FR2697114A1 - Procédé et dispositif de maintien en fonctionnement d'une machine électrique en cas de perturbations de la tension d'alimentation. - Google Patents

Abstract

Il s'agit d'un procédé et d'un dispositif de maintien en fonctionnement d'un moteur électrique (32) muni d'un onduleur (37), en cas de chute de la tension d'alimentation. L'onduleur -étant commandé en modulation de largeur d'impulsion, on mesure en continu la tension d'alimentation Vd aux bornes d'entrée (40) de l'onduleur, on filtre le signal obtenu par l'intermédiaire d'un filtre passe bas (41), on calcule la valeur moyenne Vdm de la tension et, en cas de chute de ladite valeur moyenne Vdm , on compense ladite chute en conservant sensiblement constant mi x Vdm /ws , où mi est l'indice de modulation de largeur d'impulsion et ws la pulsation statorique du moteur.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MAINTIEN EN FONCTIONNEXENT D'UNE MACHINE ELECTRIQUE EN CAS DE
PERTURBATIONS DE LA TENSION D'ALIMENTATION
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de maintien en fonctionnement d'une machine électrique en cas de perturbations de la tension d'alimentation, et notamment en cas de creux de tension.

Elle trouve une application particulièrement importante bien que non exclusive, dans le domaine des convertisseurs electroniques de fréquence alimentant des moteurs asynchrones.

Les perturbations apparaissant sur le réseau électrique ont souvent des effets néfastes sur certains équipements electriques. C'est notamment le cas pour les convertisseurs de fréquence comme les variateurs de vitesse utilises avec des moteurs asynchrones.

En effet, ce type de convertisseur s'avère particulièrement sensible aux creux de tension et aux coupures brèves.

Un creux de tension est une brusque réduction de la tension, en un point du réseau électrique, suivie de son rétablissement après une courte durée allant d'une demi-période à quelques secondes. Des variations occasionnelles de tension durant moins d'une demi-période sont par contre considérées comme transitoires.

Une coupure brève est la disparition de la tension d'alimentation pendant un temps qui n'excède pas 1 minute. Les coupures brèves peuvent être considérées comme des creux de tension d'amplitude 100 %.

Ces perturbations peuvent occasionner une perte de contrôle du convertisseur, entraînant, le plus souvent, un arrêt total de la machine.

De plus, le retour de la tension normale conduit rarement à un redémarrage automatique des machines. Ces arrêts impromptus peuvent donc être réellement problématiques dans certains cas, pouvant par exemple entraîner l'immobilisation de toute une chaîne de production pendant plusieurs heures, ce qui se traduit alors par des pertes financières importantes.

On a donc cherché à insensibiliser les variateurs de vitesse pour moteur asynchrone vis-àvis de ces perturbations.

On connaît par exemple une solution qui consiste à déconnecter le moteur asynchrone du variateur de vitesse dès qu'une chute de 15% à 20% de la tension d'alimentation est observee.

Une telle solution présente des inconvénients.

Elle revient en effet à assimiler le creux de tension à une coupure totale, ce qui entraîne alors l'apparition de problèmes liés au redémarrage du moteur après coupure.

Un inconvénient majeur rencontré dans ce cas provient du fait que le moteur asynchrone et le variateur de vitesse ne sont plus synchronisés, la commande du variateur de vitesse étant inhibée dès l'apparition d'une perturbation.

Or la présence éventuelle de tensions statoriques résiduelles après la déconnexion interdit en fait le redémarrage automatique du moteur dès la ré-apparition de la tension normale du réseau.

Face à ce problème, trois stratégies ont jusqu'à présent essentiellement pu être développées : a) attendre l'arrêt total du moteur et assurer un redémarrage manuel b) assurer un redémarrage automatique à partir d'une vitesse faible du moteur, après plusieurs centaines de millisecondes à partir de la réapparition de la tension réseau (typiquement de 300 ms à 1 s). Ce retard correspond en effet au temps d'annulation des tensions résiduelles statoriques c) détecter l'état électromagnétique (tensions residuelles) et mécanique (vitesse de rotation) du moteur pour assurer une resynchronisation du variateur sur le moteur en roue libre.

La solution (a) ne fait que protéger le convertisseur en l'arrêtant.

Les solutions (b) et (c), plus connues sous le terme de "reprise au vol", sont insuffisantes pour les faibles et moyennes inerties, où apparaissent de fortes baisses de vitesse.

La presente invention vise à fournir un procédé et un dispositif répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle permet d'insensibiliser un convertisseur de fréquence aux creux de tension sans présenter les inconvénients mentionnés ci-dessus, et ce de façon simple et peu coûteuse.

Afin de mieux situer le problème, il est bon d'examiner en quoi consiste le système de base que constitue un variateur de vitesse et le moteur asynchrone qui lui est attaché.

On sait que, d'une manière générale, un variateur de vitesse comporte de façon connue un redresseur, un etage de filtrage C, L ou LC et un onduleur à interrupteurs à ouverture et à fermeture commandées, qui alimente le moteur asynchrone contrôlé par le variateur.

Le redresseur est par exemple du type contrôlé (à thyristors, à transistors, etc) ou du type non contrôlé (à diodes).

Le variateur peut être à source de tension ou à source de courant, l'onduleur étant par exemple à transistors.

Enfin, le moteur asynchrone peut, quant à lui, être du type à cage d'écureuil ou du type à rotor bobiné.

On a représenté un tel variateur 1 sur la figure 1.

Il comporte un redresseur 2 non commandé, avec filtre LC 3 et un onduleur 4, à source de tension, commandé en Modulation de Largeur d'Impulsion (en initiales MLI) par le système 5.

Le moteur asynchrone 6 est par exemple à cage d'écureuil.

Le filtre LC 3 situé après le redresseur 1 fournit une tension Vd quasi-continue en entrée 7 de l'onduleur, qui fournit au moteur asynchrone 6 des créneaux de tension.

Le principe de base de la MLI est de fournir au moteur 6 une suite d'impulsions 8 de largeur variable, représentative d'un système de tensions triphasees sinusoïdales équilibrées. Les deux paramètres de base sont la pulsation statorique w5 et l'amplitude des tensions contrôlée à partir de l'indice de modulation mi.

On utilisera avantageusement la MLI dite "naturelle" ou en sinus-triangle, illustrée en figure 2.

Les deux paramètres de base utilisés sont introduits dans le système 5, à savoir la pulsation statorique (w5) est introduite en 9 et l'amplitude des tensions (Vc) est introduite en 10.

Dans le cas de la MLI "naturelle", l'indice de modulation mi est défini comme étant le rapport entre l'amplitude des trois ondes sinusoïdales 11, 12 ou 13 (d'amplitudes égales) et l'amplitude de l'onde triangulaire 14 constituant l'onde porteuse, de fréquence élevée, du signal de modulation.

Les commutations des interrupteurs 15 de l'onduleur 4 sont alors déclenchées aux instants d'intersection de l'onde triangulaire 14 haute fréquence avec les trois ondes sinusoïdales de contrôle 11, 12 et 13.

L'indice de modulation est ainsi compris entre 0 et 1.

A titre d'illustration, les courbes 16 et 17 sont représentées. Elles sont déduites des points d'intersection de l'onde triangulaire 14 avec chacune des ondes sinusoïdales 11 et 12. Une courbe identique (non représentée) est également deduite pour l'onde 13.

Lorsque l'onde sinusoïdale est en dehors de l'onde triangulaire, la valeur de tension retenue (VaN ou VbN) est égale à 1, et inversement lorsque l'onde sinusoïdale est située à l'intérieur de l'onde triangulaire, la valeur de la tension (VaN ou
VbN) est égale à 0.

Le moteur asynchrone 6 se comporte donc comme un filtre passe-bas, les séries d'impulsions 8 de tensions hautes fréquences générant (voir courbe 18) des courants quasi sinusoïdaux 19 dans le moteur.

Avec le type de système qui vient d'être décrit, les creux de tension apparaissant sur le réseau peuvent entraîner deux types de perturbations l'apparition de fortes fluctuations de la tension
Vd, qui est alors à l'origine de surintensités importantes, et génère des à-coups dans le fonctionnement du couple moteur. I1 peut en résulter l'arrêt de la machine, voire la destruction de composants du convertisseur ou de la charge entraînee par le moteur une chute du couple moyen, ce qui peut entraîner un décrochement du moteur asynchrone et donc un arrêt total de l'entraînement.

Pour illustrer ces phenomènes, on a représenté sur la figure 3 la courbe caractéristique d'un moteur asynchrone avec en abscisse le couple moteur (en mN) et en ordonnée la vitesse rotorique Wr (en
Rad/s), pour différentes valeurs des paramètres de commande.

En régime normal (alimentation à frequence et tension d'amplitude fixes), la courbe 20 représente le couple moteur, et l'intersection au point 21 avec la courbe 22 du couple de charge, donne un point de fonctionnement stable du système.

La courbe 20 correspond à une tension Vdg, une pulsation statorique W50 et un indice de modulation mis
Pendant un creux de tension, le couple moteur change et décrit la courbe 23 en trait mixte (correspondant à une tension Vd, la pulsation statorique restant égale à W50 et l'indice de modulation égale à mis).

I1 n'existe alors plus aucun point de stabilité et le moteur décroche.

Pour rendre le fonctionnement du moteur asynchrone insensible aux creux de tension, l'invention part de l'idée d'augmenter l'indice de modulation, et s'il y a lieu de réduire la vitesse du moteur.

Le principe de base mis en oeuvre consiste en fait à chercher à se positionner sur la courbe 24 en trait interrompu de la figure 3.

La courbe 24 s'obtient en augmentant l'indice de modulation d'une valeur mi = mi0 à une valeur mi = 1 (courbe 26 en pointillé sur la figure 3), et en reduisant la pulsation statorique d'une valeur w50 à une valeur w51. I1 en résulte un fonctionnement stable (pas de décrochement) au point 25, nouveau point d'intersection entre la courbe 22 et le couple moteur.

Le couple électromagnétique C fourni par le moteur est donné par l'équation suivante
C = 2.(mi/ws)2.GO/(g/go + gO/g) (1) avec mi : indice de modulation
Wr : pulsation rotorique w5 : pulsation statorique
Go = Ko.Vd2 g : glissement imposé par le couple de charge g = (ws-wr)/ws
Vd : tension d'entrée de 1'onduleur Ko étant considéré comme constant et gO proportionnel à un 1/wus.

Le couple maximal Cmax est alors donné par l'équation
Cmax = GO.(mi/ws)2 = Ko.Vd2.(mi/w5)2 (2)
Le contrôle du couple s'effectue en modifiant mi et w5.

La régulation imposant de façon connue mi/ws = Cte, lorsqu'on veut obtenir un couple maximal constant en cas de variations de vitesse et sachant que la tension Vd, amenée à diminuer lors d'un creux de tension, intervient dans la valeur de G,, (lui-même considéré comme constant), les inventeurs ont alors eu l'idée de conserver (mi.Vd/ws) = Cte, pour se positionner sur la courbe 24 de la figure 3.

Dans ce but l'invention propose donc essentiellement un procédé de maintien en fonctionnement d'une machine électrique comprenant un moteur électrique muni d'un variateur de vitesse comportant un onduleur, en cas de chute de la tension d'alimentation, caractérisé en ce que 1'onduleur étant commandé en modulation de largeur d'impulsion, on mesure en continu la tension d'alimentation Vd aux bornes d'entree de l'onduleur, on filtre le signal obtenu par l'intermédiaire d'un filtre passe bas, on calcule la valeur moyenne Vdm de la tension et, en cas de chute de ladite valeur moyenne Vdm, on compense ladite chute en conservant sensiblement constant mi x Vdm / ws, où mi est l'indice de modulation de largeur d'impulsion et w5 la pulsation statorique du moteur.

Dans des modes de réalisation avantageux, on a de plus recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - pour compenser la chute de tension en maintenant constant mi x Vdm / w5, on commence par augmenter la valeur de l'indice de modulation mi jusqu'à 1, puis, s'il y a lieu, on diminue la pulsation statorique w5 - on diminue w5 en respectant les pentes de ralentissement normales du moteur - la chute de tension étant une coupure brève de tension, des la réapparition de la tension d'alimentation Vd mesurée en continu, on mesure les tensions résiduelles statoriques du moteur et, en cas de tensions résiduelles non nulles, on synchronise la modulation de largeur d'impulsion sur l'amplitude et la fréquence de ces tensions, en cas de tensions résiduelles nulles ou sensiblement nulles, on mesure la pulsation rotorique Wr du moteur et on synchronise l'onduleur sur ladite pulsation rotorique Wr ; - pour mesurer la pulsation rotorique Wr du moteur, on injecte au moins une impulsion de tension sur une première phase du stator à partir de l'onduleur, on mesure la tension sur la deuxième phase du stator, la troisième phase servant de tension de référence et on mesure la fréquence de l'onde alternative ainsi générée entre deuxième phase et troisième phase, fréquence qui se trouve être sensiblement égale à la pulsation rotorique Wr - pour mesurer ladite fréquence, on mesure la durée entre les deux premiers passages par zéro de la tension mesurée sur la deuxième phase; - la duree de l'impulsion injectée sur la première phase est comprise entre de l'ordre de 100 ps et de l'ordre de 10 millisecondes;; - la chute de tension etant une coupure brève de tension, on mesure en continu le courant Id aux bornes d'entree de l'onduleur, on filtre le signal obtenu par l'intermédiaire d'un filtre passe bas dont la fréquence de coupure est sensiblement égale ou inférieure à la fréquence de découpage de l'onduleur, pour obtenir une image de la valeur moyenne Idm du courant pendant une période dudit découpage, on calcule la pulsation statorique ws en fonction de Idm en appliquant la formule w5(p) = Hc(p) x (Iref - Idm), avec p: variable de Laplace
Hc: fonction de transfert de la régulation 1ref : courant de référence et on synchronise l'onduleur sur ladite pulsation statorique w5 sensiblement égale à la pulsation statorique Wr - la régulation comporte une action intégrale.

L'invention propose également un dispositif de maintien en fonctionnement d'une machine électrique comprenant un moteur électrique muni d'un variateur de vitesse comportant un onduleur et des moyens de commande de l'onduleur en modulation de largeur d'impulsion, en cas de chute de la tension d'alimentation, caractérisé en ce que le dispositif comporte des moyens de mesure en continu de la tension d'alimentation Vd aux bornes d'entree de 1'onduleur, un filtre passe bas de filtrage du signal obtenu propre à fournir la valeur moyenne Vdm de la tension et des moyens agencés pour compenser une chute de ladite valeur moyenne Vdm, en agissant sur l'indice de modulation mi de largeur d'impulsion et sur la pulsation statorique w5 du moteur, pour conserver sensiblement constant mi x Vdm / ws.

Avantageusement le dispositif comporte de plus des moyens de mesure des tensions résiduelles statoriques du moteur, des moyens de synchronisation de la modulation de largeur d'impulsion sur l'amplitude et la fréquence des tensions, en cas de tensions résiduelles non nulles, des moyens de mesure de la pulsation rotorique Wr du moteur,et des moyens de synchronisation de l'onduleur sur ladite pulsation rotorique Wr en cas de tensions résiduelles nulles ou sensiblement nulles.

Dans un autre mode de réalisation avantageux, le dispositif comporte de plus des moyens de mesure en continu du courant Id aux bornes d'entrée de l'onduleur, un filtre passe bas du signal obtenu, dont la fréquence de coupure est inférieure à la fréquence de découpage de l'onduleur, agencé pour obtenir une image de la valeur moyenne Idm du courant pendant une période dudit découpage, des moyens de régulation dudit courant, des moyens de calcul de la pulsation de synchronisation statorique w5 en fonction de Idm en appliquant la formule w5(p) = Hc(p) x (Iref - Idm), avec p: variable de Laplace
Hc: fonction de transfert de la régulation 1ref : courant de référence et des moyens de synchronisation de l'onduleur sur ladite pulsation de synchronisation rotorique Wsyn.

Avantageusement les moyens de régulation comportent une action intégrale.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs.

En plus des figures d'ores et déjà décrites, à savoir - la figure 1 qui représente un système de base connu comprenant un variateur de vitesse et le moteur asynchrone auquel va pouvoir s'appliquer l'invention ; - la figure 2 illustrant le principe de la MLI en sinus-triangle ; et - la figure 3 illustrant les phénomènes mis en jeu et l'idée de l'invention, la description se réfère également aux autres dessins qui l'accompagnent dans lesquels - la figure 4 montre schématiquement un dispositif d'insensibilisation aux creux de tension selon un mode particulier de réalisation de l'invention - la figure 5 donne les étapes du procédé de compensation mis en oeuvre avec le dispositif de la figure 4 - les figures 6A et 6B illustrent à titre d'exemple le comportement d'un moteur asynchrone sujet à une perturbation de tension avec un variateur classique (figure 6A), et avec un dispositif selon l'invention (figure 6B) - la figure 7 montre schématiquement une partie d'un dispositif utilisable en cas de coupure de courant selon un mode de réalisation de l'invention, propre à mesurer la vitesse rotorique - la figure 8 illustre la mesure de la vitesse avec le dispositif de la figure 7 - la figure 9 donne les caractéristiques couple moteur/courant (aux bornes de l'onduleur)/pulsation rotorique, du système dans le cas général - la figure 10 est un schéma équivalent du maintien du synchronisme selon un mode de réalisation du procédé de l'invention, en cas de coupure de tension - les figures 11A, lîB et lic montrent les courbes de redémarrage d'un moteur après coupure, avec maintien du synchronisme selon le procédé de l'invention auquel il est fait référence dans la figure 9 (figures 11A et llB), la figure lic montrant ce qui se passe avec une commande normale en cas de coupure de tension.

- la figure 12 est un schéma complet d'un dispositif selon le mode de réalisation de l'invention mettant en oeuvre les procédés décrits en référence aux figures 5 et 7 - la figure 13 est un schéma complet d'un dispositif selon un autre mode de réalisation de l'invention mettant en oeuvre le procédé ou le dispositif décrits en référence aux figures 5 et 10.

La figure 4 montre schématiquement un dispositif 30 d'insensibilisation aux creux de tension provenant d'un réseau 31, d'un moteur asynchrone 32 connecté à une charge 33, la vitesse ou pulsation rotorique moyenne du moteur etant schématiquement indiquée par la flèche 34.

Le dispositif comprend des moyens redresseurs 35, un filtre LC 36, un onduleur 37 et un circuit de commande de modulation en largeur d'impulsion 38.

Le circuit 38 est constitué par un microcontrôleur par exemple fabriqué par la societe américaine INTEL sous la référence 80 C 196 programmé en conséquence, ou par un circuit analogique de type connu.

Le dispositif 30 comprend de plus des moyens 39 de mesure en continu de la tension Vd aux bornes de l'onduleur, à l'entrée 40 de celui-ci.

I1 comporte également un filtre passe-bas 41 de filtration du signal obtenu en 40, qui permet d'obtenir en 42 une valeur moyenne Vdm de la tension aux bornes de l'onduleur.

Le dispositif comporte de plus des moyens 43 agencés pour compenser une chute de la valeur moyenne Vdm en agissant sur l'indice de modulation mi injecte en 44 dans le circuit 38 et/ou sur la vitesse statorique du moteur ws injecté en 45 dans ledit circuit.

Plus précisément, les moyens 43 comprennent un circuit multiplicateur 46 de la tension initiale Vdo, injectée en 47 dans le circuit 46, par l'indice de modulation mi0 injecté en 48.

La valeur mi0 x Vdg obtenue est ensuite transmise à une borne d'entrée du circuit diviseur 49 dans lequel est également injectée la tension
Vdm, afin d'obtenir une valeur mi = mi0 x Vdo/Vdm.

Cette valeur mi est limitée à la valeur 1, de par le fonctionnement intrinsèque du système. Cette limitation naturelle est représentée par le bloc 50 (cf. courbe 26 en pointillés sur la figure 3).

La pulsation ou vitesse statorique w5 introduite en 45 dans le circuit de commande MLI 38 est, quant à elle, régulée à partir de la valeur mi obtenue en 51, qui attaque le circuit multiplicateur 52 simultanément avec le signal 42 provenant du filtre passe-bas, donnant la valeur moyenne Vdm de la tension.

Le signal obtenu est divisé dans le circuit diviseur 53 par la valeur mi0 x Vdg provenant du circuit 46 qui est introduit en 54 dans ledit circuit 53.

Le signal obtenu est ensuite multiplie par la vitesse statorique initiale wsO introduit en 55, dans le circuit multiplicateur 56, dont la sortie donne la vitesse statorique 45, servant à la régulation via le circuit 38.

Sur la figure 5 on a représente schématiquement les étapes du procédé utilisé avec le dispositif de la figure 4.

I1 est notamment possible d'utiliser un microprocesseur programmé selon un tel algorithme numérique qui a le même effet que les circuits décrits en référence à la figure 4.

La tension moyenne Vd qui est introduite en 60 est détectee en 61.

Elle est filtre en 62 puis numérisée en 63, et traitée en 64, pour calculer la valeur mi selon la formule mi = mio mi0.Vd0/Vdm
Un test est effectué en 65 sur la valeur de mi.

Si mi < 1, on sort en 66, la valeur de mi étant alors transmise au système 38. Dans le cas contraire, mi est pris égal à 1 (bloc 67) et la pulsation statorique est calculée en 68, avant d'être injectée en 38 pour la régulation.

La pulsation statorique w5 est calculée selon la formule

On a représente sur les figures 6A et 6B les comportements du système comprenant un moteur asynchrone et son variateur de vitesse, lors d'un creux de tension de 60% durant 500 millisecondes.

Le système comprend un variateur classique dans le cas de la figure 6A et un variateur muni de la commande de compensation de creux selon l'invention dans le cas de la figure 6B.

Le courant statorique est donnée par la courbe en trait interrompu 70 sur la figure 6A et 75 sur la figure 6B ; la tension Vd figure quant à elle en trait mixte 76 sur la figure 6A, et 81 sur la figure 6B.

Cette tension correspond à un creux triphasé de 60%, d'une durée de 500 millisecondes.

Enfin, on a représenté sur chacune des figures, respectivement en 77 et en 82, la vitesse ou pulsation rotorique du moteur wr.

Les unités retenues dans l'exemple correspondant aux figures 6A et 6B sont l'Ampère pour le courant, le Volt pour la tension et le rad/s pour la pulsation rotorique.

On observe sur les deux figures qu'il y a un pic (73 ou 78) de courant statorique lorsque la tension chute brusquement.

Sur la figure 6A, qui ne comporte donc pas le dispositif d'insensibilisation selon l'invention, le courant statorique reste sensiblement constant pendant toute la durée du creux de tension. Dès que la tension revient et que la vitesse rotorique 73 remonte, de nombreuses perturbations et surintensites 74 de courant sont observées, préjudiciables au variateur.

Par contre dans le cas de la figure 6B correspondant à un système comportant le dispositif d'insensibilisation selon l'invention, les surintensités 79 du courant statorique sont minimisées en amplitude voire supprimées.

De plus la vitesse rotorique 72 (figure 6A) est quasiment nulle en fin de creux. Alors que la vitesse rotorique 77 (figure 6B) est maintenue à 40% de la valeur nominale.

On va maintenant considérer le cas des creux de tension atteignant 100%, c' c'est-à-dire des coupures brèves de tension.

Sur la figure 7 on a représenté une partie d'un dispositif 80 selon un mode de réalisation de l'invention propre à insensibiliser le variateur aux coupures brèves de tension.

Le dispositif comporte des moyens de mesure 81 de la pulsation rotorique du moteur 82 agissant sur une charge 82' et des moyens de synchronisation 83 de l'onduleur 84 sur ladite pulsation rotorique wr, en cas de mesure de tension nulle ou sensiblement nulle.

Dans ce mode de réalisation les moyens de synchronisation 83 comportent un générateur 85 d'impulsions de tension envoyées sur la première phase du stator à partir de l'onduleur 84 dès la réapparition de la tension réseau après coupure.

Les moyens 83 comprennent également des moyens 86 de lecture de la tension via une haute impédance 87, prise sur une deuxième phase 88 du stator, considérée comme une sortie.

La troisième phase 89 sert de tension de référence.

L'ordre des phases n'a pas d'importance. La détection du signe de la première alternance de la tension Vs détermine par ailleurs le sens de rotation du moteur.

Le moteur est considéré comme un quadripôle passif constitué de deux systèmes d'enroulement triphasé dont un tournant à la pulsation Wr par rapport à l'autre qui est fixe.

Une onde alternative de pulsation, indiquée en trait interrompu 90 sur la figure 8, apparaît en sortie entre les deuxième et troisième phases.

Sa fréquence est sensiblement égale à celle de la pulsation rotorique (au nombre de paires de pôles près).

L'impulsion injectee en entrée par le circuit 85 est suffisamment courte pour ne pas générer un courant statorique trop important, tout en durant suffisamment longtemps pour que la tension alternative apparaissant sur la deuxième phase puisse être detectable.

On peut se limiter à une seule impulsion ou émettre une série de plusieurs impulsions (positives ou négatives), eventuellement synchronisées avec la tension de sortie au niveau de la deuxième phase du stator.

La durée des impulsions peut correspondre avantageusement à la période de découpage du système.

Dans le cas où le courant d'entrée 1e est nul lors de la lecture, la pulsation des ondes de sortie est égale à la pulsation rotorique.

On a ainsi représenté sur la figure 8 une courbe de simulation numérique. La tension Vs (en
Volt) au niveau du stator (courbe en trait interrompu 90), et le courant d'entrée 1e (en
Ampère) (courbe 91) sont donnés en fonction du temps (s).

I1 s'agit là de résultats obtenus avec un convertisseur de 10 KW.

Pour obtenir la valeur wr, en se référant à nouveau à la figure 7, on utilise par exemple une technique connue de mesure d'une fréquence ou de la période d'une onde alternative, comme celle consistant à mesurer la durée entre les deux premiers passages 92 et 93 par zéro de l'onde de sortie, respectivement en 94 et 95.

Par l'intermédiaire d'un compteur 96 attaqué par une horloge en 97, on acquiert ensuite la demipériode en 98, la pulsation rotorique Wr étant ensuite calculée en 99 par la formule
211
W = ~~~ (5)
T
Sur la figure 9 on a représenté deux courbes 100 et 101 qui permettent d'expliquer le maintien du synchronisme de l'onduleur 4 avec la machine asynchrone 6.

La courbe 100 donne le couple (en m.N) et la courbe 101 le courant (en A) rentrant dans l'onduleur, en fonction de la vitesse ou pulsation rotorique wr (en rad/s).

L'idee des inventeurs, dans le cadre de ce mode de réalisation particulier, part des observations suivantes
Le fonctionnement en moteur du système est obtenu pour un glissement g > 0, et le fonctionnement en générateur est obtenu pour g < 0.

Pour g=0, le couple moteur est nul et la seule énergie absorbée par la machine est alors celle dissipée par effet Joule.

ku moment d'une coupure, l'énergie disponible est d'une part celle emmagasinée dans le condensateur sous forme électrique, et d'autre part celle emmagasinée dans la machine sous forme magnétique.

Pour réguler le système en cas de coupures, les inventeurs ont donc eu l'idée de réguler le dispositif autour d'un courant Id continu sensiblement nul, pour obtenir un glissement g proche de 0.

La machine ne délivrant alors aucun couple, la puissance à fournir est très faible. L'énergie emmagasinée dans le système est alors gérée pour être conservée le plus longtemps possible, et ce afin d'obtenir une diminution lente de la tension Vd à l'entrée de 1'onduleur. Ainsi, la synchronisation entre le moteur et l'onduleur est maintenue, un redémarrage immédiat et automatique s'effectuant dès la reapparition de la tension d'alimentation du réseau.

Le principe mis en oeuvre consiste à calculer la pulsation statorique w5 en fonction de l'intensité de courant par la formule
ws(p) = Hc(p) x E1ref - Idm] avec p : variable de Laplace
Hc : fonction de transfert de la régulation
Iref : courant de référence
La fonction de transfert peut être assurée par un circuit analogique ou un algorithme numérique fonctionnant sur un calculateur.

Pour assurer une bonne précision de la régulation avec une intensité à l'entrée de l'onduleur égale à l'intensité moyenne de référence, on peut également prévoir que la fonction de transfert comporte une action intégrale.

Les performances dynamiques et la stabilité sont encore améliorées en intégrant un compensateur dans la fonction de transfert.

Suivant la valeur du courant de référence Irez, le transfert d'énergie se fait du condensateur vers la machine (g > 0) ou de la machine vers le condensateur (g < 0).

On a représenté sur la figure 10 à titre d'exemple un asservissement automatique pour convertisseur, avec une intensité de référence Iref égale à zéro, selon le mode de réalisation de l'invention décrit ci-avant.

Une commande numérique y est utilisée, avec un correcteur Proportionnel Intégral (PI en initiales) de type connu.

Les paramètres Go et to sont les paramètres de règlage du correcteur qui dépendent des paramètres du système constitué par le convertisseur et la machine asynchrone considéré.

Le courant de référence Iref = 0 est introduit en 102. La fonction de transfert (bloc 103) est par exemple du type
1 + t0 . P Hc(p) = Go x -----------
P
La pulsation de synchronisation Wsyn obtenue en 104 est injectée dans le système onduleur/machine asynchrone 105. Un filtre 106 est prévu pour filtrer la valeur de l'intensité Id mesuree en sortie 107 du sytème.

Les figures 11A et llB donnent les courbes de redémarrage d'un moteur après coupure de 450 millisecondes avec maintien de synchronisme selon le mode de l'invention décrit plus particulièrement ci-avant, en référence aux figures 9 et 10.

La figure llC représente, quant à elle, la situation avec un système sans maintien de synchronisme.

Plus précisément, la figure 11A donne - la courbe 110 (en trait mixte) représentative de la tension Vd à l'entrée de l'onduleur - la courbe 111 représentative de la vitesse de synchronisation ws (en trait pointillé) - la courbe 112 représentative de la vitesse rotorique (en trait continu) - et la courbe 113 représentative de l'intensité du courant statorique (en trait interrompu).

La figure llB donne quant à elle - la courbe 114 représentative du courant Id (en trait pointillé) - la courbe 115 représentative de la fréquence Fr (Fréquence rotorique) (en trait interrompu) - et la courbe 116 representative de la fréguence Fs (Fréquence de synchronisation) (en trait continu).

Dans l'exemple numérique considéré sur les figures, le couple de charge du moteur est égal à k.wr2 (m.N) avec k = 7,5 e-4, le moment d'inertie étant J = 0.02Kg.m2
Les unités sont respectivement le Volt, l'Ampère le Hertz et le Rad/s, le temps étant donné en secondes.

Au vu des figures 11A et llB, il apparaît un maintien du synchronisme pendant une période pouvant atteindre une seconde, à puissance nominale, pour un couple de charge variant comme le carré de la vitesse.

La figure llC donne la tension Vd (courbe 117 en trait interrompu) et la vitesse ou pulsation rotorique Wr (courbe 118 en trait plein) en fonction du temps en seconde, avec une commande classique.

On constate, par contre, qu'avec une telle commande le maintien du synchronisme ne peut dépasser 50 millisecondes.

On a représenté sur la figure 12 un dispositif de maintien en fonctionnement 200 d'une machine électrique 201 comprenant un moteur 202 actionnant une charge 203, muni d'un variateur 204 de vitesse.

Le variateur comporte un redresseur 205, alimenté en 206 par le reseau triphasé, un filtre L
C 207, connu en lui-même et un onduleur 208.

Le dispositif comporte des moyens 209 de commande de l'onduleur en modulation de largeur d'impulsion.

Ces moyens de commande de l'onduleur sont connectés à des moyens de commande d'insensibilisation comportant d'une part des moyens 210 de commande d'insensibilisation en cas de creux de tension, et d'autre part des moyens 211 de commande d'insensibilisation en cas de coupure de tension.

Les moyens de commande d'insensibilisation 210 en cas de creux de tension comportent des moyens 212 de mesure en continu de la tension Vd aux bornes 213 du bus de l'onduleur.

Ces moyens sont connectés à un filtre passe-bas 214 de façon à obtenir la valeur moyenne Vdm de la tension aux bornes de l'onduleur.

Cette valeur est comparée en 215 à une valeur de référence Vdg - DVdo (avec DVdo : chute de tension prealablement déterminée).

On considère qu'il n'y a pas de perturbation si
Vd > Vdo - DVdo-
Dans ce cas, la commande normale 216 de la modulation de largeur d'impulsion 209 est activée.

Par contre, dans le cas ou la valeur moyenne de la tension est inférieure à cette première valeur seuil, les circuits 210 ou 211 sont activés.

Pour déterminer lequel des deux circuits est concerné, un test est effectué en 217.

La tension Vdm est comparée à une tension critique Vdc. Si Vd est supérieur à VdC, on considère qu'il y a creux de tension, et c'est le circuit 210 qui est activé.

Celui-ci comporte un circuit 218 du type décrit ci-avant en reference à la figure 4, et éventuellement un circuit 219 complementaire repassant la main à la commande normale 216 si Vd > Vdg - DVd0.

En cas de coupure de tension, c'est-à-dire pour
Vd < VdC, c'est le circuit 211 qui est activé.

Dans la théorie, une coupure de tension correspond à Vd = 0, Vd > 0 étant représentatif d'un creux de tension.

Mais dans la pratique, une tension Vd inférieure à la tension critique VdC sera considérée comme une coupure.

Inversement, si Vd est supérieur à Vdc, on considèrera qu'il y a un creux de tension.

Le circuit 211 comprend tout d'abord un test du type : (Vd > Vd - DVdo ?] permettant d'attendre le retour de la tension.

Lorsque la tension devient supérieure au seuil, on attaque via le chemin 222 un dispositif 223 de détection des amplitudes des tensions statoriques résiduelles Vs.

Un test est alors effectué en 224. Si les tensions sont supérieures à une valeur critique Vsc, on synchronise (bloc 225) sur les tensions résiduelles, comme cela a été décrit ci-avant, de façon à redémarrer le moteur 202 via le circuit de commande MLI 209.

Pour ce faire, on régule sur mi en 226, puis sur la pulsation statorique w5 en 227, correspondant à la pulsation des tensions statoriques résiduelles mesurees.

Par contre dans le cas ou les tensions statoriques Vs sont inférieures à la valeur critique
Vsc, on génère des impulsions pour commander le circuit de commande MLI 209 via le circuit 228 de génération d'impulsion comme décrit en référence à la figure 7.

L'identification de la vitesse est par exemple réalisée en 229, sur la deuxième phase du moteur asynchrone.

On a représenté sur la figure 13 un autre mode de réalisation du dispositif 300 selon l'invention.

Le dispositif permet d'insensibiliser un moteur asynchrone 301 attaquant une charge 302 par rapport aux creux de tension d'une part et aux coupures de tension d'autre part.

Le moteur est muni d'un variateur de vitesse 303 comportant un redresseur 304 alimenté en 305 par le tension du réseau sujette à fluctuations.

Le système comprend un filtre LC 306 et un onduleur 307 muni de moyens 308 de commande de l'onduleur en modulation de largeur d'impulsion (MLI).

Le dispositif comporte un filtre passe-bas 309 attaqué par la tension 310 mesurée aux bornes de l'onduleur 307.

Le signal filtre attaque ensuite un circuit 310 de comparaison de la valeur moyenne de la tension, obtenue à la sortie du filtre passe-bas avec une valeur seuil Vdg - DVdo comme décrit ci-avant en référence à la figure 12.

Dans le cas où Vd > Vdg - Dodo, le circuit de commande normal 311 de la vitesse de synchronisation est activé et attaque les moyens de commande MLI 308.

Par contre, si Vd < Vdg - DVdo, ce sont les moyens de mesure et d'insensibilisation de 1'onduleur et de la machine asynchrone en cas de coupure et de creux, qui sont activés.

Autrement dit, dès qu'une chute de tension supérieure à DVdo est enregistrée sur Vd, la commande principale ou normale est inhibée et la commande d'insensibilisation prend la main.

La valeur DVdo est par exemple égale à 10% de la valeur Vd nominale.

Dans le cas, donc, où le test effectué en 310 est positif, la mesure de la valeur moyenne est ensuite comparée avec une valeur critique VdC en 312.

La tension Vdc peut par exemple être choisie entre 0 et 90% de la valeur Vd nominale.

Si Vd < VdC, le test : Vd > VdO - DVdo ? est effectué en 313.

Si la reponse est positive, ceci correspond au retour de la tension, auquel cas la main est repassée à la commande normale.

Le moteur est alors réaccéleré jusqu'à la vitesse normale de fonctionnement et ce en respectant les pentes d'accélération normale du moteur.

Si la réponse est négative, les moyens 314 de maintien du synchronisme selon l'invention sont actionnées pour commander le système de commande de modulation en largeur d'impulsion 308, comme décrit en référence aux figures 9 et 10.

Notamment, l'intensité Id du courant mesurée en 315 aux bornes de l'onduleur, est filtrée en 316, et attaque ensuite le circuit 314 pour effectuer l'insensibilisation, comme décrit ci-avant.

Dans le cas où Vd est supérieur à la valeur critique Vdc, la valeur moyenne est par contre injectée dans les moyens 317 de compensation des creux et des fluctuations de Vd de façon maintenant suffisamment détaillée (notamment en référence à la figure 4).

Le dispositif selon les modes de réalisation de l'invention qui ont été décrits ci-avant, peut être constitue par des moyens électroniques discrets ou par un circuit micro-contrôleur, par exemple un microprocesseur de la société américaine INTEL connu sous la référence 80 C 196, programmé en conséquence.

Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs de ce qui précède, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation plus particulièrement décrits. Elle en concerne au contraire toutes les variantes et notamment celles où - le système de modulation de largeur d'impulsion (MLI) est différent de celui plus particulièrement décrit ici; - la fonction de transfert de la régulation est differente de celle décrite ci-avant, étant entendu qu'elle est plus généralement définie comme etant agencée pour améliorer la stabilité du système de façon connue en elle même pour l'homme du métier.

Celle-ci peut-être notamment un circuit dit circuit correcteur proportionnel simple, ou un correcteur proportionnel intégral (PI en initiales) ou proportionnel, intégral et dérivé (PID en initiales)

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Procédé de maintien en fonctionnement d'une machine électrique comprenant un moteur électrique (32,82,202,301) muni d'un variateur de vitesse comportant un onduleur (37,84,208,307), en cas de chute de la tension d'alimentation, caractérisé en ce que l'onduleur étant commandé en modulation de largeur d'impulsion, on mesure en continu la tension d'alimentation Vd aux bornes d'entrée (40,213,310) de l'onduleur, on filtre le signal obtenu par l'intermédiaire d'un filtre passe bas (41,214,309), on calcule la valeur moyenne Vdm de la tension et, en cas de chute de ladite valeur moyenne Vdm, on compense ladite chute en conservant sensiblement constant mi x Vdw5, où mi est l'indice de modulation de largeur d'impulsion et w5 la pulsation statorique du moteur.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour compenser ladite chute de tension et en maintenant constant mi x Vdw5, on commence par augmenter la valeur de l'indice de modulation mi jusqu'à 1, puis, s'il y a lieu, on diminue la pulsation statorique ws.

3. Procéde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que on diminue w5 en respectant les pentes de ralentissement normales du moteur.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précedentes, caractérisé en ce que, la chute de tension étant une coupure brève de tension, dés la réapparition de la tension d'alimentation Vd mesurée en continu, on mesure les tensions résiduelles statoriques du moteur et, en cas de tensions résiduelles non nulles, on synchronise la modulation de largeur d'impulsion sur l'amplitude et la fréquence de ces tensions, de façon connue, en cas de tensions résiduelles nulles ou sensiblement nulles, on mesure la pulsation rotorique Wr du moteur et on synchronise 1'onduleur sur ladite pulsation rotorique Wr

5.Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, pour mesurer la pulsation rotorique Wr du moteur, on injecte au moins une impulsion de tension sur une première phase du stator à partir de I'onduleur, on mesure la tension sur la deuxième phase du stator, la troisième phase servant de tension de référence et, on mesure la fréquence de l'onde alternative ainsi générée entre deuxième phase et troisième phase, fréquence qui se trouve être sensiblement égale à la pulsation rotorique wr.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que pour mesurer ladite fréquence, on mesure la durée entre les deux premiers passages par zéro de la tension mesuree sur la deuxième phase.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la durée de l'impulsion injectée sur la première phase est comprise entre de l'ordre de 100 ps et de l'ordre de 10 millisecondes.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, la chute de tension étant une coupure brève de tension, on mesure en continu le courant Id aux bornes d'entrée (315) de l'onduleur (307), on filtre le signal obtenu par l'intermédiaire d'un filtre passe bas (316) dont la fréquence de coupure est inférieure à la fréquence de découpage de l'onduleur, pour obtenir une image de la valeur moyenne Idm du courant pendant une période dudit découpage, on calcule la pulsation de synchronisation statorique ws en fonction de Idm en appliquant la formule ws(p) = Hc(p) x Eref - 1dm), avec p: variable de Laplace

Hc: fonction de transfert de la régulation Irez: courant de référence et on synchronise l'onduleur sur ladite pulsation de synchronisation statorique ws.

9. Procédé selon la revendication 8, caracterise en ce que la régulation comporte une action intégrale.

10. Dispositif de maintien en fonctionnement d'une machine électrique comprenant un moteur électrique (32,82,202,301) muni d'un variateur de vitesse comportant un onduleur (37,84,208,307) et des moyens de commande de l'onduleur en modulation de largeur d'impulsion, en cas de chute de la tension d'alimentation, caractérisé en ce que le dispositif comporte des moyens (39,212) de mesure en continu de la tension d'alimentation Vd aux bornes d'entrée de l'onduleur, un filtre passe bas (41,214,309) de filtrage du signal obtenu, pour obtenir la valeur moyenne Vdm de la tension et, des moyens (43,210,317) agencés pour compenser une chute de ladite valeur moyenne Vdm, en agissant sur l'indice de modulation mi de largeur d'impulsion et sur la pulsation statorique w5 du moteur, pour conserver sensiblement constant mi x Vdm / Ws.

11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que il comporte de plus des moyens (86,223) de mesure des tensions résiduelles statoriques du moteur, des moyens (225) de synchronisation de la modulation de largeur d'impulsion sur l'amplitude et la fréquence des tensions, en cas de tensions résiduelles non nulles, des moyens (83,229) de mesure de la pulsation rotorique wr du moteur, et des moyens (83,227) de synchronisation de l'onduleur sur ladite pulsation rotorique Wr en cas de tensions résiduelles nulles ou sensiblement nulles.

12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que il comporte de plus des moyens de mesure en continu du courant Id aux bornes (315) d'entrée de l'onduleur (307), un filtre passe-bas (316) du signal obtenu, dont la fréquence de coupure est inferieure à la fréquence de découpage de 1'onduleur, agencé pour obtenir une image de la valeur moyenne Idm du courant pendant une période dudit découpage, des moyens (314) de régulation dudit courant, des moyens de calcul de la pulsation de synchronisation statorique w5 en fonction de Idm en appliquant la formule ws(p) = Hc(p) x (Iref - Idm), avec p: variable de Laplace

Hc: fonction de transfert de la régulation 1ref : courant de référence et des moyens (314) de synchronisation de l'onduleur sur ladite pulsation de synchronisation rotorique Wsyn.

13. Dispositif selon la revendication 12, caractérise en ce que les moyens de régulation comportent une action intégrale.