FR3151722A1 - Method for controlling a hybrid motorization attenuating vibrations as a function of the stator phase voltages, motorization for implementing this method and aircraft equipped therewith - Google Patents
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Abstract
Procédé de commande d’une motorisation (M) comprenant une turbomachine (TM) couplée à une machine électrique (MEL), une unité électronique de commande (20) de la motorisation reliée à un convertisseur de puissance (12) pour piloter la machine électrique sélectivement en mode moteur et en mode générateur à partir d’un couple de référence filtré de manière auto-adaptative pour en exclure une plage de fréquences d’excitation d’au moins un mode de torsion de la motorisation en fonction de tensions statoriques de phase d’un alternateur à aimants permanents entraîné par la turbomachine. Motorisation correspondante et aéronef comportant une telle motorisation. FIGURE DE L’ABREGE : Fig. 2 Method for controlling a motorization (M) comprising a turbomachine (TM) coupled to an electric machine (MEL), an electronic control unit (20) of the motorization connected to a power converter (12) for controlling the electric machine selectively in motor mode and in generator mode from a reference torque filtered in a self-adaptive manner to exclude therefrom a range of excitation frequencies of at least one torsion mode of the motorization according to phase stator voltages of a permanent magnet alternator driven by the turbomachine. Corresponding motorization and aircraft comprising such a motorization. FIGURE OF THE ABSTRACT: Fig. 2
Description
La présente invention concerne le domaine des machines électriques et notamment celles utilisées dans les systèmes de motorisation hybride associant une machine électrique et une machine thermique.The present invention relates to the field of electrical machines and in particular those used in hybrid motorization systems combining an electric machine and a thermal machine.
ARRIERE PLAN DE L’INVENTIONBACKGROUND OF THE INVENTION
Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’avions mais aussi ceux en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.Climate change is a major concern for many legislative and regulatory bodies around the world. Indeed, various restrictions on carbon emissions have been, are being or will be adopted by various states. In particular, an ambitious standard applies both to new types of aircraft as well as those in circulation requiring the implementation of technological solutions in order to make them compliant with current regulations. Civil aviation has been mobilizing for several years now to make a contribution to the fight against climate change.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des conséquences environnementales modérées dans un but d’amélioration de l'efficacité énergétique des avions.Technological research efforts have already made it possible to significantly improve the environmental performance of aircraft. The Applicant takes into consideration the factors impacting all phases of design and development to obtain less energy-intensive, more environmentally friendly aeronautical components and products whose integration and use in civil aviation have moderate environmental consequences with the aim of improving the energy efficiency of aircraft.
Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son incidence climatique négative par l’emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux minimisant les émissions de gaz à effet de serre et plus généralement réduisant l'empreinte environnementale de son activité.Consequently, the Applicant is constantly working to reduce its negative climate impact by using methods and operating virtuous development and manufacturing processes that minimize greenhouse gas emissions and, more generally, reduce the environmental footprint of its activity.
Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’avions, l’allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, et le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion.This ongoing research and development work focuses on new generations of aircraft engines, the weight reduction of aircraft, particularly through the materials used and the lighter on-board equipment, and the development of the use of electrical technologies to provide propulsion.
Dans le cadre de ces travaux portant sur la motorisation des aéronefs, il a été proposé une motorisation hybride thermique/électrique.As part of this work on aircraft motorization, a hybrid thermal/electric motorization was proposed.
Cette motorisation hybride comprend :
- une turbomachine ayant une ligne d’arbres parcourant un étage haute pression et un étage basse pression,
- une machine électrique ayant un arbre relié à la ligne d’arbres de la turbomachine pour fonctionner soit comme moteur en fournissant un couple mécanique à la ligne d’arbres de la turbomachine soit en générateur en étant entraîné par la ligne d’arbres de la turbomachine,
- un onduleur de pilotage de la machine électrique dans les deux modes de fonctionnement précités, l’onduleur étant commandé par une unité électronique de commande de la motorisation,
- un circuit d’alimentation continue par exemple à batteries, relié à l’onduleur et agencé pour être réversible de manière à sélectivement alimenter la machine électrique lorsque la machine électrique fonctionne en moteur ou recevoir l’énergie électrique fournie par la machine électrique lorsque la machine électrique fonctionne en générateur.
- a turbomachine having a line of shafts running through a high pressure stage and a low pressure stage,
- an electric machine having a shaft connected to the turbomachine shaft line to operate either as a motor by providing mechanical torque to the turbomachine shaft line or as a generator by being driven by the turbomachine shaft line,
- an inverter for controlling the electric machine in the two aforementioned operating modes, the inverter being controlled by an electronic motor control unit,
- a continuous power supply circuit, for example with batteries, connected to the inverter and arranged to be reversible so as to selectively supply the electric machine when the electric machine operates as a motor or receive the electrical energy supplied by the electric machine when the electric machine operates as a generator.
Le système électrique comprenant la machine électrique, l’onduleur et le circuit d’alimentation doit être dimensionné pour fournir la puissance électrique nécessaire pour injecter de la puissance à la turbomachine notamment pour assister le démarrage de la turbomachine et limiter la consommation de carburant de celle-ci lors de certaines phases de vol, et garantir une puissance suffisante d’alimentation des équipements électriques de l’aéronef lorsque la machine électrique fonctionne en générateur.The electrical system comprising the electrical machine, the inverter and the power supply circuit must be sized to provide the electrical power necessary to inject power into the turbomachine, in particular to assist in starting the turbomachine and limit its fuel consumption during certain phases of flight, and to guarantee sufficient power to supply the aircraft's electrical equipment when the electrical machine is operating as a generator.
Le système électrique doit également être fiable, robuste et agencé pour ne pas perturber le fonctionnement de la turbomachine.The electrical system must also be reliable, robust and designed so as not to disrupt the operation of the turbomachine.
La Déposante a constaté que la machine électrique, et notamment le couple électromagnétique généré par la machine électrique, peut comprendre une composante dynamique (oscillation autour du couple continu) susceptible de générer une excitation de certains modes de torsion de la chaîne cinématique de la motorisation. Cette excitation se traduit par une oscillation de couple qui, selon sa fréquence, peut exciter les modes vibratoires de torsion des arbres de la motorisation. L’excitation de ces modes de torsion occasionne sur les arbres de la motorisation un accroissement élevé des niveaux vibratoires (cet accroissement est couramment appelé surtension), des déphasages, ainsi que des phénomènes d’amortissement à basse fréquence comme à haute fréquence. Il peut en résulter une fatigue vibratoire de la chaîne cinématique pouvant conduire, dans le pire des cas, à une rupture de la chaîne cinématique. Une telle rupture peut être catastrophique si elle concerne la turbomachine.The Applicant has noted that the electric machine, and in particular the electromagnetic torque generated by the electric machine, may include a dynamic component (oscillation around the continuous torque) capable of generating an excitation of certain torsion modes of the drive train of the motorization. This excitation results in a torque oscillation which, depending on its frequency, may excite the torsional vibration modes of the drive shafts. The excitation of these torsion modes causes a high increase in vibration levels on the drive shafts (this increase is commonly called overvoltage), phase shifts, as well as damping phenomena at low and high frequencies. This may result in vibration fatigue of the drive train which may lead, in the worst case, to a break in the drive train. Such a break may be catastrophic if it concerns the turbomachine.
OBJET DE L’INVENTIONSUBJECT OF THE INVENTION
L’invention a notamment pour but d’améliorer ces systèmes électriques notamment en ce qui concerne la maîtrise des phénomènes vibratoires qu’ils peuvent engendrer.The invention aims in particular to improve these electrical systems, particularly with regard to the control of the vibration phenomena which they can generate.
A cet effet, on prévoit, selon l’invention un procédé de commande d’une motorisation comprenant une turbomachine, une machine électrique couplée à un premier arbre de la turbomachine, une unité électronique de commande de la motorisation, un convertisseur de puissance de pilotage de la machine électrique sélectivement en mode moteur et en mode générateur à partir d’un couple de référence fourni par l’unité électronique de commande, un circuit d’alimentation réversible relié au convertisseur de puissance, pour sélectivement alimenter la machine électrique en mode moteur ou être alimenté par la machine électrique en mode générateur, et un alternateur à aimants permanents entraîné par la turbomachine. Le procédé comprend les étapes de :
- identifier des plages de fréquences d’excitation d’au moins un mode de torsion de la turbomachine par la machine électrique en fonction de tensions statoriques de phase de l’alternateur à aimants permanents ;
- et, en fonctionnement de la motorisation, déterminer des tensions statoriques de phase de l’alternateur à aimants permanents, et filtrer le couple de référence au niveau de l’unité électronique de commande, en appliquant un filtre dont une plage de fréquences de coupure est ajustée pour exclure au moins une plage de fréquences d’excitation correspondant aux tensions statoriques de phase déterminées.
- identifying excitation frequency ranges of at least one torsion mode of the turbomachine by the electric machine as a function of phase stator voltages of the permanent magnet alternator;
- and, in operation of the motorization, determining phase stator voltages of the permanent magnet alternator, and filtering the reference torque at the electronic control unit, by applying a filter whose cut-off frequency range is adjusted to exclude at least one excitation frequency range corresponding to the determined phase stator voltages.
Ainsi, le filtrage du couple de référence (comme une consigne ou une commande de couple) permet d’éviter les fréquences d’excitation de tout ou partie des modes de torsion. Comme il ressort que la plage de fréquences d’excitation des modes de torsion n’est pas constante et dépend notamment de la charge provoquée sur la motorisation par les équipements auxquels elle est reliée (voir la
Un avantage de l’analyse des tensions statoriques de phase pour l’adaptation de la fréquence de coupure du filtre est de permettre l’identification du mode ou des modes de torsion mécaniques indépendamment du fait que la machine électrique fonctionne en mode moteur ou en mode générateur.An advantage of analyzing stator phase voltages for filter cutoff frequency adaptation is to allow identification of the mechanical torsion mode or modes regardless of whether the electrical machine is operating in motor or generator mode.
Un autre avantage de cette solution est d’être facilement utilisable pour tout type de machine électrique comportant un alternateur à aimants permanents.Another advantage of this solution is that it can be easily used for any type of electrical machine with a permanent magnet alternator.
De préférence, la détermination des tensions statoriques de phase comprend une analyse spectrale de tensions statoriques mesurées.Preferably, the determination of the phase stator voltages comprises a spectral analysis of measured stator voltages.
L’invention concerne également une motorisation comprenant une turbomachine, une machine électrique couplée à la turbomachine, une unité électronique de commande de la motorisation reliée à un convertisseur de puissance pilotant la machine électrique sélectivement en mode moteur et en mode générateur à partir d’un couple de référence, un circuit d’alimentation réversible relié au convertisseur de puissance pour sélectivement alimenter la machine électrique en mode moteur ou être alimenté par la machine électrique en mode générateur, et un alternateur à aimants permanents entraîné par la turbomachine. L’unité électronique de commande comprend un organe de détermination des tensions statoriques de phase de l’alternateur à aimants permanents entraîné par la turbomachine et un organe de filtrage auto-adaptatif du couple de référence, l’organe de filtrage auto-adaptatif ayant une plage de fréquences de coupure déterminée, en fonction des tensions statoriques de phase déterminées, pour correspondre à une plage de fréquences d’excitation d’au moins un mode de torsion du premier arbre.The invention also relates to a motorization comprising a turbomachine, an electric machine coupled to the turbomachine, an electronic control unit of the motorization connected to a power converter controlling the electric machine selectively in motor mode and in generator mode from a reference torque, a reversible power supply circuit connected to the power converter to selectively power the electric machine in motor mode or to be powered by the electric machine in generator mode, and a permanent magnet alternator driven by the turbomachine. The electronic control unit comprises a member for determining the phase stator voltages of the permanent magnet alternator driven by the turbomachine and a self-adaptive filtering member of the reference torque, the self-adaptive filtering member having a determined cut-off frequency range, as a function of the determined phase stator voltages, to correspond to a range of excitation frequencies of at least one torsion mode of the first shaft.
Selon des caractéristiques optionnelles, utilisées individuellement ou tout ou partie en combinaison :
- l’unité électronique de commande comprend une table mettant en relation des plages de fréquences de coupure de l’organe de filtrage auto-adaptatif et des tensions statoriques de phase, chaque plage de fréquences de coupure de l’organe de filtrage auto-adaptatif étant sensiblement égale à la plage de fréquence d’excitation d’au moins un mode de torsion de la turbomachine pour les tensions statoriques de phase correspondantes.
- l’unité électronique de commande est reliée à un dispositif d’acquisition d’une vitesse de la turbomachine et à un dispositif de mesure des tensions statoriques de phase de l’alternateur à aimants permanents.
- l’unité électronique de commande est agencée pour mettre en œuvre une stratégie d’hybridation par laquelle elle détermine à chaque instant :
- si la machine électrique doit fonctionner en générateur ou en moteur ;
- une première puissance mécanique que la machine électrique doit prélever sur la turbomachine lorsqu’elle fonctionne en générateur, et une deuxième puissance mécanique que la machine électrique doit fournir à la turbomachine lorsqu’elle fonctionne en moteur ;
- le couple de référence qui correspond à la puissance mécanique ainsi déterminée et qui est transmis à l’organe de filtrage.
- le couple de référence filtré est transmis à une boucle de courant pilotant le convertisseur de puissance et, de préférence, la boucle de courant comprend un dispositif de modulation de largeur d’impulsion à vecteur spatial.
- la turbomachine a deux premiers arbres appartenant pour l’un à un étage haute pression et pour l’autre à un étage basse pression de la turbomachine et la motorisation comprend deux machines électriques, à savoir une première dont le deuxième arbre est couplé au premier arbre de l’étage haute pression et une deuxième dont le deuxième arbre est couplé au premier arbre de l’étage basse pression.
- the electronic control unit comprises a table relating cut-off frequency ranges of the self-adaptive filtering member and phase stator voltages, each cut-off frequency range of the self-adaptive filtering member being substantially equal to the excitation frequency range of at least one torsion mode of the turbomachine for the corresponding phase stator voltages.
- the electronic control unit is connected to a device for acquiring a speed of the turbomachine and to a device for measuring the stator phase voltages of the permanent magnet alternator.
- the electronic control unit is designed to implement a hybridization strategy by which it determines at each moment:
- whether the electric machine is to operate as a generator or a motor;
- a first mechanical power that the electric machine must draw from the turbomachine when it operates as a generator, and a second mechanical power that the electric machine must supply to the turbomachine when it operates as a motor;
- the reference torque which corresponds to the mechanical power thus determined and which is transmitted to the filtering organ.
- the filtered reference torque is transmitted to a current loop driving the power converter and, preferably, the current loop comprises a space vector pulse width modulation device.
- the turbomachine has two first shafts, one belonging to a high pressure stage and the other to a low pressure stage of the turbomachine and the motorization comprises two electric machines, namely a first one whose second shaft is coupled to the first shaft of the high pressure stage and a second one whose second shaft is coupled to the first shaft of the low pressure stage.
L’invention concerne enfin un véhicule et plus particulièrement un aéronef pourvu d’une telle motorisation.The invention finally relates to a vehicle and more particularly an aircraft provided with such a motorization.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers et non limitatifs de l’invention.Other characteristics and advantages of the invention will emerge from reading the following description of particular and non-limiting embodiments of the invention.
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :Reference will be made to the attached drawings, including:
[Fig. 3 la figure 3 est une vue schématique plus détaillée de cette motorisation ;[Fig. 3 Figure 3 is a more detailed schematic view of this motorization;
En référence aux figures 1 et 2, l’invention est décrite en application à une motorisation hybride M d’un aéronef A. La motorisation hybride M comprend ici une turbomachine TM et une machine électrique MEL.With reference to figures 1 and 2, the invention is described in application to a hybrid engine M of an aircraft A. The hybrid engine M here comprises a turbomachine TM and an electric machine MEL.
La turbomachine TM - ici plus particulièrement un turboréacteur, un turbopropulseur ou un turbomoteur - est connue en elle-même et ne sera que grossièrement décrite ici. La turbomachine TM comprend un étage haute-pression HP et un étage basse pression BP. L’étage haute-pression HP comprend un arbre couplé via un ensemble d’engrenages (non représenté) à un arbre de l’étage basse-pression BP en formant une chaîne cinématique comportant une ligne d’arbres L.The TM turbomachine - here more particularly a turbojet, a turboprop or a turboshaft engine - is known in itself and will only be roughly described here. The TM turbomachine comprises a high-pressure stage HP and a low-pressure stage LP. The high-pressure stage HP comprises a shaft coupled via a set of gears (not shown) to a shaft of the low-pressure stage LP forming a kinematic chain comprising a line of shafts L.
La machine électrique MEL comprend un moteur électrique 10 ayant un arbre de sortie 11 couplé via un ensemble d’engrenages G à l’un et/ou l’autre des arbres de la turbomachine TM. Le moteur électrique 10 est ici un moteur à aimants permanents.The MEL electric machine comprises an electric motor 10 having an output shaft 11 coupled via a set of gears G to one and/or the other of the shafts of the turbomachine TM. The electric motor 10 is here a permanent magnet motor.
Le moteur électrique 10 a des enroulements électromagnétiques reliés à une électronique de puissance comportant un convertisseur de puissance continu/alternatif comme ici un onduleur 12 agencé pour faire fonctionner le moteur électrique 10 soit en mode moteur soit en mode générateur. L’onduleur 12 est lui-même relié à un circuit d’alimentation 13 qui est relié au circuit électrique E de l’aéronef A comprenant des batteries et est agencé pour être réversible de manière à sélectivement alimenter le moteur électrique 10 depuis les batteries pour entraîner en rotation l’arbre de sortie 11 lorsque le moteur électrique 10 de la machine électrique MEL est en mode moteur ou pour être alimenté par la machine électrique MEL lorsque le moteur électrique 10 de la machine électrique MEL est en mode générateur afin notamment de recharger les batteries et/ou d’alimenter directement des équipements électriques reliés au circuit électrique E de l’aéronef A. La machine électrique MEL, et en particulier le moteur électrique 10, l’onduleur 12 et le circuit d’alimentation 13 sont connus en eux-mêmes.The electric motor 10 has electromagnetic windings connected to power electronics comprising a DC/AC power converter such as here an inverter 12 arranged to operate the electric motor 10 either in motor mode or in generator mode. The inverter 12 is itself connected to a power supply circuit 13 which is connected to the electrical circuit E of the aircraft A comprising batteries and is arranged to be reversible so as to selectively power the electric motor 10 from the batteries to rotate the output shaft 11 when the electric motor 10 of the electric machine MEL is in motor mode or to be powered by the electric machine MEL when the electric motor 10 of the electric machine MEL is in generator mode in order in particular to recharge the batteries and/or to directly power electrical equipment connected to the electrical circuit E of the aircraft A. The electric machine MEL, and in particular the electric motor 10, the inverter 12 and the power supply circuit 13 are known per se.
La motorisation M comprend une unité de commande 20 agencée pour commander la turbomachine TM et la machine électrique MEL. L’unité de commande 20 est une unité électronique (de type circuit intégré, FPGA, ASIC, microcontrôleurs…) comprenant par exemple un ou plusieurs processeurs et une ou plusieurs mémoires contenant un ou plusieurs programmes informatiques permettant de commander la motorisation M. L’unité de commande 20 comprend ici un module de commande 21 de la turbomachine TM et un module de commande 22 de la machine électrique MEL et met en œuvre une logique d’hybridation symbolisée en 23. Le module de commande 21 de la turbomachine TM est de type FADEC ou EEC connu en lui-même. Le module de commande 22 de la machine électrique MEL comprend une boucle de courant pilotant l’onduleur 12 en fonction :
- d’une consigne de courant Iq* fournie par la logique d’hybridation 23,
- de valeurs de courant (ia, ib, ic) des phases du moteur électrique 10 fournies par un dispositif d’acquisition de courants 24, ici à effet Hall, relié à l’unité de commande 20,
- d’une position angulaire θméca et d’une vitesse angulaire Ωméca de l’arbre de sortie 11 du moteur électrique 10 fournies par un résolveur 25 relié à l’unité de commande 20. Les données angulaires Ωméca et θméca sont issues classiquement du traitement des signaux du résolveur 25.
- of a current instruction Iq* provided by the hybridization logic 23,
- of current values (ia, ib, ic) of the phases of the electric motor 10 provided by a current acquisition device 24, here with Hall effect, connected to the control unit 20,
- of an angular position θmeca and an angular speed Ωmeca of the output shaft 11 of the electric motor 10 provided by a resolver 25 connected to the control unit 20. The angular data Ωmeca and θmeca are conventionally derived from the processing of the signals from the resolver 25.
Le pilotage de la machine électrique MEL est réalisé dans le module de commande 22 en utilisant :
- les courants iα et iβ qui sont les courants d’axe α et β issus de la transformée de Clarke recevant en entrée les courants de phase ia, ib, ic ;
- les courants id et iq qui sont les courants d’axe d et q issus de la transformée de Park recevant en entrée les courants iα et iβ ;
- les consignes de courant Id* et Iq* qui sont les consignes de courant d’axes d et q.
- the currents iα and iβ which are the α and β axis currents resulting from the Clarke transform receiving as input the phase currents ia, ib, ic;
- the currents id and iq which are the d and q axis currents from the Park transform receiving as input the currents iα and iβ;
- the current instructions Id* and Iq* which are the current instructions of axes d and q.
Classiquement, la boucle de courant du module de commande 22 fait également intervenir :
- les tensions Vd** et Vq** qui sont les tensions de référence d’axes d et q issues des correcteurs PI recevant en entrée respectivement les signaux Id*-id et Iq*-iq ;
- les tensions Vd* et Vq* qui sont les tensions de référence d’axes d et q issues du découplage des tensions Vd** et Vq** en fonction des courants iq et id et de la vitesse angulaire Ωméca ;
- les tensions Vα* et Vβ* qui sont les tensions de référence d’axes α et β issues de la transformée inverse de Park recevant en entrée les tensions Vd* et Vq*.
- the voltages Vd** and Vq** which are the d and q axis reference voltages from the PI correctors receiving the Id*-id and Iq*-iq signals as input respectively;
- the voltages Vd* and Vq* which are the d and q axis reference voltages resulting from the decoupling of the voltages Vd** and Vq** as a function of the currents iq and id and the angular speed Ωmeca;
- the voltages Vα* and Vβ* which are the reference voltages of axes α and β resulting from the inverse Park transform receiving as input the voltages Vd* and Vq*.
Les transformées de Park sont réalisées en utilisant également θélec qui est la position angulaire électrique du moteur électrique 10 et qui est égale à la position angulaire θméca multipliée par le nombre de paires de pôles du moteur électrique 10 (bloc noté θcorrection sur la
Les tensions Vα* et Vβ* alimentent un dispositif de modulation de largeur d’impulsion à vecteur spatial SVM fournissant des rapports cycliques Duty 1, Duty 2, Duty 3 de pilotage de l’onduleur 12.The voltages Vα* and Vβ* supply a space vector pulse width modulation device SVM providing duty cycle ratios Duty 1, Duty 2, Duty 3 for controlling the inverter 12.
Une tension de référence Vdc fournie par le circuit d’alimentation 13 alimente les correcteurs PI, le dispositif de modulation de largeur d’impulsion à vecteur spatial SVM et l’onduleur 12.A reference voltage Vdc provided by the power supply circuit 13 supplies the PI correctors, the space vector pulse width modulation device SVM and the inverter 12.
La logique d’hybridation 23 est agencée pour mettre en œuvre une stratégie d’hybridation (bloc 231) par laquelle elle détermine à chaque instant, en fonction des ordres du pilote de l’aéronef, de la phase de vol et des signaux lui provenant des capteurs de l’aéronef :
- si la machine électrique MEL doit fonctionner en générateur ou en moteur ;
- la puissance mécanique que la machine électrique MEL doit prélever sur la turbomachine PM lorsqu’elle fonctionne en générateur et la puissance mécanique que la machine électrique MEL doit fournir à la turbomachine PM lorsqu’elle fonctionne en moteur ;
- une consigne de couple ou couple de référence C*_avant correspondant à la puissance mécanique déterminée à l’étape précédente.
- whether the MEL electric machine is to operate as a generator or a motor;
- the mechanical power that the MEL electric machine must draw from the PM turbomachine when it operates as a generator and the mechanical power that the MEL electric machine must supply to the PM turbomachine when it operates as a motor;
- a torque instruction or reference torque C*_avant corresponding to the mechanical power determined in the previous step.
La logique d’hybridation 23 reçoit en entrée des tensions statoriques de phase issues d’un alternateur à aimants permanents 26 entraîné par la turbomachine et positionné au niveau de l’ensemble d’engrenages G.The hybridization logic 23 receives as input phase stator voltages from a permanent magnet alternator 26 driven by the turbomachine and positioned at the level of the gear assembly G.
La logique d’hybridation 23 est agencée d’une part pour effectuer une analyse fréquentielle des tensions statoriques de phase et d’autre part pour mettre en œuvre une boucle à verrouillage de phase (bloc 232a). L’analyse spectrale permet de déterminer la répartition des fréquences et de l’amplitude des tensions statoriques de phase (bloc 232b) et la boucle de verrouillage de phase permet de déterminer la fréquence du réseau électrique et la vitesse angulaire Ω de la turbomachine TM en tenant compte du rapport de démultiplication de l’ensemble d’engrenage G. Les amplitudes et les fréquences des tensions statoriques de phase et la vitesse angulaire Ω sont ensuite utilisées pour déterminer une plage de fréquences de coupure fc correspondant à des fréquences d’excitation de modes de torsion de la ligne d’arbre L (bloc 233).The hybridization logic 23 is arranged on the one hand to perform a frequency analysis of the phase stator voltages and on the other hand to implement a phase-locked loop (block 232a). The spectral analysis makes it possible to determine the distribution of the frequencies and the amplitude of the phase stator voltages (block 232b) and the phase-locked loop makes it possible to determine the frequency of the electrical network and the angular speed Ω of the turbomachine TM by taking into account the gear ratio of the gear assembly G. The amplitudes and frequencies of the phase stator voltages and the angular speed Ω are then used to determine a range of cut-off frequencies fc corresponding to excitation frequencies of torsional modes of the shaft line L (block 233).
La détermination de la plage de fréquences de coupure en fonction des tensions statoriques de phase est par exemple obtenue en utilisant un tableau à deux dimensions (type Look-up-Table) qui met en relation les fréquences de coupure avec des valeurs des tensions statoriques de phase en fonction du régime de rotation de la turbomachineTM (plus précisément du régime de rotation de l’arbre, HP ou BP, auquel est couplé l’arbre de sortie 11 du moteur électrique 10). Un tel tableau est par exemple obtenu en déterminant les fréquences d’excitation des modes de torsion de la chaîne cinématique de la motorisation en fonction des tensions statoriques de phase, soit par simulation, soit par l’expérience à partir d’essais d’une machine électrique MEL couplée à une machine de charge régulée en vitesse pour simuler la turbomachine TM sur toute la plage de régimes et de couples. Ces essais visent à rechercher les fréquences qui amplifient les oscillations de couple sur la chaîne cinématique de la motorisation M.The determination of the cut-off frequency range as a function of the phase stator voltages is for example obtained by using a two-dimensional table (Look-up-Table type) which relates the cut-off frequencies to values of the phase stator voltages as a function of the rotation speed of the turbomachineTM (more precisely of the rotation speed of the shaft, HP or BP, to which the output shaft 11 of the electric motor 10 is coupled). Such a table is for example obtained by determining the excitation frequencies of the torsion modes of the drive train of the motorization as a function of the phase stator voltages, either by simulation or by experiment from tests of an electric machine MEL coupled to a speed-regulated load machine to simulate the turbomachine TM over the entire range of speeds and torques. These tests aim to search for the frequencies which amplify the torque oscillations on the drive train of the motorization M.
On s’intéresse en particulier aux harmoniques produites par la machine électrique MEL et dont les fréquences sont proches des modes de torsion de la turbomachine TM. Certaines harmoniques, en particulier celles de rang faible, ont en effet plus d’énergie que d’autres et, si elles ont des fréquences proches des modes de torsion, peuvent engendrer des surtensions (en effet, plus l’ordre de l’harmonique est élevé et plus les niveaux énergétiques de ces dernières sont faibles). De plus, les modes à basses fréquence engendrent des déplacements vibratoires élevés. Les harmoniques susceptibles de générer de fortes surtensions sont notamment :
- l’harmonique 1 produite par un balourd mécanique ;
- l’harmonique 2 produite par un défaut de coaxialité entre le rotor et le stator ;
- l’harmonique dont le rang correspond au produit du nombre de pôles et du nombre de phases du moteur électrique 11 et produite par une oscillation de couple ;
- l’harmonique dont le rang correspond au produit du nombre de dents et du nombre d’encoches et produite par des efforts de denture statorique.
- harmonic 1 produced by a mechanical imbalance;
- harmonic 2 produced by a coaxiality defect between the rotor and the stator;
- the harmonic whose rank corresponds to the product of the number of poles and the number of phases of the electric motor 11 and produced by a torque oscillation;
- the harmonic whose rank corresponds to the product of the number of teeth and the number of notches and produced by stator toothing forces.
On utilise par exemple un diagramme de Campbell de la turbomachine TM pour déterminer les fréquences propres des composants de la turbomachine TM en fonction du régime de rotation. Sur un tel diagramme, on trace des droites obliques qui sont les fréquences propres des différents composants de la motorisation, des droites horizontales correspondant aux fréquences des modes de torsion et des lignes verticales correspondant au régime minimum de la turbomachine TM et au régime maximum de la turbomachine TM. Les zones à risques correspondent à l’intersection des droites de fréquences propres avec les lignes des fréquences des modes de torsion obtenues par une analyse fréquentielle par un diagramme de Bode pour identifier la ou les fréquences les plus à risque. Sur la
Trois composantes d’excitation sont ici de préférence prises en compte :
- une composante naturelle d’oscillation de couple qui est due à la saillance des pôles du moteur électrique 10 et qui apparaît indépendamment du fonctionnement de l’électronique de puissance ;
- une composante liée au pilotage du moteur électrique 11 qui engendre une oscillation de couple via l’harmonique 6 ;
- une composante liée aux temps morts de l’onduleur qui engendre également une oscillation de couple via l’harmonique 6.
- a natural component of torque oscillation which is due to the salience of the poles of the electric motor 10 and which appears independently of the operation of the power electronics;
- a component linked to the control of the electric motor 11 which generates a torque oscillation via harmonic 6;
- a component linked to the inverter dead times which also generates a torque oscillation via harmonic 6.
La logique d’hybridation 23 comprend également un filtre auto-adaptatif 234, de type coupe-bande, recevant en entrée la consigne de couple C*_avant et fournissant en sortie une consigne de couple filtrée C*_après. Le filtre auto-adaptatif 234 a une fréquence de coupure, ou plutôt une plage de fréquences de coupure fc, qui est réglée en fonction des tensions statoriques de phase pour filtrer la consigne de couple C*_avant de manière à exclure les plages de fréquences d’excitation fc des modes de torsion.The hybridization logic 23 also comprises a self-adaptive filter 234, of the band-stop type, receiving as input the torque setpoint C*_before and providing as output a filtered torque setpoint C*_after. The self-adaptive filter 234 has a cut-off frequency, or rather a range of cut-off frequencies fc, which is adjusted according to the phase stator voltages to filter the torque setpoint C*_before so as to exclude the excitation frequency ranges fc of the torsion modes.
La consigne de couple filtrée C*_après est ensuite transformée en consigne de courant (bloc 235) pour former la consigne de courant Iq* utilisée en entrée de la boucle de courant du module de commande 22.The filtered torque setpoint C*_after is then transformed into a current setpoint (block 235) to form the current setpoint Iq* used at the input of the current loop of the control module 22.
Dans le cadre de l’invention, ces mesures sont utilisées pour déterminer en temps réel et pendant le fonctionnement de la motorisation M, des tensions statoriques de phase de l’alternateur à aimants permanents 26. La fréquence et l’amplitude des tensions statoriques de phase servent d’entrées dans le tableau du bloc 233 et la sortie du bloc 233 est la fréquence de coupure du filtre 234 qui est donc elle aussi fournie en temps réel.In the context of the invention, these measurements are used to determine in real time and during operation of the motorization M, the phase stator voltages of the permanent magnet alternator 26. The frequency and the amplitude of the phase stator voltages serve as inputs in the table of the block 233 and the output of the block 233 is the cut-off frequency of the filter 234 which is therefore also provided in real time.
Le filtre 234 a plus précisément la forme FT suivante :The 234 filter has more precisely the following FT form:
-
-
- s est la variable de Laplace.
-
-
- s is the Laplace variable.
Le filtre définit ainsi une plage de fréquences qui doit être atténuée entre deux limites (deux fréquences de coupure donné par la largeur de la bande K autour de la fréquence de coupure centrale).The filter thus defines a frequency range which must be attenuated between two limits (two cut-off frequencies given by the width of the K band around the central cut-off frequency).
On comprend que les paramètres du filtre 234 (fréquence de coupure et largeur de bande) sont mis à jour en temps réel en fonction des tensions statoriques de phase déterminées à chaque instant selon une périodicité donnée.It is understood that the parameters of filter 234 (cutoff frequency and bandwidth) are updated in real time according to the phase stator voltages determined at each instant according to a given periodicity.
Le procédé de l’invention comprend ainsi une étape préalable d’identification des plages de fréquences d’excitation d’au moins un mode de torsion de la ligne d’arbres de la motorisation M et des étapes réalisées par l’unité de commande 20 lors du fonctionnement de la motorisation M, à savoir : déterminer des tensions statoriques de phase et filtrer la consigne de couple pour exclure la plage de fréquences d’excitation correspondant aux tensions statoriques de phase déterminées.The method of the invention thus comprises a prior step of identifying the excitation frequency ranges of at least one torsion mode of the shaft line of the motorization M and steps carried out by the control unit 20 during operation of the motorization M, namely: determining phase stator voltages and filtering the torque setpoint to exclude the excitation frequency range corresponding to the determined phase stator voltages.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications.Of course, the invention is not limited to the embodiment described but encompasses any variant falling within the scope of the invention as defined by the claims.
En particulier, la motorisation peut avoir une structure différente de celle décrite.In particular, the motorization may have a different structure than that described.
La motorisation peut comprendre :
- une unique machine électrique MEL BP, couplée à l’arbre BP de l’étage basse pression BP de la turbomachine, ou
- une unique machine électrique MEL HP, couplée à l’arbre HP de l’étage haute pression HP de la turbomachine, ou
- une machine électrique MEL BP couplée à l’arbre BP de l’étage basse pression BP de la turbomachine et une machine électrique MEL HP couplée à l’arbre HP de l’étage haute pression HP de la turbomachine comme dans le deuxième mode de réalisation de la
- a single MEL BP electric machine, coupled to the BP shaft of the low pressure BP stage of the turbomachine, or
- a single MEL HP electric machine, coupled to the HP shaft of the HP high pressure stage of the turbomachine, or
- an MEL BP electric machine coupled to the BP shaft of the low pressure BP stage of the turbomachine and an MEL HP electric machine coupled to the HP shaft of the high pressure HP stage of the turbomachine as in the second embodiment of the
Le tableau peut être défini pour avoir des valeurs d’entrées d’intervalles constants (par exemple 5, 10, 15, 20) ou non (par exemple 3, 5, 7, 10, 15, 20, 25… si la fréquence d’excitation varie significativement entre 3 et 10). Le tableau peut être remplacé par une loi faisant correspondre tensions statoriques de phase et fréquences à éviter.The table can be defined to have constant interval input values (e.g. 5, 10, 15, 20) or not (e.g. 3, 5, 7, 10, 15, 20, 25… if the excitation frequency varies significantly between 3 and 10). The table can be replaced by a law matching phase stator voltages and frequencies to avoid.
La plage de fréquences de coupure de l’organe de filtrage en fonction des tensions statoriques de phase peut être déterminée pour éviter une excitation d’un ou plusieurs modes de torsion de la ligne d’arbres en fonction de l’impact de ces modes de torsions sur la fiabilité de la motorisation M.The cut-off frequency range of the filtering device as a function of the phase stator voltages can be determined to avoid excitation of one or more torsion modes of the shaft line as a function of the impact of these torsion modes on the reliability of the motorization M.
Le moteur électrique 11 peut être de tout type et notamment un moteur à rotor bobiné, un moteur à aimants permanents ou un moteur asynchrone.The electric motor 11 can be of any type, including a wound rotor motor, a permanent magnet motor or an asynchronous motor.
L’invention est utilisable avec tout moteur thermique et n’est pas limitée à une utilisation de cette motorisation sur aéronef ou sur véhicule.The invention can be used with any thermal engine and is not limited to use of this engine on aircraft or vehicles.
Claims (10)
caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes de : identifier des plages de fréquences d’excitation d’au moins un mode de torsion de la turbomachine par la machine électrique en fonction de tensions statoriques de phase de l’alternateur à aimants permanents (26) ;
et, en fonctionnement de la motorisation, déterminer des tensions statoriques de phase de l’alternateur à aimants permanents (26), et filtrer le couple de référence au niveau de l’unité électronique de commande (20), en appliquant un filtre dont une plage de fréquences de coupure est ajustée pour exclure au moins une plage de fréquences d’excitation correspondant aux tensions statoriques de phase déterminées.Method for controlling a motorization (M) comprising a turbomachine (TM), an electric machine (MEL) coupled to a first shaft of the turbomachine, an electronic control unit (20) for controlling the motorization, a power converter (12) for controlling the electric machine selectively in motor mode and in generator mode from a reference torque provided by the electronic control unit, a reversible power supply circuit (13) connected to the power converter, for selectively powering the electric machine in motor mode or being powered by the electric machine in generator mode, and a permanent magnet alternator (26) driven by the turbomachine,
characterized in that the method comprises the steps of: identifying excitation frequency ranges of at least one torsion mode of the turbomachine by the electric machine as a function of phase stator voltages of the permanent magnet alternator (26);
and, in operation of the motorization, determining phase stator voltages of the permanent magnet alternator (26), and filtering the reference torque at the electronic control unit (20), by applying a filter whose cut-off frequency range is adjusted to exclude at least one excitation frequency range corresponding to the determined phase stator voltages.
- si la machine électrique (MEL) doit fonctionner en générateur ou en moteur ;
- une première puissance mécanique que la machine électrique doit prélever sur la turbomachine (TM) lorsqu’elle fonctionne en générateur, et une deuxième puissance mécanique que la machine électrique doit fournir à la turbomachine lorsqu’elle fonctionne en moteur ;
- le couple de référence (C*_avant) qui correspond à la puissance mécanique ainsi déterminée et qui est transmis à l’organe de filtrage (234).
- whether the electrical machine (MEL) is to operate as a generator or a motor;
- a first mechanical power that the electric machine must draw from the turbomachine (TM) when it operates as a generator, and a second mechanical power that the electric machine must supply to the turbomachine when it operates as a motor;
- the reference torque (C*_avant) which corresponds to the mechanical power thus determined and which is transmitted to the filtering member (234).
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FR3001771A1 (en) * | 2013-02-04 | 2014-08-08 | Peugeot Citroen Automobiles Sa | Monitoring system for use in power unit of hybrid vehicle, has processing unit comprising parameterizing unit that parameterizes filtered instruction for configuring couple gradient according to motorization mode instruction |
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2023
- 2023-07-28 FR FR2308237A patent/FR3151722B1/en active Active
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2024
- 2024-07-24 WO PCT/EP2024/071008 patent/WO2025026849A1/en unknown
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