FR2496895A1

FR2496895A1 - Systeme pour ameliorer la dynamique de reglage de machines asynchrones a commande de frequence et comprenant une source d'alimentation formee par un convertisseur a circuit de courant intermediaire

Info

Publication number: FR2496895A1
Application number: FR8123599A
Authority: FR
Inventors: Jochen Schorner; Johann Wimmer
Original assignee: Loher GmbH
Current assignee: Loher GmbH
Priority date: 1980-12-18
Filing date: 1981-12-17
Publication date: 1982-06-25
Also published as: CH665317A5; NL8105719A; BE891508A; DE3047828C2; ATA540081A; DE3047828A1; AT378869B

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN SYSTEME POUR AMELIORER LA DYNAMIQUE DE REGLAGE DE MACHINES ASYNCHRONES. LE SYSTEME CONCERNE DES MACHINES ASYNCHRONES ALIMENTEES PAR UN CONVERTISSEUR A CIRCUIT DE COURANT INTERMEDIAIRE; LE SYSTEME EST CARACTERISE EN CE QUE LES TENSIONS DE LA MACHINE 2 SONT REDRESSEES DANS UN MONTAGE EN PONT 3 ET EN CE QUE LES TENSIONS DE COMMUTATION DU CONVERTISSEUR 1, QUI SONT SUPERPOSEES A LA TENSION CONTINUE ET DEPENDENT DU COURANT DE LA MACHINE 2, SONT SUPPRIMEES DANS UN CIRCUIT DE LIMITATION 4 DE TELLE MANIERE QUE LA TENSION CONTINUE CONSTITUE UNE MESURE QUI EST INDEPENDANTE DU COURANT ET QUI PEUT ETRE CAPTEE RAPIDEMENT, POUR L'AMPLITUDE DE L'OSCILLATION FONDAMENTALE DE LA TENSION DE LA MACHINE. L'INVENTION EST UTILISABLE POUR DES MACHINES ASYNCHRONES.

Description

La présente invention concerne un système pour la commande et le réglage de machines asynchrones qui sont alimentées par des mutateurs ou convertisseurs pourvus d'un circuit intermédiaire de courant (convertisseur du type I), la tension de la machine étant prédéterminée par un courant de réglage de tension à réglage de sous-jacent tels systèmes sont connus depuis longtemps et décrits de façon détaillée dans la littérature (par exemple publication 1 : Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis für industrielle Antriebe, BBC-Nachrichten 1978, pages 485-495; publication 2 : Monoverter- ein Umrichtersystem für den Betrieb von Asynchron-Normmotoren, Techn. Mitt. AEG 1979, pages 192-196).Ces agencements de réglage connus ont pour inconvénient majeur qu'ils ne sont pas adaptés dans leur réalisation jusqu'à present connue, à des exigences dynamiques plus accrues (Publication 1, page 490; publication 2: page 193 en bas).

La présente invention vise à proposer des mesures permettant de perfectionner le comportement dynamique des systèmes de réglage connus, à l'aide de moyens simples, sans que l'avantage essentiel, c'est-à-dire l'insensibilité à des variations de paramètre des machines associées Soit affecté.

L'invention concerne donc un système pour mesurer l'amplitude de l'oscillation fondamentale variable de la tension aux bornes d'une machine asynchrone alimentée par un convertisseur à circuit intermédiaire de courant, qui est caractérisé en ce que les tensions de machine sont redressées dans un montage en pont et en ce que les tensions de commutation du convertisseur, qui dépendent du courant de la machine et sont superposées à la tension continue,sont sont supprimées dans un montage de limitation de telle manière que la tension continue constitue une grandeur indépendante du courant et rapidement détectable pour l'amplitude de ltoscillation fondamentale de la tension de la machine.

Plus précisément, l'invention propose les mesures suivantes pour améliorer le comportement dynamique:
1. Détection dynamique et rapide de la valeur réelle ou instantanée de la tension
La valeur de consigne de la tension de la machine est déterminée par la courbe caractéristique de la tension en fonction de la fréquence pour un flux parcourant le stator, qui est approximativement constant. La valeur réelle de la tension de la machine est habituellement produite par redressement de la tension de machine (par exemple Publication 3 : demande de brevet allemand (Offenlegumgsschrift)2 804 050 du 27 Janvier 1978; publication 4 : demande de brevet allemand (Offenlegungsschrift) 2 806 535 du 12 Février 1978).A cette tension continue sont superposées, en raison des convertisseurs à circuit intermédiaire de courant, des crêtes de tension en forme d'impulsions, qui sont produites par les opérations de commutation dans le mutateur ou le convertisseur. L'amplitude des crêtes de tension correspond, notamment dans la gamme inférieure de fréquence ou de tensions un multiple de la valeur moyenne de la tension continue et dépend fortement du courant. il est nécessaire de supprimer ces crêtes de tension, parce qu'elles constituent notamment dans les cas de bassesfréquenca une perturbation et falsifient la valeur réelle, en raison de la dépendance du courant, de telle manière que cette valeur réelle devient plus grande lorsque les courants augmentent.A cause de ces erreurs de reproduction, la machine ne peut plus fournir, dans la zone des basses fréquencesvle lecouple maximum qui est techniquement possible. Habituellement on supprime ces crêtes de tension à l'aide d'éléments de filtrage. Cependant, pour éliminer la dépendance gênante du courant, de la valeur réelle de la tension, il faut des constantes de temps de filtrage très élevées. Or ceci est très préjudiciable à la dynamique de réglage du circuit de réglage de tension.

Dans la publication 3 on propose pour la suppression des tensions de commutation, un filtre d'ordre plus élevé. De tels filtres permettent une bonne prise de mesure dynamique, avec suppression simultanée des tensions de commutation, mais ils constituent des moyens complexes et compliqués en raison de leur fréquence d'oscillation fondamentale variable.

La présente invention assure avec peu de moyens techniques des mesures dynamiques précises de la valeur réelle de la tension, sansql'il y ait une dépendance du courant. Ainsi, une caractéristique avantageuse de l'invention réside dans le fait que toutes les crêtes de tension qui dépassent d'un degré prédéterminé la valeur moyenne de la tension continue sont supprimées ("coupées") dans un circuit de limitation. Cette mesure de limitation est faite de telle manière que les mouvements de travail de la valeur réelle de la tension, à l'intérieur de la gamme de glissement, ne sont pas affectés par la limitation. Pour les données de machine habituelles, une gamme ou zone de travail d'environ 5% par rapport à la tension nominale de la machine est suffisante.

La dépendance gênante du courant de la valeur réelle de la tension, notamment dans la gamme de fréquences inférieures, ne se manifeste plus dans le dispositif selon l'invention, parce que la valeur de 5% choisie, de la tension de commutation est toujours largement dépassée.

La valeur réelle est légèrement falsifiée, parce que l'écart de limitation n'est pas toujours infiniment petit , mais cette erreur reste constante si bien que toute contre-réaction positive par le courant soit éliminée. Un tel comportement ne peut être obtenu par des éléments de filtrage habituels qu'avec des moyens de filtrage très importants.

Un autre avantage du dispositif selon l'invention réside dans le fait qu'il n'est plus nécessaire de prévoir des opérations de syntonisation même dans le cas d'un changement des fréquences maximum de fonctionnement ou de la machine. De telles opérations de syntonisation sont par exemple nécessaires quand les tensions de commutation sont supprimées par l'intermédiaire de moyens de filtrage, du fait que l'amplitude et la durée des tensions de commutation dépendent fortement du dimensionnement du convertisseur et des coordonnées de la machine.

il suffit, pour obtenir une tension continue limitée, d'utiliser un élément de filtrage ayant une constante de temps dans la zone de milliseconde , pour éliminer les tensions parasites de fréquences plus élevées.

Selon la présente invention, on utilise un filtre du deuxième ordre ayant deux constantes de temps égales. En raison des faibles constantes de temps, une mesure suffisamment rapide pour les processus de réglage de la tension de la machine est possible. Suivant l'idée qui est à la base de l'invention, le dispositif de limitation doit toujours intervenir à une valeur de 5% au-dessus de la valeur moyenne instantanée de la tension. On satisfait à cette exigence en amenant la tension limitée et lissée ou filtrée à entraîner l'intervention de limitation. Etant donné que des grandes courses ou déviations de tension ne peuvent être effectuées à une vitesse de variation finie, il est assuré que la tension limitant s'é*7ld suffisamment rapidement, même lors des processus transitoires.

2. Précommande du régleur de tension
Selon l'état de la technique, la valeur de consigne du courant est déterminée par le régleur de tension (publication 1), c'est-à-dire qu'un changement de la valeur de consigne du courant est seulement effectué quand un écartement des valeurs réelle et de consigne de la tension de machine se manifeste. En raison des propriétés physiques des machines asynchrones, des variations de la charge ne sont pas tout de suite visibles au niveau de la tension aux bornes, notamment en régime de marche à vide, lorsque la machine fonctionne comme générateur. Par conséquent, aucune augmentation de la valeur de consigne du courant ne se manifeste. il en résulte qu'il n'y a pas d'écoulement du courant nécessaire à l'établissement d'un couple et que la machine est désexcité et retombe.De ce fait, seulement des changements de charge longs sont admissibles dans un système de réglage qui vient d'être décrit. Dans la publication 1 on propose une prédétermination de la valeur de consigne du courant, par l'intermédiaire d'une courbe caractéristique charge-courant, pour des entrainements dynamiques de qualité supérieure. Ce procédé a un bon comportement dynamique, mais présente l'inconvénient essentiel pour des entrainements industriels que la courbe caractéristique charge-courant doit être réajustée pour chaque machine.

Le système selon l'invention permet de supprimer les inconvénients qui viennent d'être décrits. On obtient ce résultat du fait
- qu'on commande préalablement le régleur de tension par un signal dynamique rapide, si bien que la valeur de consigne du courant se règle tout de suite au nouvel état de charge,
- qu'on utilise pour la précommande un signal qui fournit indépendamment des paramètres de la machine une valeur de consigne du courant approximativement correcte,
- qu'il suffit suivant le principe choisi de seulement commander préalablement avec ia tendance correcte, c 'est-à-dire en augmentant ou en diminuant les valeurs de consigne du courant, étant donné que des erreurs absolues peuvent être compensées par le régleur de tension superposé.

Suivant l'idée de base de l'invention, le régleur de tension est précommandé à l'aide d'un signal qui est proportionnel à la valeur du cos de l'angle de phase entre le courant de la machine et la contre-tension U + produite par le flux de stator de la machine. Ce signal est particulièrement approprié, car il est facilement mesurable, donne la tendance correcte du changement de courant nécessaire, d'une façon dynamiquement rapide, et est largement indépendant des paramètres de la machine et de la fréquence d'alimentation.

Le cos - comme signal de pré commande est déterminé à partir du facteur de déplacement cos ç entre le courant de la machine et la tension de la machine. Ce facteur de déplacement peut être calculé, de façon simple, par division de la tension continue Ud du circuit intermédiaire par l'amplitude de la tension de la machine UM
La différence entre le cos + et le cos ç est déterminée, notamment par les chutes de tension à la résistance de stator R1 de la machine. En raison de ces chutes de tension, le cos t devient différent du cos < dans la gamme des basses fréquences et n'est plus symétrique au point zéro de la charge.Selon l'invention, cette différence est compensée par un signal de correction que l'on obtient à partir de la tension continue du circuit intermédiaire. Normalement il n'est pas nécessaire d'accorder le signal de correction, parce que des faibles erreurs n'ont pas d'effet grâce au principe de la précommande dynamique et parce que les différences entre le cos + et le cos T ne se manifestent que dans la gamme de fréquence la plus basse.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparattront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels
- la figure 1 montre sous forme d'un schéma-bloc l'acheminement des signaux dans le système selon l'invention pour la mesure rapide de l'amplitude de la tension de la machine;
- la figure 2 est le schéma de ltacheminement des signaux du dispositif de réglage à pré commande de la valeur de consigne du courant;;
- la figure 3 montre la courbe caractéristique du courant de machine normalisé 1M'1MN et du signal de pré commande/cos ' en fonction du couple normalisé
M/MN
- la figure 4 illustre l'allure en fonction du temps, de la tension continue du circuit intermédiaire Ud de la tension de correction UK et de la tension corrigée pour trois cas de charge,à des fréquences faibles, et
- la figure 5 montre, au niveau du principe, l'allure de cos t et de cos f en fonction du moment ou couple de rotation à des fréquences faibles.

Selon la figure 1, la tension de sortie triphasée du convertisseur 1 correspond à la tension aux bornes de la machine 2. La tension de machine est redressée dans un redresseur 3 et est diminuée au niveau de signal.

L'allure, au niveau du principe, de cette tension Uist 1 ressort de la figure 1. Les tensions de commutation, en forme d'impulsions, sont découpées dans le circuit de limitation 4. La tension limitée Uist 2 est filtrée ou lissée dans un élément de filtrage 5. La tension de sortie
Uist constitue la valeur réelle finale de la tension de la machine. En additionnant à cette tension de valeur réelle une faible tension de seuil nU , on obtient une mesure pour la valeur limite qui dépend du point de fonctionnemen,t.

Le plan d'acheminement des signaux pour le montage ou circuit de réglage , à pré commande, est représenté à la figure 2. La valeur de consigne du nombre de tours UFX est transformée dans un convertisseur U/F 6 et un compteur en anneau 7 en impulsions d'allumage pour l'onduleur 8, de telle manière que le courant 1M de la machine asynchrone 9 présente la fréquence désirée.

Simultanément, on forme partir de UFX dans un circuit de courbe caractéristique 10 la valeur de consigne UX pour la tension de machine UM . La valeur réelle Ul8T de la tension de machine est produite à partir des trois tensions de machine, par l'intermédiaire d'un capteur des valeurs réelles 11.Le régleur de tension 12 engendre à sa sortie un courant de consigne Ix réduit, qui forme le vrai courant de consigne 1x , ensemble avec le signal de précommande /cos t/ Le régleur de courant 13 indique les impulsions d'allumage pour le redresseur du courant de réseau 15, à l'aide d'un dispositif de commande 14. il suffit de mesurer le courant de machine à l'aide du capteur du courant réel 16, au côté du réseau, étant donné que les amplitudes du courant de réseau et du courant de machine sont approximativement les mêmes et des erreurs sont corrigées par le régleur de tension superposé. La tension continue Ud du circuit intermédiaire est convertie au niveau de signal dans un convertisseur de tension 17.Par comparaison de cette tension à la tension zéro, on forme dans le comparateur 18 un signal de correction UK à modulation de largeur d'impulsion . Le signal de correction est considéré dans une résistance 19 et forme la tension de circuit intermédiaire UdK avec la tension U . En
UdK la d divisant la tension UdK par la tension de machine U dans le circuit diviseur 20, on obtient le cos de l'angre de phase t entre le courant de machine et la tension de flux de stator U9J . Le circuit de formation de valeur 21 produit le signal de pré commande kos t/ à partir de cos f .

La figure 3 montre l'allure du signal de précommande kos f / et du courant de machine normalisé i en fonction du couple normalisé M/MN . La différence entre le signal de précommande /cos t / et le courant réellement demandé est compensée par le régleur de tension. On constate que le signal de précommande présente par principe la juste tendance.

Pour donner des explications supplémentaires, la figure 4 illustre l'allure en fonction du temps des tensions Ud, UK et de la tension corrigée UdK pour les régimes de générateur , de marche à vide et de moteur, à des faibles fréquences. On constate que la valeur moyenne de UdK est augmentée par le signal de correction, lorsque le régime de générateur s'accrort.

D'autre part, la figure 5 représente l'allure au niveau du principe du cos 92 et du cos t en fonction du couple normalisé , à des faibles fréquences. il ressort de la figure que le cos yo s'écarte du cos # lorsque la machine fonctionne comme générateur. Le signal de correction doit compenser cette excursion en forme d'une augmentation.

Dans la zone des fréquences plus élevées, le cos + et le cos f ne diffèrent pratiquement pas. Ceci est automatiquement pris en compte par le circuit de correction, en faisant en sorte que le signal de correction constant devienne de moins en moins important par rapport aux signaux Ud et UM lorsque ces signaux augmentent.

Claims

REVENDICATIONS

1. Système pour la mesure de l'amplitude variable de l'oscillation fondamentale de la tension aux bornes d'une machine asynchrone alimentée par un convertisseur à circuit intermédiaire de courant, caractérisé en ce-que les tensions de machine sont redressées dans un montage en pont et quels tensions de commutation du convertisseur qui sont superposées à la tension continue et dépendent du courant de la machine, sont supprimées dans un circuit de limitation de telle manière que la tension continue constitue une mesure qui est indépendante du courant et qui peut être captée rapidement , pour l'amplitude de l'oscillation fondamentale de la tension de la machine.
2.- Système selon la revendication 1, pour la mesure de-façon indépendante du courant de la tension de machine, caractérisé en ce que toutes les crêtes de tension qui dépas-sent la valeur moyenne de la tension-de machine redressée, suivant un degré prédétermînés-ont supprimées dans un circuit de limitat-ion si bien que la tension continue limitée de cette manière ne comprend plus de crêtes de tension qui dépendent du courant.-
3.- Système selon l'une des revendications -1 ou 2, pour la mesure rapide et dynamique de la-tension- de machine, caractérisé en ce que la tension-continue limitée est filtréé ou lissée à l'aide d'un filtre de deuxième ordre avec deux constantes de temps é & es de l'ordre de millisecondes
4.- Système pour l'amélioration de la dynamique de réglagè-de machines asynchrones commandées en fréquence, pour lesquelles-la tension de machine est prédéterminée par un circuit de réglage de tension à réglage de courant sous-jacent , caractérisé en ce que le réoeur de tension est precommandé, du côté sortie, par un signal qui, lors des changements du point de fonctionnement, indique rapidement la nouvelle valeur de consigne du courant, même si la valeur réelle de la tension nta pas encore subi un changement, si bien que le temps de réglage du circuit de réglage de tension est considérablement réduit par cette précommande , un signal étant utilisé pour effectuer cette précommande , qui indique de façon largement indépendante des paramètres de la machine et du point de fonctionnement, au moins approximativement la valeur de consigne correcte du courant.
5.- Système selon la revendication 4 pour la production d'un signal de précommanlepour un circuit de réglage de tension à réglage de courant sous-jacent, caractérisé en ce qu'un signal est utilisé pour la précommande, qui est proportionnel à la valeur du cos t de l'angle de phase entre le courant de machine IM et de la contre-tension UÇ produiteparle flux de stator de la machine.
6.- Système selon la revendications4 et 5 pour la détermination de la valeur de cos t , caractérisé en ce que le cos de l'angle de phase W entre le courant de la machine et la tension de la machine est déterminé par division de la tension continue Ud du circuit intermé du aire du convertisseur alimentant du circuit intermédiaire du courant et de l'amplitude UM de la tension de machine, et en ce que l'influence falsifiante de la chute de tension à la résistance de stator R1 de la machine est compensée dans la gamme des faibles fréquences par le fait qu'à la tension Ud du circuit intermédiaire est additionné un signal de correction UK qui, au régime de générateur, comprend une valeur maximum et diminue approximativement de façon linéaire jusqu'à la valeur zéro lorsque la charge de moteur augmente.
7.- Système selon l'une des revendications 4, 5 et 6 pour la production d'un signal de correction pour le signal cos t , caractérisé en ce que la tension continue

Ud du circuit intermédiaire, qui comporte des parasites, est comparée à la valeur de tension zéro dans un comparateur et en ce que le signal de sortie UK du comparateur présente une valeur positive constante pour des tensions

Ud inférieures à zéro et la valeur zéro pour des tensions Ud plus grandes que zéro, si bien que pour des valeurs de tension moyennes très supérieures à zéro, c'est-à-dir lors d'une chargedegénérateur, le signal de sortie du comparateur est positif et constant, et que, pour des valeurs moyennes de tension Ud égales à zéro, c'est-àdire au régime de marche à vide, le comparateur commute progressivement, sous l'effet des harmoniques contenues en

Ud , de telle façon que le signal de sortie moyen du comparateur diminue et le comparateur, à nouveau, ne commute plus et son signal de sortie est zéro lorsque les valeurs moyennes- de tension Ud sont très supérieures à zéro, c'est-à-dire dans le cas d'une charge de moteur.