FR2786043A1 - Procede et systeme d'alimentation d'un moteur a reluctance variable a double saillance - Google Patents

Abstract

Procédé pour alimenter un moteur à réluctance variable à double saillance polyphasé (M) fonctionnant à vitesse variable, à partir d'une source de tension alternative (U), comprenant une injection, dans chaque phase du moteur (M), de trains d'onde de courant pendant des fenêtres temporelles d'injection réglables, chaque injection des trains d'onde de courant étant contrôlée dans chaque phase par commande d'un interrupteur bidirectionnel commandé (21, 22) disposé en série entre la source de tension alternative (U) et cette phase.Chaque interrupteur bidirectionnel (21, 22) est commandé à chaque demi-période de l'onde de tension alternative générée par la source de tension alternative (U) dans une fenêtre temporelle d'injection, selon un angle variable de commande en retard par rapport aux passages par zéro de l'onde de tension alternative, cet angle de commande (a) étant déterminé en fonction de la position angulaire instantanée du rotor du moteur (M) et d'une consigne de couple. Utilisation notamment pour l'alimentation et la commande de petits moteurs en vitesse variable.

Description

-1- La présente invention concerne un procédé pour alimenter un moteur à

réluctance variable à double saillance à partir d'une source alternative. Elle vise également un système mettant en oeuvre ce procédé. On entend par moteur à réluctance variable à double saillance un moteur à réluctance variable dont le stator et le rotor ne présentent pas le même nombre de dents ou de plots procurant un effet de saillance. Il peut s'agir soit de moteurs présentant une structure cylindrique comportant des dents rotoriques et statoriques, soit de moteurs présentant une structure discoïdale comportant

des plots rotoriques et statoriques.

Actuellement, pour alimenter des moteurs à réluctance variable à double saillance, à partir d'une source de tension alternative, on utilise le plus fréquemment un étage redresseur puis un étage onduleur commandé à fréquence variable en mettant en oeuvre des

techniques d'autopilotage.

Le brevet américain US4975608 divulgue un procédé d'alimentation d'un moteur à réluctance variable à simple saillance, utilisant une source de tension alternative qui est appliquée pendant des fenêtre temporelles, de sorte que des cycles complets sont appliqués avec des commutations à courant et tension nuls. La fréquence de l'onde de tension injectée est un multiple entier de la

fréquence synchrone électrique du moteur.

Le document FR2744859, correspondant au brevet français No.9601546 déposé le 8 février 1996, divulgue un procédé pour alimenter un moteur à réluctance variable polyphasé, à partir d'ondes de tension sinusoïdale polyphasées à une fréquence d'alimentation prédéterminée au moins supérieure à la fréquence électrique nominale du moteur, comprenant une injection, dans chaque phase du moteur, de trains d'onde de courant par application de l'onde de tension sinusoïdale sur ladite phase pendant -2des fenêtre temporelles d'injection réglables, chaque train d'onde de courant étant initié et terminé à courant nul, ce procédé étant caractérisé en ce qu'en régime de vitesse variable, les trains d'onde de courant injectés comprennent un nombre entier de demi-alternances variable en fonction de la vitesse du moteur. Cette commande requiert des changements d'état des interrupteurs n'intervenant que deux fois par période électrique du moteur, ce qui simplifie donc grandement la conception de l'entraînement. Pour de petits moteurs, un tel procédé d'alimentation permet de réduire le coût global du convertisseur placé en amont du moteur du fait de l'absence d'étage intermédiaire et du nombre réduit de

composants de filtrage (un seul condensateur).

Cependant, on observe avec ce procédé d'alimentation un effet d'ondulation du courant absorbé par le moteur, qui présente des conséquences néfastes pour la stabilité du fonctionnement à vitesse variable. En particulier, le courant absorbé subit des variations importantes entre le début et la fin de la croissance de l'inductance du moteur, ce qui conduit à un surdimensionnement en courant des semi- conducteurs et à un effet de flicker

difficilement compensable.

Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un procédé d'alimentation qui soit plus souple que le procédé précité et qui supprime l'effet d'ondulation du courant tout en

réduisant le taux d'harmoniques du courant absorbé.

Cet objectif est atteint avec un procédé pour alimenter un moteur à réluctance variable à double saillance polyphasé fonctionnant à vitesse variable, à partir d'une source de tension alternative à une fréquence d'alimentation fixe au moins supérieure à la fréquence électrique nominale du moteur, ce procédé comprenant une injection, dans chaque phase du moteur, de trains d'onde de courant par application d'une onde de -3tension alternative générée par la source de tension alternative pendant des fenêtres temporelles d'injection réglables, chaque train d'onde étant initié et terminé à courant nul, chaque injection des trains d'onde de courant étant contrôlée dans chaque phase par commande d'un interrupteur bidirectionnel commandé disposé en série entre la source de tension alternative et cette phase. Suivant l'invention, chaque interrupteur bidirectionnel est commandé à chaque demi- période de l'onde de tension alternative générée par la source de tension alternative dans une fenêtre temporelle d'injection, selon un angle variable de commande en retard par rapport aux passages par zéro de ladite onde de tension alternative, cet angle de commande étant déterminé en fonction de la position angulaire instantanée du rotor du moteur ainsi alimenté et d'une

consigne de commande de couple.

Il devient alors possible de contrôler l'amplitude des arches de courant injectées dans les phases du moteur et ainsi de réduire significativement l'ondulation de courant induite par la variation d'inductance

lorsqu'aucun réglage d'angle de dommande n'est effectué.

- Ce procédé comprend avantageusement une détection de chaque instant d'annulation de l'onde de tension alternative et un traitement d'un signal de détection pour procurer un réglage incrémental de l'angle de commande. Dans une forme préférée de mise en euvre du procédé selon l'invention, l'angle de commande pour chaque phase du moteur est déterminé à chaque demi-période de l'onde de tension alternative suivant une loi de commande qui est une fonction de la variation angulaire de

l'inductance de la phase alimentée.

Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un système pour alimenter un moteur à réluctance -4- variable à double saillance polyphasé fonctionnant à vitesse variable, à partir d'une source de tension alternative à une fréquence d'alimentation fixe au moins supérieure à la fréquence électrique nominale du moteur, mettant en euvre le procédé selon l'invention. Ce système comprend des moyens pour injecter, dans chaque phase du moteur, des trains d'onde de courant par application d'une onde de tension alternative générée par la source de tension alternative pendant des fenêtres temporelles d'injection réglables, chaque train d'onde étant initié et terminé à courant nul, ces moyens d'injection comprenant pour chaque phase un interrupteur bidirectionnel commandé disposé en série entre la source

de tension alternative et cette phase.

Suivant l'invention, le système comprend en outre des moyens pour commander chaque interrupteur bidirectionnel à chaque demi- période de l'onde de tension alternative générée par la source de tension alternative, selon un angle de commande variable par rapport aux passages par zéro de ladite onde de tension alternative, ces moyens de commande étant agencés pour déterminer pour chaque interrupteur bidirectionnel commandé un angle de commande en fonction de la position angulaire instantanée du rotor du moteur ainsi alimenté et d'une consigne de

commande de couple.

Les moyens de commande comprennent de préférence des moyens pour détecter les instants de passage par zéro de l'onde de tension alternative, des moyens pour générer une information de position angulaire du rotor du moteur et des moyens pour générer une consigne de couple. Les moyens de commande comprennent en outre des moyens de contrôle et de traitement programmés pour déterminer pour chaque phase alimentée et pour chaque demi-période de l'onde de tension alternative un angle de commande de l'interrupteur bidirectionnel en série avec cette phase, ces moyens de contrôle et de traitement étant reliés aux -5- moyens pour générer une information de position angulaire, aux moyens de détection de passage par zéro et aux moyens pour générer une consigne de couple. Les moyens de contrôle et de traitement comprennent avantageusement des moyens pour stocker des lois de commande des interrupteurs bidirectionnels correspondant à plusieurs configurations de marche du moteur à

réluctance variable ainsi alimenté.

Pour l'alimentation d'un moteur diphasé à partir d'une source de tension monophasée, le système selon l'invention comporte pour chaque phase un interrupteur bidirectionnel commandé en série entre la source de

tension alternative et cette phase.

Pour l'alimentation d'un moteur tétraphasé à partir d'une source de tension monophasée, le système selon l'invention comporte pour chaque phase un interrupteur bidirectionnel commandé en série entre la source de tension alternative et cette phase, et en ce que les moyens de commande sont en outre agencés pour réaliser pour chaque groupe de deux phases une commande du type à jeton. Dans une version préférée de l'invention, le système d'alimentation comprend en outre des moyens pour contrôler la vitesse du moteur selon une consigne de vitesse, ces moyens de contrôle de vitesse étant agencés pour délivrer une consigne de couple aux moyens de

commande des interrupteurs bidirectionnels commandés.

On comprendra mieux la présente invention à partir

de la description qui suit, en référence aux figures ci-

après: - la figure 1 est un schéma synoptique illustrant pour une phase un système d'alimentation selon l'art antérieur; - la figure 2 est un schéma synoptique illustrant pour une phase un système d'alimentation selon l'invention; -6- - la figure 3 illustre des exemples d'angles de commande en fonction de la position angulaire du rotor; - la figure 4 montre un exemple mise en oeuvre d'une procédure de calcul des angles de commande; la figure 5 illustre un exemple de forme d'onde du courant obtenue en basse vitesse; - la figure 6 illustre l'influence de l'angle de commande sur le courant absorbé par une phase du moteur; - la figure 7 illustre des exemples de formes d'ondes de courant observées lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; - la figure 8 représente un mode particulier de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, avec une commande à deux jetons; - la figure 9 illustre des chronogrammes de courants monophasés et totaux obtenus avec le procédé selon l'invention; - la figure 10 représente des cas extrêmes de déclenchement à la conjonction, correspondant respectivement à un déclenchement tardif et à une coupure avant la conjonction; - la figure 11 illustre un exemple particulier de réalisation d'un dispositif de détermination des angles de commande; et la figure 12 illustre un exemple de réalisation d'un système d'entraînement à vitesse variable incluant

un système d'alimentation selon l'invention.

On va, dans un premier temps, décrire la structure générale d'un système d'alimentation selon l'invention, en la comparant à celle d'un système d'alimentation de l'art antérieur tel que divulgué dans le document

FR2744859.

Dans un système So de l'art antérieur illustré pour une phase par la figure 1, chaque phase d'un moteur à réluctance variable à double saillance 1 est alimentée directement à partir d'un réseau d'alimentation -7- alternative à fréquence fixe au moyen d'un interrupteur commandé bidirectionnel 2 tel qu'un triac, une paire de thyristors en tête-bêche ou tout autre interrupteur commandé bidirectionnel. L'interrupteur 2 est commandé par un module de commande 3 recevant d'une part une consigne de commande de couple pour contrôler le début et la largeur d'ouverture d'une fenêtre d'injection, et d'autre part, une information de position angulaire fournie par un capteur de position 4 entraîné par l'arbre du moteur 1 et générant deux points de position angulaire par période électrique du moteur pour contrôler

l'ouverture de la fenêtre d'injection.

Dans le système d'alimentation S selon l'invention illustré pour une phase par la figure 2, l'interrupteur bidirectionnel 2 est commandé par un dispositif de commande 5 incluant un module 7 de détermination d'une fenêtre de croissance et un module 8 de détermination des angles de commande de l'interrupteur commandé 2. Le capteur de position initial délivrant deux points par période électrique est remplacé par un capteur de pbsition 6 délivrant N points par période électrique, le nombre N de points étant choisi pour délivrer au dispositif de commande 5 une information de position suffisamment précise pour le niveau de commande

recherché.

On entend par fenêtre de croissance la fenêtre temporelle dans laquelle il convient d'injecter un train d'onde de courant pour obtenir un couple électromagnétique moteur. Cette fenêtre de croissance correspond globalement à la fenêtre temporelle dans

laquelle l'inductance d'une phase est croissante.

Le module 7 de détermination de la fenêtre de croissance reçoit en entrée, d'une part, un signal représentatif de la tension alternative délivrée par le réseau d'alimentation, et, d'autre part, l'information de position délivrée par le capteur de position 6. Il -8- délivre un signal de fenêtre de croissance qui est appliqué en entrée du module 8 de détermination de l'angle de commande qui reçoit également en entrée une consigne de commande de couple et l'information de position angulaire. Chaque phase d'un moteur à réluctance variable à double saillance est ainsi alimentée, étant entendu que les phases, pourvues de leur interrupteurs bidirectionnels respectifs, peuvent toutes être connectées en parallèle sur une seule source de tension monophasée, un seul circuit de commande délivrant alors les différents signaux de commande pour chacun des

interrupteurs bidirectionnels ou triacs.

La mise en ouvre du procédé d'alimentation selon l'invention fait appel en pratique à des formes idéalisées de l'inductance du moteur. On peut à titre d'exemple utiliser une forme idéalisée triangulaire, en référence à la figure 5, sans pour autant que, cela constitue une obligation. Ainsi, selon la géométrie spécifique du moteur alimenté, d'autres formes idéalisées

peuvent être mieux appropriées.

Par ailleurs, il est établi qu'une alimentation alternative offre une limitation de courant par l'impédance (résistance + inductance) du moteur. Si on néglige l'effet de saturation du moteur à l'approche de la conjonction, on est conduit une commande en arc cosinus qui permet de lisser le courant absorbé par le moteur. Ainsi, lorsque la phase alimentée est proche de l'opposition, le retard apporté à la commande des interrupteurs commandés par rapport au maximum de tension est maximal, alors qu'on déclenche les interrupteurs commandés lorsque la tension est proche de son maximum pour la conjonction. Les angles de commande maximum et minimum sont fixés de manière à minimiser la tension nécessaire à l'obtention du courant nominal, en référence

à la figure 3.

-9- La commande doit donc suivre les variations de l'inductance des phases du moteur. Néanmoins, l'inductance linéaire équivalente du moteur à un instant donné dépend de plusieurs variables, notamment de l'état de saturation du moteur et de la force contre- électromotrice, cette dernière dépendant de la variation

de l'inductance et du courant parcourant les bobinages.

Les contraintes sur la tension et le courant injecté peuvent être résumées en deux conditions extrêmes correspondant respectivement à la position de conjonction

et la position d'opposition du rotor du moteur.

- Le courant requis dans la position de conjonction est obtenu avec un angle de conduction maximal. Cet angle doit de plus permettre la magnétisation symétrique lors des alternances positives et négatives de tension. Ainsi, dans des moteurs de moyenne puissance, on peut en général négliger l'effet de la résistance des bobinages devant l'effet inductif. Un angle de déclenchement de 90 donne

approximativement un angle d'extinction de 90 .

L'angle minimum de déclenchement doit donc être fixé

à 90 .

- La position d'opposition doit permettre d'injecter dans les phases du moteur le courant requis et respecter les caractéristiques des composants (angle

de garde).

On peut remarquer que l'arche de courant lorsque le rotor se trouve en opposition (inductance minimale) est d'autant plus courte que le rapport des inductances conjonction/opposition est grand. Ce rapport est d'autant plus important que le couple du moteur est important à volume donné. L'arche de courant en conjonction étant fixée par un angle de conduction maximal, l'arche en opposition est alors plus étroite, dégradant le facteur

d'utilisation du cuivre.

- 10- Dans le cas de moteurs de plus faible puissance, la résistance des bobinages peut ne pas être négligeable devant l'effet inductif. Le déphasage entre la tension de réseau et le courant absorbé est alors plus faible, et l'angle minimum de commande (en conjonction) peut être inférieur à 90 . De la même manière, l'angle de commande maximal (dépendant du rapport des inductances) est plus faible. Un moteur de puissance plus réduite permet de

s'affranchir de contraintes supplémentaires sur les semi-

conducteurs et donc réduit encore le coût global du dispositif. Pour des moteurs de moyenne puissance, des simulations ont montré qu'il est possible d'obtenir un courant avec une ondulation très faible sans tenir compte de la variation réelle de l'inductance mais en n'utilisant que sa forme idéalisée. C'est donc à partir d'une forme idéalisée (par exemple de forme triangulaire) de la variation d'inductance que les angles de commande des triacs sont calculés dans les paragraphes suivants, en référence à la figure 4. Ainsi, une comparaison entre uhe forme idéalisée normalisée et une image de la tension de réseau conduit à la détermination des angles de

commande des interrupteurs commandés.

Sont présentés, en référence à la figure 5, des résultats expérimentaux obtenus sur un moteur disque à entrefer axial de structure 8/9 (huit dents statoriques et 9 plots rotoriques) et de structure- tétraphasée, fonctionnant à une vitesse de 100 tr/mn et alimenté à partir d'une source de tension alternative à 400 Hz au

moyen de thyristors.

Du fait de l'angle de retard de l'impulsion de commande des interrupteurs commandés (thyristors) par rapport au maximum de tension, seule une fraction de la tension de réseau est appliquée aux phases du moteur. La tension nécessaire à l'obtention du courant efficace nominal est donc plus importante que pour une commande en fenêtre selon l'art antérieur Avec le procédé d'alimentation selon l'invention, les contributions des arches de courant à la valeur du courant efficace sont proches mais les arches de courant proches de la conjonction ou de l'opposition participent moins à la création du couple. Le fonctionnement est alors comparable au fonctionnement du moteur sous une alimentation classique. On remarque que l'enveloppe du courant est proche de la forme du courant obtenue en alimentation classique, en référence à la figure 5 qui illustre l'évolution du courant (a: courant dans une

phase; b: courant total) à une vitesse de 100 tr/mn.

On observe en pratique que l'angle de commande des interrupteurs bidirectionnels reste supérieur à 90 degrés même lors de l'approche de la conjonction. La tension appliquée peut donc être adaptée pour permettre de réduire la tension appliquée. Néanmoins, ces formes permettent de mettre en évidence l'effet de la saturation sur le courant absorbé: les dernières arches de courant sont d'amplitude élevée malgré une inductance plus importante. Bien que cet effet ne se traduise pas par une variation du courant global absorbé par le moteur, il est possible de supprimer le réglage de l'angle d'amorce des

thyristors à l'approche de la conjonction.

La limitation de courant à la conjonction est obtenue par l'inductance du moteur. Cette possibilité permet alors de diminuer l'angle de commande des thyristors et d'obtenir un courant plus important avec la même tension, ou de diminuer la tension nécessaire à

l'obtention du courant nominal.

On obtient alors une conduction "continue" à l'approche de la conjonction. Dans ce cas, la régulation de courant est effective par l'angle de commande x des thyristors au début de la croissance de l'inductance et naturelle aux abords de la conjonction, en référence à la

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figure 6. Ainsi, passer d'un angle de commande a à un

angle a' supérieur contribue à réduire le courant crête.

Il est à noter que ce type de commande ne permet pas d'assurer un parfait lissage du courant absorbé. En effet, le non synchronisme de la tension de réseau et de l'inductance permet dans certaines conditions le double

déclenchement de thyristors de deux phases consécutives.

Les chronogrammes de courant représentés à la figure 7 (a: courant dans une phase; b: courant total) représentent le cas o l'autorisation de conduire est donnée pour un grand angle de retard (phase en opposition) alors que la phase précédente (en conjonction) conduit. Ce cas est fréquent et naturel lorsque les temps de conduction des phases en opposition sont complémentaires. On peut réduire la fréquence des pics de courant en instaurant un temps mort entre la fin de conduction d'une phase et le début de conduction d'une autre. Néanmoins, cette solution n'est pas totalement satisfaisante, puisque si elle réduit notablement la présence de pics de courant, elle fait également apparaître des creux de courants, d'autant plus nombreux

que l'on augmente la valeur du temps mort.

On propose donc, pour éviter dans la mesure du possible ces pics de courant, une version particulière du procédé d'alimentation selon l'invention, correspondant à une commande à jeton qui ne permet la conduction qu'à une phase à la fois. Il faut noter que cette commande doit être adaptée à la structure particulière du moteur alimenté. En particulier, dans le cas d'un moteur comportant quatre phases, il faut répartir les quatre phases du moteur en deux groupes, chaque phase de ces deux groupes fonctionnant en opposition. La commande à jeton est alors constituée de deux commandes élémentaires pour chaque

ensemble de phases en quadrature.

-13 - Ainsi, un système S' d'alimentation selon l'invention mettant en oeuvre une commande à jeton comprend, en référence à la figure 8, un dispositif de commande 10 incluant un module 9 de détermination de l'angle de commande recevant en entrée un signal représentatif de la tension du réseau d'alimentation, une consigne de commande de couple et une information de position délivrée par un capteur de position angulaire 6 du type fournissant N points par période électrique. Le dispositif de commande 10 délivre, d'une part, deux signaux de commande appliqués à deux interrupteurs commandés bidirectionnels (par exemple des triacs) 11A, 11B d'un premier module interrupteur 11 contrôlant l'alimentation électrique d'un premier groupe de deux phases du moteur 1, et, d'autre part, deux signaux de commande appliqués à deux interrupteurs commandés bidirectionnels 12A, 12B d'un second module interrupteur 12 contrôlant l'alimentation électrique d'un second groupe de deux phases en quadrature avec le premier groupe. Les deux modules interrupteurs 11, 12 sont soumis à des logiques d'exclusion programmées de telle sorte que lorsque la première phase du premier groupe est alimentée, seule la seconde phase du second groupe est alimentée. Les ensembles de phases en quadrature et la constitution particulière du moteur procurant une force contre-électromotrice quasi sinusoïdale en fonction de la position permettent d'obtenir un courant parfaitement lissé. Des formes d'onde de courants absorbés par une phase et totaux d'un moteur de forte puissance alimenté avec le procédé selon l'invention sont représentées à la figure 9 pour deux vitesses de fonctionnement différentes. Ces formes d'ondes sont obtenues pour une tension alternative de 1,41kV (soit 2kV crête). Le courant absorbé par le moteur est d'amplitude constante, malgré les ondulations des courants de chaque phase. La

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- 14- compensation de l'énergie réactive absorbée peut donc être effectuée avec un simple condensateur placé en

parallèle sur le moteur.

La commande à jetons permet d'éviter la présence de courant dans deux phases à la fois lors de l'approche de la conjonction pour l'une et de l'opposition pour l'autre. Elle permet ainsi de pallier partiellement la présence de courant dans une phase à l'approche de la conjonction, qui représente un inconvénient de la

commande par fenêtrage.

L'ouverture et la fermeture de la fenêtre sont déterminées de manière à maximiser le couple, compte tenu de la contrainte de symétrie. On peut alors distinguer, en référence à la figure 10, deux situations extrêmes: situation 1: le courant dans la phase en

conjonction s'annule exactement à la conjonction.

situation 2: le courant s'annule une demi-période

du réseau avant la conjonction.

L'autorisation de conduction de la phase en opposition dépend de l'extinction du courant dans la

phase précédente.

Dans la première situation, le courant s'annule exactement à la conjonction et le courant dans la phase suivante commence juste après l'opposition. On se trouve dans le cas idéal o le courant est présent pendant la

croissance de l'inductance.

Dans la seconde situation, le courant s'interrompt dans la première phase une demi-période avant la conjonction. Le courant dans l'autre phase présente donc une alternance de courant alors que l'inductance est décroissante. Cette arche de courant est cependant moins gênante que si elle se produisait après l'opposition. En effet, l'arche de couple produite par le courant avant l'opposition sera plus faible que celle produite après la

conjonction.

-15- L'entrefer du moteur à cet instant étant plus important, les forces s'appliquant sur le stator et sur le rotor seront également plus faibles, réduisant par là les vibrations, le bruit et les éventuels problèmes mécaniques courants dans les moteurs de structure

discoïdale (déformations du rotor...).

Cette commande à jetons proposée dans le cadre de la présente invention procure en outre l'avantage de réduire le calibre de courant nécessaire aux semi-conducteurs de puissance. En revanche, comme la tension maximale supportée par les interrupteurs commandés est supérieure à celle observée avec la version de base du procédé selon l'invention, le gain en courant est alors compensé par l'augmentation de la tension de service. La puissance apparente en semi-conducteurs est donc sensiblement équivalente à celle observée dans un fonctionnement à flux maximal forcé. Par ailleurs, une observation du spectre du courant absorbé fait apparaître un, fort harmonique 3, mais les autres harmoniques sont eux quasiment inexistants. La compensation de l'harmonique 3

par filtrage passif est alors envisageable.

Dans le procédé d'alimentation selon l'art antérieur, la forte valeur de--la première arche de courant peut provoquer une arche de couple négatif. Pour en minimiser l'influence, on est alors généralement conduit à choisir une l'avance à temps constant faible (moins de 100 Ds). Avec le procédé d'alimentation selon l'invention, on fixe une valeur maximale du courant par l'angle de déclenchement des thyristors. De plus, les arches de courant obtenues autour de l'opposition sont plus étroites que les arches obtenues autour de la conjonction. La contrainte de maximisation du couple conduit donc à imposer une avance à la conjonction plus importante, de manière à annuler le courant à la conjonction dans la majorité des cas. L'avance à l'opposition est maintenue - 16- égale à l'avance à la conjonction de manière à assurer la continuité du courant absorbé auréseau. A titre d'exemple non limitatif, dans la configuration expérimentale précitée, l'avance optimale se situe aux alentours de 0,7 ms, c'est à dire environ 1/4 de la

période de la tension de réseau.

Dans une version particulière du procédé selon l'invention visant à minimiser la tension de réseau nécessaire, Les angles de commande des interrupteurs commandés, par exemple des thyristors, peuvent être adaptés de manière à abaisser la tension nécessaire à l'obtention du courant nominal et donc à optimiser la puissance apparente en semi-conducteurs requise. On obtient alors un fonctionnement hybride entre la version à contrôle total du procédé selon l'invention et le mode

d'alimentation à flux forcé de l'art antérieur.

En pratique, les phases sont alimentées avec contrôle du courant aux abords de l'opposition et sans contrôle de courant aux abords de la conjonction. La contrepartie de cette minimisation est une ondulation de courant plus importante, puisque l'absence de contrôle de courant implique une valeur non constante du courant

absorbé. --

De même que pour les autres modes de fonctionnement, la puissance apparente en semi-conducteurs n'est favorable à ce procédé d'alimentation que pour de grandes fréquences électriques, les puissances apparentes étant du même ordre de grandeur pour des fréquences électriques

de l'ordre de la demi-fréquence de réseau.

Bien que cette minimisation conduise à accepter une ondulation du courant absorbé, la diminution du taux d'harmoniques est significative puisque l'harmonique est ramené au double de la valeur du fondamental sur toute la plage de fonctionnement. Par ailleurs, en mettant en oeuvre le procédé d'alimentation selon l'invention, on obtient une concentration de l'énergie harmonique sur le

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rang 3, ce qui en facilite l'élimination par filtrage passif. Il est également possible de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention pour l'alimentation et la commande de moteurs de structure triphasée, et plus généralement des moteurs à nombre de phases impair. Dans ces moteurs, la conduction de deux phases en permanence conduit à injecter du courant lors de la décroissance de l'inductance. A l'opposé, la conduction d'une seule phase réduit la fenêtre de conduction et conduit à choisir une tension plus élevée pour garder le courant à son niveau nominal. Ainsi, à fréquence électrique équivalente, la tension nécessaire à l'obtention du courant nominal est plus élevée de 15 % si aucune adaptation n'est adoptée pour le profil de l'inductance lorsque 2/3 de la croissance de l'inductance sont utilisés. Le contrôle du courant de crête est effectif par l'angle de déclenchement des thyristors. Le couple développé est alors équivalent au couple développé sous une alimentation sinusoïdale sans contrôle des déclenchements. Dans le cas de petits moteurs présentant une résistance de bobinage significative et alimentés avec le procédé selon l'invention, on observe une diminution relative du taux d'harmoniques, en comparaison avec des

moteurs de moyenne ou grande puissance.

On va maintenant décrire, en référence à la figure 11, un exemple particulier de réalisation d'un dispositif de commande 30 des triacs 2 d'un système d'alimentation selon l'invention. Ce dispositif de commande 30 comprend un microcontrôleur 32 relié à un module 31 de détection des passages par zéro de la tension alternative U, à un capteur de position angulaire 6 et à un dispositif 34 de

génération d'une commande ou consigne de couple.

Le module de détection 31 comprend, selon une structure classique, un transformateur abaisseur 310 ayant un enroulement primaire directement connecté à la source de tension alternative U et un enroulement secondaire délivrant une image de l'onde de tension alternative, des diodes Zener 311 reliées en parallèle5 sur la sortie du transformateur 310 à travers une résistance de limitation 312, et un amplificateur opérationnel 313 monté en comparateur pour délivrer un signal logique dont les fronts représentent les instants de passage par zéro de l'onde de tension alternative. Une boucle à verrouillage de phase 314 montée en multiplicateur de fréquence (x 128) délivre un signal

contenant à la fois des informations de passage par zéro de l'onde de tension alternative et des informations de multiplication de fréquence permettant un réglage15 incrémental de l'angle de commande.

Le dispositif de commande de couple 33 délivre généralement une consigne analogique qui peut être convertie par un convertisseur analogiquenumérique 33 délivrant une consigne numérique apte à être traitée par le microcontrôleur 32. On peut d'ailleurs envisager d'autres modes de réalisation dans lesquels la consigne de couple est directement fournie sous forme numérique résultant d'un calcul effectué-notamment au sein d'un

asservissement de vitesse.

Le capteur de position angulaire 6 peut être de toute technologie, par exemple, un capteur à effet Hall, un capteur optique incrémental, ou encore complètement intégré au sein du moteur sous la forme d'un système de détection de position mettant une injection de courant de

modulation à haute fréquence.

Le microcontrôleur 32 est programmé pour exécuter des lois de commande prédéterminées pour déterminer les

angles de commande de chaque triac associé à une phase.

Un exemple pratique de loi de commande implémentable au sein du microcontrôleur 32 est: = oX + k. a[L(O)] -19- o: ao est un angle de consigne réglable en fonction de consignes de couple ou de courant, k est un coefficient dépendant de la géométrie du moteur (1, M) alimenté, a[L(O)] représente une composante d'ajustement de l'angle de commande dépendant de l'inductance variable

L(O) de la phase alimentée.

L'angle de consigne (co) est réglé en fonction d'une consigne de couple (Tcons) selon une loi du type: ao(Tcons) = Arc cosinus(Tcons/Tmax) o Tmax représente le couple maximal pouvant être obtenu

en alimentant la phase en pleine onde.

Même si ce type de loi de commande donne en pratique des résultats satisfaisants, il est à noter que d'autres lois de commande peuvent être mises au point dans le

cadre de la présente invention.

- Pour la détermination de l'angle de commande (a), on utilise en pratique une forme idéalisée de variation angulaire de l'inductance de chaque phase, qui est, à

titre d'exemple non limitatif, triangulaire.

La composante d'ajustement de l'angle de commande (a) est directement déterminée à chaque demi-période de l'onde de tension alternative par comparaison entre la forme idéalisée de variation angulaire de l'inductance

(L(O)) et une image de l'onde de tension alternative.

On va maintenant décrire, en référence à la figure 12, un exemple pratique de mise en oeuvre du procédé selon l'invention pour la commande d'un petit moteur M à réluctance variable à double saillance diphasé de type 4/2 (quatre pôles statoriques, deux pôles rotoriques). Ce moteur est alimenté par un système d'alimentation 100 relié à une source de tension alternative monophasée U, -20 - par exemple une source de tension sinusoïdale 220 Veff, 50 Hz. Le système d'alimentation 100 comprend un premier triac 21 relié en série avec une première phase du moteur M constituée de deux enroulements statoriques reliés en5 série et un second triac 22 relié en série avec la second phase du moteur M constituée de deux autres enroulements

reliés en série.

Il est à noter qu'il s'agit ici d'un moteur à réluctance variable à double saillance de structure classique, mais que le procédé selon l'invention peut également être mis en oeuvre pour des moteurs à réluctance variable à double saillance présentant des géométries et

des agencements d'enroulements statoriques spécifiques.

Les deux phases du moteur M et leurs triacs respectifs 21, 22 sont reliées en parallèle sur la source de tension monophasée U à laquelle on connecte également un condensateur 42 destiné notamment à améliorer le

facteur de puissance de l'ensemble alimentation-motqur.

Le système d'alimentation 100 selon l'invention comprend en outre un circuit de commande et de contrôle incluant un dispositif de commande 30 du type décrit précédemment en référence à la figure 11 et un dispositif de contrôle de la vitesse du moteur M. Un capteur de position angulaire 6, par exemple du type à effet Hall, fournit des signaux de position angulaire qui sont traités, d'une part, par le dispositif de commande 30 pour déterminer les fenêtres d'injection réglables, et d'autre part, par le dispositif de contrôle pour déterminer une estimation V de la vitesse du moteur M. Le dispositif de contrôle 40 est conçu pour comparer cette estimation de vitesse V à une consigne de vitesse Vcons fournie par un dispositif 41 de réglage de consigne, et pour délivrer au dispositif de commande 30 une consigne de couple T. Il est important de noter que les deux fonctionnalités respectives de commande (détermination des angles de commande) et de contrôle -21 - (asservissement de vitesse) représentées ici sous la forme de modules distincts peuvent tout aussi bien être

intégrées au sein d'un circuit unique.

Le procédé d'alimentation peut être mis en ouvre dans diverses configurations d'entraînement à vitesse variable incluant un ou plusieurs moteurs à réluctance variable à double saillance. Il concerne préférentiellement les moteurs de petite puissance, mais peut également être appliqué dans des entraînements à vitesse variable de moyenne et grande puissance, notamment lorsque des considérations de nature spectrale

entrent en jeu.

Bien sûr, la présente invention n'est pas limitée

aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits.

Ainsi, on peut envisager l'utilisation d'autres types d'interrupteurs commandés bidirectionnels que des triacs ou des thyristors. Par ailleurs, les moteurs à réluctance variable ainsi alimentés et commandés peuvent présenter des structures très variées de géométrie cylindrique,

discoïde ou bien encore linéaire.

-22 -

Claims (15)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour alimenter un moteur (1, M) à réluctance variable à double saillance polyphasé fonctionnant à vitesse variable, à partir d'une source de tension alternative (U) à une fréquence d'alimentation fixe au moins supérieure à la fréquence électrique nominale du moteur (1, M), ce procédé comprenant une injection, dans chaque phase du moteur (1, M), de trains d'onde de courant par application d'une onde de tension alternative générée par la source de tension alternative (U) pendant des fenêtres temporelles d'injection réglables, chaque train d'onde étant initié et terminé à courant nul, chaque injection des trains d'onde de courant étant contrôlée dans chaque phase par commande d'un interrupteur bidirectionnel commandé (2; 11, 12; 21, 22) disposé en série entre la source de tension alternative (U) et cette phase, caractérisé en ce que chaque interrupteur bidirectionnel (2; 11, 12; 21, 22) est commandé à chaque demi-période de l'onde de tension alternative générée par la source de tension alternative (U) dans une fenêtre temporelle d'injection, selon un angle variable (a) de commande en retard par rapport aux passages par zéro de ladite onde de tension alternative, cet angle de commande (a) étant déterminé en fonction de la position angulaire instantanée (0) du rotor du moteur (1, M) ainsi alimenté et d'une consigne de commande de couple (Tcons)

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une détection de chaque instant d'annulation de l'onde de tension alternative et un traitement d'un signal de détection pour procurer un

réglage incrémental de l'angle de commande (a).

- 23 - 2786043

-23-

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour chaque phase du moteur (1, M), l'angle de commande (c) est déterminé à chaque demi-période de l'onde de tension alternative suivant une loi de commande qui est une fonction de la variation angulaire de

l'inductance L(O) de la phase alimentée.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la loi de commande procurant une détermination de l'angle de commande (a) est du type: = xO + k. Cx[L(0)] o: co est un angle de consigne réglable en fonction de consignes de couple ou de courant, k est un coefficient dépendant de la géométrie du moteur (1, M) alimenté, x[L(O)] représente une composante d'ajustement de l'angle de commande dépendant de l'inductance variable

L{f) de la phase alimentée.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'angle de consigne (ao) est réglé en fonction d'une consigne de couple (Tcons) selon une loi du type: ao(Tcons) = Arc cosinus(Tcons/Tmax) o Tmax représente le couple maximal pouvant être obtenu

en alimentant la phase en pleine onde.

6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5,

caractérisé en ce que l'on utilise pour la détermination de l'angle de commande (a) une forme idéalisée de

variation angulaire de l'inductance de chaque phase.

- 24 - 2786043

-24 -

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le forme idéalisée de variation angulaire de

l'inductance est triangulaire.

8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7,

caractérisé en ce que la composante d'ajustement de l'angle de commande (x) est directement déterminée à chaque demi-période de l'onde de tension alternative par comparaison entre la forme idéalisée de variation angulaire de l'inductance (L(O)) et une image de ladite

onde de tension alternative.

9. Système (S, S', 100) pour alimenter un moteur à réluctance variable à double saillance polyphasé (1, M) fonctionnant à vitesse variable, à partir d'une source de tension alternative (U) à une fréquence d'alimentation fixe au moins supérieure à la fréquence électrique nominale du moteur (1, M), mettant en oeuvre le procédé

selon l'une quelconque des revendications précédentes,

ce système comprenant des moyens (2; 11, 12; 21, 22) pour injecter, dans chaque phase du moteur (1, M), des trains d'onde de courant par application d'une onde de tension alternative générée par la source de tension alternative (U) pendant des fenêtres temporelles d'injection réglables, chaque train d'onde étant initié et terminé à courant nul, ces moyens d'injection comprenant pour chaque phase un interrupteur bidirectionnel commandé disposé en série entre la source de tension alternative (U) et cette phase, caractérisé en ce que ce système comprend en outre des moyens (5, 10, 30, 110) pour commander chaque interrupteur bidirectionnel (2; 11, 12; 21, 22) à chaque demi-période de l'onde de tension alternative générée par la source de tension alternative (U), selon un angle de commande variable (a) par rapport aux passages par zéro de ladite onde de tension alternative, ces moyens de -25- commande (5, 10, 30, 110) étant agencés pour déterminer pour chaque interrupteur bidirectionnel commandé (2; 11, 12; 21, 22) un angle de commande en fonction de la position angulaire instantanée du rotor du moteur (1, M) ainsi alimenté et d'une consigne de couple (Tcons).

10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de commande (30) comprennent des moyens (31) pour détecter les instants de passage par zéro de l'onde de tension alternative, des moyens (6) pour générer une information de position angulaire du rotor du moteur (1, M) et des moyens (34) pour générer une

consigne de couple.

11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de commande (30) comprennent en outre des moyens de contrôle et de traitement (32) programmés pour déterminer pour chaque phase alimentée et pour chaque demi-période de l'onde de tension alternative un angle de commande (a) de l'interrupteur bidirectionnel (2) en série avec cette phase, ces moyens de contrôle et de traitement (32) étant reliés aux moyens (6) pour générer une information de position angulaire, aux moyens (31) de détection de passage par zéro et aux moyens (34) pour

générer une consigne de couple.

12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de contrôle et de traitement (32) comprennent des moyens pour stocker des lois de commande des interrupteurs bidirectionnels (2) correspondant à plusieurs configurations de marche du moteur à réluctance

variable (1, M) ainsi alimenté.

13. Système (100) selon l'une quelconque des

revendications 9 à 12, mis en oeuvre pour l'alimentation

d'un moteur diphasé (M) à partir d'une source de tension monophasée (U), caractérisé en ce qu'il comporte pour chaque phase un interrupteur bidirectionnel commandé (21, 22) en série entre la source de tension alternative (U)

et cette phase.

14. Système (S') selon l'une quelconque des

revendications 9 à 13, mis en ouvre pour l'alimentation

d'un moteur tétraphasé (1') à partir d'une source de tension monophasée, caractérisé en ce qu'il comporte pour chaque phase (1A, lB; 2A, 2B) un interrupteur bidirectionnel commandé (11A, 11B; 12A, 12B) en série entre la source de tension alternative et cette phase, et en ce que les moyens de commande (10) sont en outre agencés pour réaliser pour chaque groupe (11, 12) de deux

phases une commande du type à jeton.

15. Système (100) selon l'une quelconque des

revendications 9 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend

en outre des moyens (40) pour contrôler la vitesse (V) du moteur (M) selon une consigne de vitesse, ces moyens de contrôle de vitesse (40) étant agencés pour délivrer une consigne de couple (T) aux moyens de commande (30) des

interrupteurs bidirectionnels commandés (21, 22).