.

Avec l’électrification massive des transports et dans un contexte de transition énergétique, les machines électriques doivent idéalement être moins gourmandes en matières premières et leurs procédés de fabrication moins complexes, notamment pour l’étape de réalisation du bobinage : se doter de plus de paramètres de conception est bienvenu. Or, pour une machine alimentée par un onduleur, un nombre de trois phases n’est absolument plus une nécessité. Augmenter le nombre de phases devient un paramètre de conception. Il apparaît alors judicieux de maîtriser non seulement la conception des bobinages pour ces machines à plus de trois phases, mais aussi le contrôle de leurs courants qui ne sont plus, dans le principe, assujettis à la forme sinusoïdale.

Contexte « fonctionnel » : tolérance à défaillance et même qualité du couple avec moins de contraintes

Les bobinages des machines électriques dont la fonction est la création d’un champ magnétique tournant au sein de l’entrefer à partir de courants alternatifs, constituent la pierre angulaire des machines électriques.

Avec deux courants indépendants et 3 fils à connecter, les machines triphasées classiques constituent la solution minimale pour atteindre cet objectif. La solution la plus simple pour garantir par contrôle vectoriel un couple sans pulsation réside alors dans l’alimentation par des courants sinusoïdaux d’un bobinage caractérisé par une fonction de bobinage elle-même sinusoïdale, mais dans l’espace.

Avec une machine triphasée, il y a donc contrainte tant lors de l’alimentation que lors de l’étape de conception. Avec l’augmentation du nombre de phases, la même qualité de couple pourra être obtenue par contrôle vectoriel avec plusieurs harmoniques présents temporellement et spatialement, le nombre autorisé d’harmoniques augmentant avec le nombre de phases. De ce fait, les contraintes diminuent tant lors de l’alimentation (courants non sinusoïdaux) que lors de la conception (fonction de bobinage non sinusoïdale). Les libertés apportées peuvent être utilisées pour simplifier le processus de fabrication du bobinage (bobinage concentrique dentaire ou « phases juxtaposées » par exemple) ou pour réaliser de nouvelles fonctionnalités comme le changement de polarité de la machine sans modification d’aucune connexion.

Enfin, avec un nombre de courants supérieur au minimum nécessaire pour la création d’un champ tournant, une fonctionnalité supplémentaire de tolérance à la défaillance « ouverture d’une phase » est obtenue.

L’article se positionne classiquement sur le cas où les machines polyphasées comportent plus de deux courants indépendants, critère souvent considéré afin de tolérer la perte d’une phase tout en conservant un champ tournant. Néanmoins, d’autres raisons intégrant une approche système telles que le coût de fabrication de l’entraînement (machine/onduleur), la densité de couple en régime transitoire, une plage de vitesse étendue, etc., peuvent à eux seuls justifier le choix de machines polyphasées. Ainsi, sera t-il mis en évidence que les harmoniques (de courants et de forces électromotrices) peuvent améliorer les performances globales sous condition d’une alimentation électrique adaptée et cela, avec moins de contraintes au niveau de la conception qu’une machine triphasée. Ce dernier élément est favorable à une écoconception et à une réduction des coûts de fabrication de la machine. De même, la possibilité de fonctionnement avec une phase en moins peut-être vue comme celle de réduire les marges de sécurité (et donc les coûts) dans le dimensionnement des composants de puissance actifs type transistor et passifs type condensateur.