FR2747522A1 - Procede et dispositif d'alimentation d'un moteur a courant continu - Google Patents

Abstract

Le secteur technique de l'invention est le domaine de la fabrication de dispositifs d'alimentation de moteurs à courant continu. La présente invention a pour objet un procédé et dispositif pour alimenter un moteur à courant continu, à partir de batteries ou accumulateurs, qui permet de récupérer et d'emmagasiner de l'énergie électrique. Le dispositif suivant l'invention, d'alimentation d'un moteur (1) à courant continu par une première batterie (2) à l'aide d'un hacheur série, comporte un premier commutateur statique (10), dont la conduction est commandée par un premier signal (21) périodique, qui comporte en outre une deuxième batterie (3), un deuxième commutateur statique (11) qui est placé dans l'une des branches (18, 19) reliant le moteur à ladite deuxième batterie, et dont la conduction est commandée par un deuxième signal périodique (22), un générateur (23) délivrant lesdits premier et deuxième signaux (21, 22) de commande, de manière synchrone et décalée, la fréquence desdits premier et deuxième signaux étant variable.

Description

Procédé et dispositif d'alimentation d'un moteur à courant continu.

La présente invention a pour objet un procédé et dispositif pour alimenter un moteur à courant continu, à partir de batteries ou accumulateurs, qui permet de récupérer et d'emmagasiner de l'énergie électrique.

Le secteur technique de l'invention est le domaine de la fabrication de dispositifs d'alimentation de moteurs à courant continu.

L'invention s'applique notamment à l'alimentation de moteurs à courant continu équipant des véhicules automobiles à traction électrique pour le transport de passagers tels que des voitures particulières.

Il est connu par la demande de brevet NO FR 2.510.322 (Société
CEM), d'alimenter un moteur à courant continu à excitation série par un hacheur à conduction continue contrôlée.

Le dispositif d'alimentation du moteur à courant continu décrit dans ce document, comporte un système de shuntage à thyristor, commandé par un hacheur et raccordé en série avec le moteur dans le circuit d'alimentation de celui-ci par une batterie.

L'objet de la présente invention est de procurer des procédés et dispositifs améliorés d'alimentation de moteurs à courant continu à partir de batteries.

La solution au problème posé consiste à procurer un dispositif d'alimentation d'un moteur à courant continu par une première batterie ou accumulateur, à l'aide d'un hacheur série, c'est-à-dire d'un dispositif de commutation raccordé en série avec le moteur, comportant un premier commutateur statique, dont la conduction est commandée par un premier signal périodique (de préférence impulsionnel), qui comporte en outre
- une deuxième batterie dite de récupération branchée en parallèle avec ladite première batterie et ledit moteur, c'est-à-dire dont un premier pôle (positif) est raccordé par une branche à une borne du moteur, qui est elle-même raccordée par une branche à un premier pôle positif de ladite première batterie, un deuxième pôle négatif de ladite deuxième batterie étant raccordé par une branche à une borne dudit moteur, qui est elle-même raccordée par une branche à un deuxième pôle négatif de ladite première batterie,
- un deuxième commutateur statique qui est placé dans l'une des branches reliant le moteur à ladite deuxième batterie, et dont la conduction est commandée par un deuxième signal périodique (de préférence impulsionnel),
- un générateur délivrant lesdits premier et deuxième signaux de commande, de manière synchrone et décalée, la fréquence desdits premier et deuxième signaux variant en fonction du réglage ou de la position d'un organe de consigne (d'accélération ou décélération) délivrant un signal de consigne.

Selon des modes préférentiels de réalisation de I'invention 1 invention
- lesdits premier et deuxième commutateur statique sont essentiellement constitués par un ou plusieurs transistors ou thyristors, lequel moteur est dénué de diodes de roue libre
- ledit générateur des signaux de commande de commutation, comporte un coupleur optoélectronique
- ledit générateur comporte un circuit de type multivibrateur monostable émettant un signal rectangulaire de fréquence variable en fonction de la position d'un organe de réglage de consignes d'accélération ou de décélération du moteur
- ledit générateur comporte des moyens tels qu'un circuit de type
Flip Flop de dédoublement du signal délivré par un multivibrateur monostable en deux signaux identiques, et comporte des moyens de déphasage desdits signaux identiques
- ledit dispositif comporte des moyens pour inhiber ou interdire la conduction dudit deuxième commutateur statique lors du démarrage du moteur, c'est-à-dire jusqu'à ce que le moteur ait atteint une vitesse prédéterminée.

La solution au problème posé consiste également à procurer des véhicules automobiles à traction électrique, comportant un moteur à courant continu, une première batterie d'alimentation du moteur à courant continu, une deuxième batterie de récupération et un dispositif d'alimentation selon l'invention.

La solution au problème posé consiste également à utiliser un procédé d'alimentation d'un moteur électrique à courant continu par un hacheur série, dont la conduction est commandée par un premier signal périodique de commande (de préférence impulsionnel), dans lequel, dans chaque période de coupure ou intervalle de coupure du hacheur, c'est-àdire pour chaque intervalle de temps dans lequel le commutateur statique du hacheur n'est pas conducteur, c'est-à-dire est ouvert ou non passant, on raccorde les bornes du moteur à une deuxième batterie de récupération d'énergie, qui est branchée et en parallèle sur le moteur, en commandant la conduction d'un deuxième commutateur statique.

Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, dans un procédé d'alimentation d'un moteur à courant continu par une première batterie, on récupère de l'énergie électrique qui est utilisée pour la charge d'une deuxième batterie dite de récupération, qui est raccordée en parallèle avec ladite première batterie et avec le moteur, dans lequel le moteur est alimenté par la première batterie, par l'intermédiaire d'un premier commutateur statique branché en série entre la première batterie et le moteur et dans lequel un deuxième commutateur statique est branché en série entre la deuxième batterie et le moteur, et dans lequel
- on génère par un générateur deux signaux de commande périodiques, de préférence impulsionnels, par exemple de forme rectangulaire, synchrones (de même fréquence) et suffisamment déphasés pour ne pas se chevaucher, c'est-à-dire tels qu'un temps mort soit respecté ou maintenu entre deux impulsions respectives desdits signaux (c'est-à-dire entre deux intervalles de conduction respective desdits premier et deuxième commutateurs statiques),
- on applique ledit premier signal de commande (d'alimentation) audit premier commutateur statique (d'alimentation),
- on applique, par exemple après une temporisation armée lors du démarrage du moteur, c'est-à-dire après que le moteur ait atteint une vitesse prédéterminée, le deuxième signal de commande de récupération au deuxième commutateur statique de récupération,
- on diminue la fréquence des deux signaux de commande pour accélérer le moteur et on augmente la fréquence des deux signaux de commande pour décélérer le moteur,
- on diminue la durée des impulsions du premier signal de commande (d'alimentation), c'est-à-dire on diminue la durée des temps de conduction dudit premier commutateur statique, pour diminuer la vitesse du moteur, et inversement on augmente ladite durée pour accélérer le moteur.

De préférence, la fréquence desdits premier et deuxième signaux de commande est inférieure à 20 000 Hz, de préférence inférieure ou égale à 5 000 Hz, par exemple de l'ordre de 100 à 1 500 Hz, et dans lequel on maintient entre deux impulsions respectives desdits premier et deuxième signaux de commande, un temps de non conduction des deux commutateurs statiques (ou temps mort) qui est de l'ordre de un tiers à un centième de la période commune aux deux signaux de commande, par exemple voisine de un cinquième à un dixième de ladite période.

Le procédé et le dispositif suivant l'invention permettent de récupérer dans une deuxième batterie dite de récupération, de l'énergie électrique qui à défaut, serait dissipée dans le moteur et les circuits électriques, sous forme thermique par effet joule ou sous forme sonore notamment.

L'invention permet de diminuer notablement l'échauffement d'un moteur électrique à courant continu alimenté par un hacheur série et de diminuer également le bruit rayonné par ce moteur.

L'invention permet, en autorisant la charge d'une batterie dite de récupération, simultanément à la décharge de la batterie principale alimentant le moteur, d'augmenter l'autonomie des appareils mûs par le moteur, tels que des véhicules automobiles à traction électrique.

Les nombreux avantages procurés par l'invention seront mieux compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention.

Dans les dessins, les éléments identiques ou similaires portent, sauf indication contraire, les mêmes références d'une figure à l'autre.

La figure 1 illustre schématiquement les principaux constituants d'un dispositif selon l'invention et leur raccordement.

La figure 2 à 5 illustrent dans quatre régimes de fonctionnement différents, les chronogrammes des deux signaux de commande des deux commutateurs statiques utilisés dans les procédés et dispositifs selon l'invention ; la figure 2 correspond à une phase de démarrage du moteur, dans laquelle le système de récupération d'énergie est inhibé les figures 3 à 5 correspondent respectivement à trois états de fonctionnement du système d'alimentation correspondant à des demandes croissantes de distribution d'énergie au moteur électrique en vue de son accélération et par conséquent, de diminution corrélative du taux de récupération d'énergie dans la batterie de récupération.

La figure 6 illustre un mode particulier de réalisation du générateur des signaux de commande des commutateurs statiques d'un dispositif selon l'invention.

Par référence à la figure 1 particulièrement, le moteur 1 à courant continu est raccordé par deux branches ou lignes 16 et 17 aux pôles positif 4 et négatif 5 respectivement, d'une batterie 2 ou accumulateur d'alimentation du moteur, lesquelles branches de raccordement 16 et 17 sont connectées, d'une part auxdites bornes de la batterie et d'autre part aux bornes 8 et 9 du moteur 1 ; de préférence, deux diodes 20 disposées tête-bêche et montées en parallèle, sont insérées dans la branche 16 entre la borne 4 de la batterie et la borne 8 du moteur.

On voit également sur cette figure qu'un commutateur statique 10 est inséré dans la branche 17 reliant le pôle négatif de la batterie 2 à la borne 9 du moteur, afin d'ouvrir et de fermer cette branche en fonction de signaux de commande 21 appliqués au commutateur 10 tel qu'un transistor ; une diode 12 est raccordée en parallèle aux bornes du transistor 10 pour protéger celui-ci contre les surtensions résultant des impulsions de courant traversant le transistor du fait de sa commutation.

Conformément à une des caractéristiques de l'invention, le moteur est également raccordé par ses bornes 8 et 9, à deux autres branches 18 et 19, qui relient les bornes 8 et 9 du moteur respectivement au pôle positif 6 et au pôle négatif 7 d'une deuxième batterie 3, dite batterie de récupération.

Deux diodes 14 et 15 sont respectivement insérées dans la branche 18 reliant la borne 8 du moteur à la borne 6 positive de la batterie 3, et respectivement dans la branche 19 reliant la borne 9 du moteur à la borne négative 7 de la deuxième batterie 3.

Un deuxième commutateur statique 1 1 est également inséré dans la branche 19, qui est par exemple constituée par un transistor et qui permet, en fonction d'un deuxième signal de commande 22 appliqué à sa base par exemple, d'ouvrir ou de fermer la branche 19 raccordée à son émetteur et à son collecteur.

Une diode 13 est également prévue, raccordée en parallèle sur le commutateur statique 11, afin de protéger celui-ci contre les surtensions.

Les signaux de commande 21 et 22 d'ouverture et de fermeture des commutateurs statiques 10 et 11, sont délivrés par un générateur 23 sur des bornes de sortie 29 et 28 respectivement de celui-ci.

Ce générateur 23 reçoit sur une borne d'entrée 27 un signal de consigne délivré par un organe 24 de réglage de consigne, tel qu'un potentiomètre, dont la position du curseur est liée ou dépendante de la position d'un organe mécanique mobile actionné par l'utilisateur du moteur, par exemple le conducteur d'un véhicule électrique équipé du moteur, tel qu'une pédale d'accélérateur.

Selon un mode particulier de réalisation, le générateur 23 reçoit également un signal sur une deuxième borne d'entrée 26, qui est délivré par un capteur 25 mesurant la vitesse de rotation du moteur 1, et permettant au générateur 23 d'inhiber lors d'une phase de démarrage du moteur 1, c'est-à-dire tant que celui-ci n'a pas atteint une vitesse minimale prédéterminée, l'démission du signal 22 de commande de fermeture du deuxième commutateur statique 1 1 cet état de fonctionnement du dispositif est représenté à la figure 2, où l'on voit que le signal 21 est constitué par un signal rectangulaire périodique de période 31, correspondant à une fréquence du signal 21 qui est par exemple de l'ordre de 1 000 à 1 500 Hz ; ledit signal 21 est constitué d'une succession d'impulsions 211 commandant la fermeture (c'est-àdire l'état conducteur) du premier commutateur statique, qui sont de forme par exemple rectangulaire, et qui sont chacune suivies d'une remise à zéro, c'est-à-dire à l'état 212 correspondant à l'ouverture du commutateur commandé par le signal 21, en l'occurrence le premier commutateur repéré 10 sur la figure 1.

La durée 30 des impulsions 211 du signal 21 est par exemple de l'ordre de 0,2 millisecondes pour une période 31 voisine de 0,9 millisecondes.

Par référence aux figures 3 à 5 illustrant une caractéristique essentielle des procédés et dispositifs selon l'invention, on voit qu'à chaque passage à zéro du signal 21 de commande du premier commutateur statique, c'est-à-dire du hacheur série d'alimentation du moteur à courant continu, correspond une impulsion 221 du signal 22 de commande du deuxième commutateur statique dit de récupération, dont la longueur 32 est bien entendu inférieure à la longueur ou durée de l'état zéro 212 du signal 21, pour laisser subsister entre l'impulsion 211 de mise en état de conduction du premier commutateur statique 10, et l'impulsion 221 de mise à l'état conducteur du deuxième commutateur statique 11, un temps mort 34, de part et d'autre de ces deux impulsions, comme représenté particulièrement sur les figures 3 à 5.

Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, le signal 21 rectangulaire périodique peut avoir une fréquence dans le régime de fonctionnement correspondant à la figure 3, qui est de l'ordre de 900
Hz et qui est la même pour le signal 22, le temps mort 34 entre les impulsions respectives 211 et 221 de ces deux signaux étant par exemple de l'ordre de 0,1 à 0,2 millisecondes ; dans le mode de réalisation représenté figure 4, la fréquence des signaux 21 et 22 peut être par exemple de l'ordre de 700 Hz, alors que dans l'état de fonctionnement représenté à la figure 5, la fréquence des signaux 21 et 22 peut être de l'ordre de 400 Hz environ non on voit sur ces figures, lorsqu'on passe successivement du mode de fonctionnement représenté figure 3 (qui
> a correspond à un taux de récupération maximum et a une accélération minimale du moteur) à celui correspondant à la figure 4, puis à la figure 5 (qui correspond à une récupération d'énergie minimale et à une accélération maximale du moteur), que la durée moyenne de conduction du premier commutateur statique, c'est-à-dire la durée moyenne de la mise à l'état 1 du signal 21, augmente, et que corrélativement, la durée moyenne de fermeture du deuxième commutateur statique, correspondant à la mise à l'état 1 du deuxième signal 22 de commande, diminue.

En outre, l'échelle utilisée pour l'axe horizontal des figures 2 à 5, qui correspond au temps, est la même ; on voit ainsi que la fréquence des premier et deuxième signaux 21 et 22 de commande diminue d'une fréquence maximale (pour le signal 21) correspondant à la représentation illustrée figure 2, à une fréquence minimale (des signaux 21 et 22) correspondant à la représentation illustrée figure 5.

La figure 6 illustre un mode particulier de réalisation du générateur 23, délivrant sur ses deux bornes de sortie 28 et 29 respectivement, les signaux de commande 22 du deuxième commutateur statique (repère 11 de la figure 1) et du premier signal 21 de commande du premier commutateur statique (repère 10 de la figure 1).

On voit sur cette figure l'étage d'entrée 38 du générateur 23, dans lequel est prévu le potentiomètre constituant un organe de réglage d'une consigne d'accélération ou de décélération, lequel potentiomètre 24 est raccordé à la borne 7 d'un premier circuit 35, constitué par un multivibrateur monostable qui délivre sur une borne 3 de sortie, un signal 36 de fréquence et de rapport cyclique variable en fonction de la résistance correspondant à la valeur prise par le potentiomètre 24 ; ce circuit 35 peut, à titre d'exemple, être constitué par un circuit de type
NE 555.proposé par la société RTC (France).

Le signal 36 impulsionnel rectangulaire délivré par le premier circuit 35, est appliqué à une borne d'entrée 3 d'un deuxième circuit 39, par exemple constitué par un circuit du type COS/MOS dual Flip
Flop 4013 BE , qui délivre sur ses bornes de sortie 1 et 2, respectivement deux signaux 41 et 40, synchrones, en opposition de phase et de fréquence et de rapport cyclique variable en fonction de la fréquence et du rapport cyclique du signal 36.

Le signal 41 est inversé par un circuit 42, par exemple constitué par un amplificateur opérationnel de type 741, fonctionnant en inverseur.

Le signal 41 ainsi inversé, de même que le signal 40, sont respectivement amplifiés par deux transistors 44 et 43 pour constituer deux signaux identiques 46 et 47, qui sont respectivement appliqués à une borne d'entrée de deux circuits identiques 45, permettant de déphaser les deux signaux et le cas échéant de modifier leur fréquence, les deux circuits 45 faisant par exemple partie d'un même boîtier constitué par un circuit de type COS/MOS dual 4538 B, constituant deux multivibrateurs monostables de précision.

Les signaux 56 et 57, respectivement délivrés par les deux circuits 45, qui sont synchrones et déphasés, sont respectivement appliqués, à l'entrée d'un amplificateur, respectivement 53 et 52, dont le signal de sortie constitue, après amplification éventuelle, respectivement les signaux 21 et 22 de commande de fermeture desdits commutateurs statiques (repères 10 et 11 de la figure 1).

Dans le mode de réalisation représenté figure 6, deux coupleurs optoélectroniques 54 et 55 sont disposés à la sortie des amplificateurs 52 et 53 respectivement, qui permettent d'améliorer l'isolement galvanique des circuits ainsi que de diminuer la sensibilité aux parasites électromagnétiques du montage.

De la même façon, un coupleur optoélectronique 37 est disposé entre lesdits premier et deuxième circuits 35 et 39 représentés figure 6, pour également diminuer la susceptibilité électromagnétique et garantir l'isolement galvanique entre les circuits de commande et l'organe 24 de réglage de consigne d'accélération.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'alimentation d'un moteur (1) à courant continu par une première batterie (2) à l'aide d'un hacheur série, comportant un premier commutateur statique (10), dont la conduction est commandée par un premier signal (21) périodique, qui comporte en outre

- une deuxième batterie (3),

- un deuxième commutateur statique (11) qui est placé dans l'une des branches (18, 19) reliant le moteur à ladite deuxième batterie, et dont la conduction est commandée par un deuxième signal périodique (22),

- un générateur (23) délivrant lesdits premier et deuxième signaux (21, 22) de commande, de manière synchrone et décalée, la fréquence desdits premier et deuxième signaux étant variable.

2. Dispositif suivant la revendication 1, dans lequel lesdits premier et deuxième commutateur statique sont essentiellement constitués par un ou plusieurs transistors ou thyristors.

3. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel ledit générateur (23) des signaux de commande de commutation, comporte un coupleur optoélectronique (37, 54).

4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit générateur (23) comporte un circuit (35) de type multivibrateur monostable émettant un signal (36) rectangulaire de fréquence variable en fonction de la position d'un organe (24) de réglage de consignes d'accélération ou de décélération du moteur.

5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit générateur (23) comporte des moyens (39) de dédoublement du signal (36) délivré par un multivibrateur monostable (35) en deux signaux (46, 47) identiques, et comporte des moyens (45) de déphasage desdits signaux identiques (46, 47).

6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant des moyens pour inhiber ou interdire la conduction dudit deuxième commutateur statique lors du démarrage du moteur.

7. Véhicule automobile à traction électrique, comportant un moteur à courant continu, une première batterie d'alimentation du moteur à courant continu, une deuxième batterie de récupération et un dispositif d'alimentation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6.

8. Procédé d'alimentation d'un moteur (1) électrique à courant continu par un hacheur série (10), dont la conduction est commandée par un premier signal périodique (21) de commande, dans lequel, dans chaque période de coupure ou intervalle de coupure (212) du hacheur, on raccorde les bornes (8, 9) du moteur à une deuxième batterie (3) de récupération d'énergie, qui est branchée en parallèle sur le moteur, en commandant la conduction d'un deuxième commutateur statique (11).

9. Procédé d'alimentation d'un moteur (1) à courant continu par une première batterie (2), en récupérant de l'énergie électrique qui est utilisée pour la charge d'une deuxième batterie (3) dite de récupération, qui est raccordée en parallèle avec ladite première batterie et avec le moteur, dans lequel le moteur est alimenté par la première batterie, par l'intermédiaire d'un premier commutateur statique (10) branché en série entre la première batterie et le moteur et dans lequel

- on génère par un générateur (23), deux signaux de commande (21, 22) périodiques, impulsionnels, par exemple rectangulaires, synchrones et suffisamment déphasés pour ne pas se chevaucher, c'est-àdire tels qu'un temps mort (34) soit respecté ou maintenu entre deux impulsions (211, 221) respectives desdits signaux (21, 22),

- on applique ledit premier signal de commande (21) audit premier commutateur statique,

- on applique le deuxième signal de commande (22) de récupération à un deuxième commutateur statique (11) de récupération qui est branché en série entre la deuxième batterie et le moteur,

- on diminue la fréquence des deux signaux de commande pour accélérer le moteur et on augmente la fréquence des deux signaux de commande pour décélérer le moteur,

- on diminue la durée des impulsions du premier signal de commande (d'alimentation), c'est-à-dire on diminue la durée des temps de conduction dudit premier commutateur statique, pour diminuer la vitesse du moteur, et inversement on augmente ladite durée pour accélérer le moteur.

10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 8 à 9, dans lequel la fréquence desdits premier et deuxième signaux de commande (21, 22) est inférieure à 20 000 Hz, et dans lequel on maintient entre deux impulsions respectives desdits premier et deuxième signaux de commande, un temps de non conduction des deux commutateurs statiques, qui est de l'ordre de un tiers à un centième de la période (31, 33) commune aux deux signaux de commande.