FR3149934A1 - Démarreur-générateur à fonction démarreur améliorée - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un démarreur-générateur sans balais (1) comprenant : - une machine électrique principale (10) ayant un stator (11) comprenant des enroulements statoriques (12a, 12b, 12c) et un rotor (13) comprenant un enroulement rotorique (14) et destiné à être couplé mécaniquement au moteur à combustion (200), - une excitatrice (20) comprenant un enroulement statorique (24) et des enroulements rotoriques (23a, 23b, 23c) reliés à l'enroulement rotorique (14) de la machine électrique principale (10) les rotors de la machine électrique principale (10) et de l'excitatrice (20) formant le rotor (75) du démarreur-générateur, - un régulateur (50) configuré pour alimenter l’enroulement statorique en tension alternative à modulation de rapport cyclique de largeur d’alternance lorsque le démarreur-générateur fonctionne en mode démarreur, le rapport cyclique étant ajustable de façon à faire varier une excitation délivrée par le rotor (22) de l’excitatrice (20) à l'enroulement rotorique (14) de la machine électrique principale (10). Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Démarreur-générateur à fonction démarreur améliorée

La présente invention se rapporte à un démarreur-générateur couplé à un moteur à combustion. Le domaine d’application de l’invention est plus particulièrement celui des démarreurs-générateurs pour des moteurs aéronautiques de propulsion à turbine à gaz montés sur des aéronefs. L’invention est toutefois applicable à d’autres types de moteurs à combustion, par exemple des moteurs à combustion interne, des turbines industrielles, des turbines d’hélicoptères ou des turbines de groupes auxiliaires de puissance ou APU acronyme de l’expression anglo-saxonne « Auxiliary Power Unit ».

Un tel démarreur-générateur comprend une machine électrique tournante destinée à être couplée mécaniquement à un arbre d’un moteur à combustion. Le démarreur-générateur est apte à fonctionner dans un mode générateur, pendant une phase dite de génération, lors de laquelle le moteur à combustion entraine l’arbre en rotation et la machine électrique tournante transforme l’énergie mécanique de rotation de l’arbre en énergie électrique destinée à alimenter électriquement un réseau électrique, par exemple un réseau de bord d’un aéronef. Le démarreur-générateur est également apte à fonctionner en mode démarreur, pendant une phase dite de démarrage, lors de laquelle la machine électrique tournante fournit la puissance mécanique à l’arbre du moteur à combustion pour et entraîner en rotation l’arbre du moteur à combustion de façon à démarrer le moteur à combustion.

La machine électrique tournante souvent appelés S/G pour son acronyme anglais : « Starter/Generator » comprend de façon usuelle une machine électrique principale, une excitatrice et éventuellement une génératrice auxiliaire. Ces éléments de la machine tournante sont montés sur un arbre commun couplé mécaniquement à un arbre du moteur à combustion. Un tel démarreur-générateur est un démarreur-générateur sans balais (ou « brushless » en terminologie anglo-saxonne).

La machine électrique principale forme une génératrice électrique principale (ou alternateur) fonctionnant en mode synchrone. La machine électrique principale possède un enroulement rotorique, et des enroulements statoriques qui, lorsqu’elle fonctionne en mode générateur synchrone, convertissent l’énergie mécanique fournie par un arbre couplé mécaniquement au moteur à combustion en une énergie électrique alternative par exemple triphasée alimentant un réseau de bord d’un aéronef. Pour les applications aéronautiques, le réseau de bord alternatif des aéronefs, alimenté par la tension délivrée par le démarreur-générateur fonctionnant en génératrice, peut être à fréquence fixe, généralement 400 Hz ou à fréquence variable calée sur la vitesse d’entrainement de l’alternateur. Dans le cas d’un réseau à fréquence fixe, le réseau peut être alimenté par un groupe auxiliaire de puissance APU fonctionnant à vitesse constante. Il est également possible d’entrainer un alternateur à vitesse constante au moyen d’un régulateur mécanique puisant son énergie d’un moteur tournant à vitesse variable. Il est également possible de mettre en œuvre un alternateur à fréquence variable et d’intercaler entre cet alternateur et le réseau de bord un convertisseur générant une tension alternative à fréquence fixe.

L’excitatrice comprend un rotor bobiné alimentant le rotor de la machine principale au travers d’un redresseur tournant et un stator comprenant un enroulement statorique alimenté en courant continu pendant la phase de génération et en courant alternatif pendant la phase de démarrage. L’enroulement statorique de l’excitatrice est généralement conçu pour une tension continue avec un nombre de spires important adapté au mode générateur. De ce fait, son inductance est grande, ce qui nécessiterait une haute tension pour l’exciter en alternatif dans la phase de démarrage. Pour limiter cette tension à un niveau acceptable, il est possible de prévoir deux enroulements statoriques distincts, l’un alimenté en courant continu pour le mode générateur et l’autre en courant alternatif pour le mode démarreur.

Il est possible d’utiliser la tension alternative du réseau 400 Hz pour alimenter l’enroulement alternatif de l’excitatrice mais cette fréquence peut s’avérer trop basse pour les performances de l’excitatrice et en outre ne permet pas d’ajuster le niveau d’excitation.

Du fait de la dissymétrie entre les nombres de spires habituellement requis pour les deux enroulements, une haute tension peut être induite sur l’enroulement d’excitation continu lors de la phase de démarrage où l’enroulement d’excitation alternative est alimenté. Cette tension peut dépasser significativement les seuils habituellement admis sur les réseaux de bord. Une solution consiste en l’utilisation de nombreux contacteurs et câbles pour passer d’une configuration de d’enroulement utilisée pour le démarrage à celle utilisée pour la génération électrique. Ces solutions sont lourdes et encombrantes. Une autre solution décrite dans la demande de brevet FR 2 348 594 consiste à disposer les deux enroulements en quadrature, ce qui limite les courants induits dans l’enroulement continu du fait de l’alimentation de l’enroulement alternatif. Encore une autre solution décrite dans la demande de brevet WO 2017/211838 A1 prévoit de court-circuiter l’enroulement continu lors de la phase de démarrage.

Par ailleurs, l’excitatrice, en mode démarrage, possède un faible facteur de puissance, du fait du courant de magnétisation important dû à la présence d’un entrefer entre rotor et stator dans le circuit magnétique. Ceci limite les performances de l’excitatrice et pour pallier ce défaut, on est tenu d’augmenter les dimensions du démarreur-générateur uniquement pour assurer la fonction de démarrage. Cette augmentation de dimension se fait une nouvelle fois au détriment de la masse et de l’encombrement.

Le faible facteur de puissance de l’excitatrice impose aussi un convertisseur d’alimentation de l’excitatrice surdimensionné du fait de courants importants à fournir à l’enroulement alternatif pour le démarrage par rapport à la puissance active à fournir. De plus, la génération de la tension par découpage nécessite l’ajout d’un filtre de sortie pour les problématiques de compatibilité électromagnétique afin de limiter l’impact des commutations de tensions sur le bobinage de l’excitatrice et sur le redresseur tournant.

Le brevet US 6 998 726 propose deux solutions pour améliorer le facteur de puissance : soit en injectant une composante harmonique 3 ajoutée à la tension sinusoïdale alimentant l’enroulement alternatif soit en alimentant cet enroulement au moyen d’un signal carré.

Ceci permet à partir de la même tension d’entrée du convertisseur, de réduire la valeur efficace du courant qui doit être fourni par l’excitatrice, pour les mêmes performances du système de démarrage. Cette solution peut cependant nécessiter l’emploi d’un filtre de sortie sur le convertisseur.

Le signal carré permet de réduire significativement les pertes par commutation dans le convertisseur formant le signal d’alimentation de l’enroulement alternatif de démarrage, la tension de sortie n’étant plus découpée. Cependant les solutions proposées par le brevet US 6 998 726 ne permettent pas de réguler le courant de sortie de l’excitatrice, à moins de disposer d’une tension d’entrée variable sur le convertisseur ou d’un étage supplémentaire pour l’ajuster.

L’invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant un démarreur-générateur dont la fonction démarrage est particulièrement bien adaptée.

A cet effet, l’invention a pour objet un démarreur-générateur sans balais, apte à fonctionner en mode démarreur de façon à entraîner en rotation un moteur à combustion, et en mode générateur électrique synchrone de façon à transformer en énergie électrique une énergie mécanique fournie par le moteur à combustion, le démarreur-générateur comprenant :
- une machine électrique principale ayant un stator comprenant des enroulements statoriques et un rotor comprenant un enroulement rotorique et destiné à être couplé mécaniquement au moteur à combustion,
- un redresseur tournant,
- une excitatrice comprenant un stator, comprenant un enroulement statorique, et un rotor comprenant des enroulements rotoriques reliés à l'enroulement rotorique de la machine électrique principale par l'intermédiaire du redresseur tournant, les rotors de la machine électrique principale et de l'excitatrice formant le rotor du démarreur-générateur, le rotor étant couplé mécaniquement au moteur à combustion,
- un régulateur raccordé à l'enroulement statorique et configuré pour alimenter l'enroulement statorique en tension alternative à modulation de rapport cyclique de largeur d'alternance lorsque le démarreur-générateur fonctionne en mode démarreur, le rapport cyclique étant ajustable de façon à faire varier une excitation délivrée par le rotor de l'excitatrice au à l'enroulement rotorique de la machine électrique principale.

Avantageusement, les alternances de tension alternative ont une forme en créneaux d'amplitude constante.

Avantageusement, la fréquence des alternances de tension alternative est fixe.

Avantageusement, le régulateur est configuré pour générer un rapport cyclique comprenant une phase croissante au démarrage de la rotation du rotor.

Avantageusement, le démarreur-générateur comprend une génératrice auxiliaire configurée pour alimenter l'enroulement statorique en courant continu lorsque le démarreur-générateur fonctionne en mode générateur.

Avantageusement, l'enroulement statorique comprend deux bornes d'extrémité et une borne intermédiaire et dans lequel, le courant alternatif est appliqué entre une des bornes d'extrémité et la borne intermédiaire, et le courant continu est appliqué entre deux bornes d'extrémité.

Avantageusement, l'enroulement statorique de l'excitatrice n'est alimenté qu'en courant alternatif, l'excitatrice comprend un second enroulement statorique et le régulateur est configuré pour alimenter le second enroulement statorique en courant continu lorsque le démarreur-générateur fonctionne en mode générateur.

L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel :

la représente schématiquement un démarreur-générateur selon un mode de réalisation de l’invention ;

la représente sous forme de chronogramme un exemple de signal appliqué à un enroulement statorique d’une excitatrice du démarreur-générateur en mode démarrage ;

la représente un exemple de convertisseur permettant d’alimenter l’enroulement statorique de l’excitatrice en mode démarreur ;

la représente sous forme de chronogramme un exemple de tension et d’intensité appliqué aux bornes de l’enroulement statorique par le convertisseur de la ;

la représente une variante du stator de l’excitatrice du démarreur-générateur ;

la représente une autre variante du stator de l’excitatrice du démarreur-générateur.

Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.

La représente schématiquement un démarreur-générateur sans balais 1 à excitation rotorique bobinée selon l’invention. Le démarreur-générateur 1 comprend une machine électrique tournante 100 destinée à être couplée mécaniquement à un arbre 201 d’un moteur à combustion 200. Le démarreur-générateur 1 est apte à fonctionner en mode générateur, pendant une phase dite de génération, lors de laquelle le moteur à combustion 200 fournit une puissance motrice à la machine électrique tournante 100. Lors de cette phase la machine tournante 100 transforme l’énergie mécanique de rotation de l’arbre 201 en énergie électrique destinée à alimenter un réseau électrique, par exemple un réseau de bord d’un aéronef. Le démarreur-générateur 1 est également apte à fonctionner en mode démarreur, pendant une phase de démarrage, lors de laquelle il entraîne en rotation l’arbre 201 du moteur à combustion 200 de façon à le démarrer.

La machine électrique tournante 100 comprend trois sous machines dont les rotors sont couplés mécaniquement : une machine électrique principale 10, une excitatrice 20, et en option une génératrice auxiliaire 30, ainsi qu’un pont redresseur tournant 40. La machine électrique tournante 100 comprend un carter 150 logeant la machine électrique principale 10, l’excitatrice 20 et l’éventuelle génératrice auxiliaire 30. Le stator de la machine électrique tournante 100 est fixé au carter 150.

Les rotors de la machine électrique principale 10, de l’excitatrice 20 et de la génératrice auxiliaire 30 forment le rotor 75 de la machine électrique 100. Ils sont montés sur un arbre commun 101 dont seule la partie extérieure au carter 150 est représentée sur la . L’arbre commun 101 est destiné à être couplé mécaniquement à l’arbre 201 du moteur à combustion 200. Le moteur à combustion 200 est par exemple un moteur à piston ou une turbine à gaz couramment employée pour la propulsion d’un aéronef. A bord d’un aéronef, on trouve aussi un générateur auxiliaire connu en anglais sous l’appellation : « Auxilairy Power Unit » ou par son acronyme APU qui nécessite aussi un démarreur-générateur. De façon plus générale, l’invention peut être mise en œuvre dans un démarreur-générateur couplé à tout type de moteur à combustion. Le couplage des arbres 101 et 201 peut être déconnectable par exemple au moyen d’un dispositif à crabot pouvant être actionné en cas de disfonctionnement soit du moteur à combustion 200 soit du démarreur-générateur 1.

Le carter 150 est destiné à être monté sur un support de l’équipement comprenant le moteur à combustion 200, par exemple un support d’un aéronef. En mode démarreur, la machine électrique tournante 100 entraine l’arbre commun 101 en rotation. L’arbre commun 101 tourne par rapport au carter 150.

Le démarreur-générateur 1 comprend des éléments pour accélérer le rotor 13 de la machine électrique principale 10 couplés mécaniquement au moteur à combustion 200, de façon à entrainer le moteur à combustion 200, en mode démarreur, jusqu’à une vitesse de rotation où il peut entretenir sa vitesse grâce à la combustion de carburant. Aucun dispositif de démarrage auxiliaire hors du démarreur-générateur 1 n’est nécessaire pour démarrer le moteur à combustion 200. Lorsque le démarreur-générateur 1 fonctionne en mode démarreur, la machine électrique principale 10 forme un moteur électrique synchrone qui fournit le couple nécessaire à la mise en rotation du moteur à combustion 200. Lorsque que le démarreur-générateur fonctionne en mode démarreur, l’excitatrice 20 est alimentée en courant alternatif de façon à démarrer le moteur à combustion. Lorsque vitesse de rotation de l’arbre 201 du moteur à combustion 200 atteint un premier seuil, cette alimentation est coupée car le couple produit par le moteur à combustion 200 est suffisant pour que le moteur à combustion 200 entretienne seul le mouvement de l’arbre 201. Le démarreur-générateur 1 ne fonctionne alors plus en mode démarreur. La vitesse de rotation de l’arbre 201 du moteur à combustion 200 accélère d’elle-même, c'est-à-dire de façon autonome, jusqu’à atteindre un deuxième seuil, supérieur au premier seuil, à partir duquel le démarreur-générateur 1 va pouvoir fonctionner en mode générateur. Les modes générateur et démarreur ne sont pas simultanés.

La machine électrique principale 10 comprend un stator 11 comprenant des enroulements statoriques 12a, 12b, 12c qui peuvent être connectés en étoile, comme représenté, ou en triangle si le stator 11 est triphasé. D’autres nombre de phase sont également possibles. Le rotor 13 comprend un enroulement rotorique 14.

En mode générateur, le moteur à combustion 200 ayant été démarré, la machine électrique principale 10 constitue une génératrice électrique synchrone qui transforme l’énergie mécanique de rotation de l’arbre commun 101 couplé mécaniquement à l’arbre 201 du moteur à combustion 200 en énergie électrique de tension électrique U délivrée en sortie de son stator 11 sur une ligne d’alimentation 60 qui achemine l’énergie électrique vers un dispositif destiné à être alimenté électriquement, par exemple un réseau de bord 202 de l’aéronef. La tension U est une tension électrique triphasée dans l’exemple représenté. L’invention peut être mise en œuvre quel que soit le nombre de phases du stator 11.

L’excitatrice 20 comprend un stator 21 et un rotor 22 solidaire de l’arbre 101. Le rotor 22 comprend des enroulements rotoriques 23a, 23b, 23c, qui peuvent être connectés en étoile ou de toute autre façon. Comme précédemment, l’invention peut être mise en œuvre quel que soit le nombre de phases du rotor 22. Le stator 21 comprend un enroulement statorique 24 formant un inducteur bobiné pouvant être parcouru soit par un courant alternatif en mode démarreur soit par un courant continu en mode générateur. Les courants alternatifs développés au rotor 22 de l’excitatrice 20 sont redressés par le redresseur tournant 40, tel qu’un pont de diodes 41 tournant, pour alimenter l’enroulement rotorique 14 de la machine électrique principale 10 en courant continu.

La génératrice auxiliaire 30 est par exemple une génératrice synchrone comprenant un rotor 31 solidaire de l’arbre 101 et comprenant des aimants permanents 32. De plus, la génératrice auxiliaire 30 comprend un stator 33 comprenant des enroulements statoriques 34a, 34b, 34c.

Les stators de l’éventuelle génératrice auxiliaire 30, de l’excitatrice 20 et de la machine principale 10 forment le stator de la machine électrique tournante. Il est fixe par rapport au carter 150. Les rotors et stators précités comprennent chacun une structure sur laquelle sont fixés les enroulements du rotor ou stator correspondant.

Le démarreur-générateur 1 comprend en outre un régulateur 50 configuré pour alimenter l’enroulement statorique 24 en courant alternatif lorsque le démarreur-générateur 1 fonctionne en mode démarreur. En mode générateur, l’enroulement statorique 24 est par exemple alimenté par la génératrice auxiliaire 30 au travers d’un redresseur 52 qui peut être accompagné d’un régulateur, non représenté. Le passage du mode démarreur au mode générateur est par exemple réalisé au moyen d’un contacteur 25 lorsqu’un même enroulement 24 est alimenté soit en courant alternatif pour le mode démarreur, soit en courant continu pour le mode générateur. Il est possible de se passer du contacteur 25 lorsque le stator 21 comprend deux enroulements distincts, l’un pour le mode démarreur et l’autre pour le mode générateur, comme on le verra plus loin à l’aide de la . Pour la présente invention, on s’intéresse principalement au mode démarreur et au courant alternatif injecté dans l’enroulement statorique 24.

L’énergie électrique permettant d’alimenter l’enroulement statorique 24 peut provenir de différentes sources : le réseau de bord 202, la génératrice auxiliaire 30, une batterie 60 ou une prise de parc 70. A bord d’un aéronef, lorsque celui-ci est au sol, lors du démarrage du premier moteur, notamment celui du groupe auxiliaire, la seule source d’énergie électrique disponible à bord peut être celle de la batterie 60. Certains aéroports sont équipés de groupes de parc permettant à l’aéronef de se raccorder au travers de sa prise de parc 70, ce qui permet d’éviter le fonctionnement du groupe auxiliaire lorsque l’aéronef est à l’arrêt. Une fois le groupe auxiliaire démarré, le réseau de bord 202 peut être sous tension ce qui permet d’alimenter d’autres démarreurs-générateurs associés notamment aux moteurs de propulsion. L’alimentation au travers de la génératrice auxiliaire 30 ne peut pas se faire, tant que l’arbre 101 est à l’arrêt. La génératrice auxiliaire 30 peut cependant prendre le relais d’une autre source d’alimentation en mode démarreur. Sur la , plusieurs sources d’énergie sont représentées pour alimenter l’enroulement statorique 24. En pratique, l’invention peut être mise en œuvre quelle que soit la ou les sources permettant d’alimenter l’enroulement statorique 24.

Dans l’exemple représenté sur la , le régulateur 50 comprend plusieurs convertisseurs. Dans la pratique, le nombre de convertisseurs et la fonction de chacun sont adaptés au nombre et aux spécificités des différentes sources d’énergies permettant d’alimenter l’enroulement statorique 24. Un premier redresseur 51 transforme l’énergie issue du réseau de bord 202 ou de la prise de parc 70 en tension continue. En mode démarreur, le démarreur-générateur 1 ne produit pas d’énergie électrique et le stator 11 n’est alors pas raccordé au réseau de bord 202. Un contacteur 15 permet de déconnecter le stator 11 du réseau de bord 202 en mode démarreur et de le connecter en mode générateur. Un onduleur 53 reçoit les tensions continues issues du redresseur 51 ou éventuellement de la batterie 60 pour alimenter l’enroulement statorique 24 en tension alternative. Le régulateur 50 peut comprendre en outre un module de pilotage 54 gérant les différents convertisseurs, notamment le redresseur 51 et l’onduleur 53. Le régulateur 50 peut comprendre également d’autres contacteurs, non représentés sur la et permettant notamment de passer d’une source à l’autre : 60, 70, 202. Ces contacteurs sont commandés par le module de pilotage 54.

La représente sous forme de chronogramme un exemple de signal appliqué à l’enroulement statorique 24 en mode démarrage. Plus précisément, le régulateur 50 est configuré pour appliquer à l’enroulement statorique 24 une tension alternative dont la largeur d’amplitude est modulée. La modulation comprend une phase croissante de la largeur d’amplitude au démarrage de la rotation du rotor 75.

En appliquant une tension alternative sinusoïdale constante à l’enroulement statorique 24 durant la phase de démarrage, lorsque le rotor 75 est à l’arrêt, un appel de courant important peut apparaître sur l’enroulement statorique 24, ce qui peut lui être préjudiciable. En modulant le rapport cyclique de largeur d’alternance d’une tension alternative à amplitude constante, il est possible de limiter l’apparition de cet appel de courants. On définit par exemple la largeur de l’alternance comme la durée séparant la montée de la descente en tension à mi valeur de tension de l’amplitude maximale. Le rapport cyclique représente le rapport entre la largeur de deux alternances successives, l’une positive et l’autre négative et la durée d’une période du signal alternatif.

La fréquence de la tension alternative appliquée à l’enroulement statorique 24 peut varier durant la phase de démarrage. Cependant, pour simplifier la commande de l’onduleur 53, une fréquence fixe est cependant préférable.

A l'aide de l'onduleur 53, il est possible de donner aux alternances toute forme d'évolution de tension en fonction du temps. Il est par exemple possible de donner aux alternances une forme sinusoïdale par exemple en générant la forme sinusoïdale à l’aide d’un découpage en modulation de largeur d’impulsion (MLI ou PWM selon l’acronyme anglo-saxon). Cela permet de faire varier la tension de façon douce aux bornes de l'enroulement statorique 24. Pour simplifier la forme des alternances, et limiter le nombre de commutation d’interrupteurs électroniques de l’onduleur 53, il est possible de donner aux alternances une forme sensiblement en créneaux d’amplitude constante. Plus précisément, les interrupteurs de l’onduleur 53 ne commutent que deux fois par alternance, une première fois pour établir la tension et une seconde fois pour l’interrompre. La forme en créneaux est directement donnée par la commutation des interrupteurs électroniques de l’onduleur 53. Il n’est alors pas nécessaire d’ajouter un filtre en sortie de l’onduleur 53.

La représente plus précisément la forme de la tension alternative appliquée à l’enroulement statorique au début de la phase de démarrage. Le temps est représenté en abscisse et la tension en ordonnée. La tension est exprimée en pourcentage de la tension présente en sortie du redresseur 51 alimentant l’onduleur 53. La forme en créneaux des alternances représentée sur la est une forme théorique. En pratique la tension réelle subit des variations autour de cette forme en créneaux. Les interrupteurs électroniques de l’onduleur 53 sont commandés au moyen d’un signal de forme en créneaux et on retrouve souvent des phénomènes parasites sur la tension alternative appliquée à l’enroulement statorique de l’excitatrice, des phénomènes tels que des transitoires au moment du basculement des interrupteurs électroniques.

Sur la , la phase croissante du rapport cyclique est représentée sur une vingtaine d’alternances pour illustrer l’invention au début de la phase de démarrage. En pratique la phase croissante peut s’étaler sur un plus grand nombre d’alternances. Par exemple, la tension alternative appliquée à l’enroulement statorique 24 peut avoir une fréquence fixe de 1k Hz. La durée de la phase de démarrage peut être de l’ordre de la seconde. Il peut alors être nécessaire de faire varier le rapport cyclique sur un millier d’alternances.

La durée de la phase croissante peut être prédéterminée dans le régulateur 50. il est également possible de prédéterminer l'évolution du rapport cyclique durant la phase croissante. La prédétermination est principalement définie en fonction de la constante de temps électrique de l’excitatrice. Il est per exemple possible de définir une rampe à pente constante définissant le rapport cyclique en fonction du temps. A l’issue de la phase croissante, on peut ajuster le rapport cyclique en fonction du couple à fournir pour démarrer le moteur 200. Plus précisément, lors de l’augmentation de vitesse du rotor 75, il est possible de délivrer tout d’abord un couple constant au moteur 200 et ensuite de délivrer une puissance constante.

L’invention prévoyant une variation du rapport cyclique peut s’appliquer à l’ensemble de la phase de démarrage, notamment au début de celle-ci avec une phase croissante du rapport cyclique alors même que le rotor 75 est encore à l’arrêt et qu’il commence à peine à tourner. En complément ou alternativement, une phase décroissante du rapport cyclique peut être appliquée afin de réduire le courant continu d’excitation appliqué à l'enroulement rotorique 14 de la machine électrique principale 10 par exemple lors du passage du pilotage à couple constant au pilotage à puissance constante. Ensuite, lors du pilotage à puissance constante, la vitesse du rotor 75 augmente et il est encore souhaitable de réduire le courant continu d’excitation en réduisant encore le rapport cyclique.

Pendant le pilotage à couple constant, il est généralement utile de conserver un courant continu d’excitation constant et donc de garder constant la valeur du rapport cyclique.

La représente un exemple d’onduleur 53 comprenant deux branches 53a et 53b. La branche 53a comprend deux interrupteurs électroniques 53a+ et 53a- associé chacun à une diode de roue libre. Les interrupteurs électroniques 53a+ et 53a- sont reliés en série entre deux bornes d’entrée + et – recevant une tension continue. De même la branche 53b comprend deux interrupteurs électroniques 53b+ et 53b- associé chacun à une diode de roue libre et reliés en série entre les deux bornes d’entrée + et –. La tension continue provenant d’un des redresseurs 51 ou 52 est appliquée entre les deux bornes d’entrée + et –. L’enroulement statorique 24 est raccordé entre les points communs deux interrupteurs de chacune des branches 53a et 53b.

La représente sous forme de chronogramme sur deux périodes T, c’est-à-dire quatre alternances, l’évolution dans le temps de la tension aux bornes de l'enroulement statorique 24 et de l’intensité circulant dans l'enroulement statorique 24. Durant une première étape A les interrupteurs 53a+ et 53b+ sont fermés, les interrupteurs 53a- et 53b- sont ouverts et la tension appliquée à l'enroulement statorique 24 est nulle. Succédant à la première étape, durant une deuxième étape B, les interrupteurs 53a+ et 53b- sont fermés, les interrupteurs 53a- et 53b+ sont ouvert et la tension appliquée à l'enroulement statorique 24 est positive. A l’issu de l’étape B, succède une troisième étape C au cours de laquelle les interrupteurs 53a+ et 53b+ sont ouverts, les interrupteurs 53a- et 53b- sont fermés et la tension appliquée à l'enroulement statorique 24 est à nouveau nulle. Après l’étape C succède l’étape D au cours de laquelle les interrupteurs 53a+ et 53b- sont ouverts, les interrupteurs 53a- et 53b+ sont fermés et la tension appliquée à l'enroulement statorique 24 est négative. Les quatre étapes s’enchaînent durant une période T. L’étape B forme une alternance positive et l’étape D, une alternance négative. Chaque étape débute par une commutation d’interrupteurs et se termine par une commutation d’un autre interrupteur. Aucune commutation n’est opérée entre le début et la fin de chaque étape.

Le rapport cyclique d’une période T est le rapport entre la somme des durées des étapes B et D, où une tension est appliquée à l’enroulement statorique 24, et la durée totale de la période, soit la somme des durées des quatre étapes A, B, C, D. la représente un exemple de variation de rapport cyclique sur une vingtaine de période durant la phase de démarrage du moteur à combustion 200. En début de phase de démarrage, lorsque le rotor 75 est à l’arrêt, en début de phase de croissance, le rapport cyclique est faible, par exemple de l’ordre de 10%. Ensuite, le rapport cyclique augmente. En fin de chronogramme de la , le rapport cyclique atteint 50%. Il est bien entendu que le rapport cyclique peut encore augmenter ultérieurement avant d’atteindre une phase où le démarreur-générateur est piloté à couple constant.

La représente une variante du stator 21 de l’excitatrice 20 du démarreur-générateur 1. On a vu précédemment que le stator 21 de l’excitatrice 20 peut comprendre deux enroulements distincts, l’un DC alimenté en courant continu durant la phase de génération et l’autre AC alimenté en courant alternatif durant la phase de démarrage du moteur 200. L’enroulement repéré AC sur la correspond à l’enroulement 24 représenté sur la . Avantageusement les deux enroulements AC et DC sont disposés en quadrature, ce qui limite les courants induits pendant la phase de démarrage du moteur 200 dans l’enroulement DC du fait de l’alimentation de l’enroulement AC.

Alternativement, comme représenté sur la , il est possible de n’utiliser qu’un seul enroulement alimenté tout d’abord en courant alternatif durant la phase de démarrage puis en courant continu durant la phase de génération notamment lorsque le couple de démarrage du moteur 200 couplé au démarreur-générateur 1 est faible, par exemple comme pour un générateur auxiliaire APU d’un aéronef. En effet la forme du signal d’excitation alternatif appliqué à l’enroulement 24, notamment un signal de forme en créneaux, permet une augmentation du nombre de spires de à l’enroulement 24, par rapport au nombre de spires requis par une excitation traditionnelle par tension sinusoïdale. Ceci permet de réduire la dissymétrie entre les nombres de spires des enroulements AC et DC du stator 21 de l’excitatrice 20 et donc de limiter les problématiques de haute tension induite dans le bobinage DC lors de l’excitation sur le bobinage AC.

La représente une variante du stator 21 dans lequel l’enroulement 24 présente trois bornes dont deux bornes d’extrémité 24a et 24b et une borne intermédiaire 24c. Durant la phase de démarrage une partie seulement de l’enroulement 24 est alimenté en courant alternatif AC en mettant en œuvre la phase croissante telle que par exemple illustrée à l’aide de la . Plus précisément, l’enroulement 24 est alimenté entre ses bornes 24a et 24c. Durant la phase de génération, la totalité de l’enroulement 24 est alimenté en courant continu DC entre ses bornes 24a et 24b.

Claims (7)

1. Démarreur-générateur sans balais (1), apte à fonctionner en mode démarreur de façon à entraîner en rotation un moteur à combustion (200), et en mode générateur électrique synchrone de façon à transformer en énergie électrique une énergie mécanique fournie par le moteur à combustion (200), le démarreur-générateur (1) comprenant :
   - une machine électrique principale (10) ayant un stator (11) comprenant des enroulements statoriques (12a, 12b, 12c) et un rotor (13) comprenant un enroulement rotorique (14) et destiné à être couplé mécaniquement au moteur à combustion (200),
   - un redresseur tournant (40),
   - une excitatrice (20) comprenant un stator (21), comprenant un enroulement statorique (24 ; AC), et un rotor (22) comprenant des enroulements rotoriques (23a, 23b, 23c) reliés à l'enroulement rotorique (14) de la machine électrique principale (10) par l’intermédiaire du redresseur tournant (40), les rotors de la machine électrique principale (10) et de l'excitatrice (20) formant le rotor (75) du démarreur-générateur, le rotor (75) étant couplé mécaniquement au moteur à combustion (200),
   - un régulateur (50) raccordé à l’enroulement statorique (24 ; AC) et configuré pour alimenter l’enroulement statorique (24 ; AC) en tension alternative à modulation de rapport cyclique de largeur d’alternance lorsque le démarreur-générateur fonctionne en mode démarreur, le rapport cyclique étant ajustable de façon à faire varier une excitation délivrée par le rotor (22) de l’excitatrice (20) à l'enroulement rotorique (14) de la machine électrique principale (10).
2. Démarreur-générateur selon la revendication 1, dans lequel les alternances de tension alternative ont une forme en créneaux d’amplitude constante.
3. Démarreur-générateur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la fréquence des alternances de tension alternative est fixe.
4. Démarreur-générateur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le régulateur (50) est configuré pour générer un rapport cyclique comprenant une phase croissante au démarrage de la rotation du rotor (75).
5. Démarreur-générateur selon l’une des revendications précédentes, comprenant une génératrice auxiliaire (30) configurée pour alimenter l’enroulement statorique (24) en courant continu lorsque le démarreur-générateur (1) fonctionne en mode générateur.
6. Démarreur-générateur selon la revendication 5, dans lequel l’enroulement statorique (24) comprend deux bornes d’extrémité (24a, 24b) et une borne intermédiaire (24c) et dans lequel, le courant alternatif (AC) est appliqué entre une des bornes d’extrémité (24a) et la borne intermédiaire (24c), et dans lequel le courant continu est appliqué entre deux bornes d’extrémité (24a, 24b).
7. Démarreur-générateur selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’enroulement statorique (AC) de l’excitatrice (20) n’est alimenté qu’en courant alternatif, dans lequel l’excitatrice (20) comprend un second enroulement statorique (DC) et dans lequel le régulateur (73) est configuré pour alimenter le second enroulement statorique en courant continu lorsque le démarreur-générateur fonctionne en mode générateur.