FR2793617A3 - Commande sans capteur de l'angle de puissance pour l'alternateur d'un vehicule - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un alternateur (10) ayant une commande d'angle de puissance sans capteur a un enroulement triphasé (14, 16, 18) de stator et trois bornes de sortie (A, B, C) d'enroulement reliées à un pont redresseur (20) actif commandé à double alternance ayant une sortie en courant continu. Le fonctionnement de l'alternateur (10) entraîne qu'une force contre-électromotrice est créée dans les enroulements (14, 16, 18) de stator. La puissance de l'alternateur est augmentée en introduisant un décalage de phase entre la force contre-électromotrice et les tensions de phase, ce qui entraîne un angle optimisé de puissance. Au moyen d'une indication des passages par zéro de la force contre-électromotrice, des commutateurs (21 à 26) du pont redresseur (20) peuvent être commandés pour introduire un retard souhaité de phase dans chacune des tensions de phase.

Description

ARRIèRE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION

La présente invention concerne le domaine des alternateurs, et particulièrement le domaine de la commande de puissance d'un alternateur. La figure 1 représente un générateur classique de courant alternatif, ou "alternateur" 10. L'alternateur comprend un enroulement 12 de rotor (enroulement de champ), des enroulements triphasés de stator (configurés en triangle ou en étoile), 14, 16 et 18, et un pont redresseur triphasé commandé

à double alternance relié aux enroulements de stator.

L'alternateur est relié au moteur d'un véhicule qui fait tourner un rotor (non représenté) supportant l'enroulement de champ. Une rotation de l'enroulement 12 de champ amène une puissance en courant alternatif à être créée dans chacun des enroulements de stator. La puissance créée dans les enroulements de stator est une puissance triphasée représentée par une phase A, une phase B et une phase C. Chaque phase est envoyée au pont redresseur 20 à double alternance, o elle est convertie en une puissance en courant continu devant être fournie à une charge 15 du véhicule. Une batterie 30 est branchée en parallèle avec les sorties du pont redresseur 20 à double alternance, pour fournir une puissance appropriée à la charge quand l'enroulement de champ n'est pas en rotation ou quand l'enroulement de champ tourne trop lentement pour produire une tension égale à la tension de la batterie. Quand l'enroulement de champ tourne à une vitesse accrue, une tension en résulte aux bornes de la batterie qui est supérieure à la

tension de la batterie, et la batterie est rechargée.

Quand le moteur du véhicule est au ralenti, de sorte que l'enroulement de champ tourne à une vitesse réduite, la puissance de l'alternateur peut ne pas être appropriée pour fournir toute la puissance nécessitée par la charge. Quand ceci

se produit, l'alternateur ne régule plus la tension du système.

La batterie se décharge, étant donné qu'elle essaie de compléter la puissance de l'alternateur pour satisfaire aux besoins de puissance des charges. Si cette condition dure pendant une période prolongée de temps, la batterie sera

déchargée complètement.

La manière la plus courante de commander la puissance de l'alternateur pendant le ralenti du moteur et de fournir une puissance supplémentaire devant être délivrée à la charge du véhicule consiste à augmenter le flux de champ du rotor. Ceci peut être réalisé en augmentant le courant dans l'enroulement de champ. Si un courant plus grand est fourni à l'enroulement de champ, une tension plus élevée sera induite dans les enroulements de stator, et une puissance plus élevée de l'alternateur en résultera quand le moteur est au ralenti et que le rotor tourne à faible vitesse. Cependant, la quantité de courant qui peut être fournie à l'enroulement de champ est limitée par des considérations de température, étant donné qu ' un courant trop élevé circulant dans l'enroulement de champ

provoquera une surchauffe de l'alternateur.

Un autre procédé efficace pour obtenir une puissance accrue de l'alternateur pendant le ralenti du moteur consiste à maximiser l'angle de puissance. L'angle de puissance est défini comme la différence de phase entre la force contre-électromotrice produite par les enroulements de stator et la tension à la sortie des enroulements de stator. La figure 2 représente un diagramme schématique d'un circuit équivalent à une machine électromagnétique synchrone ayant un entrefer uniforme, dans lequel E est la force contre-électromotrice produite dans l'un des enroulements de stator par un flux tournant produit par l'enroulement de champ; I est le courant de phase; R est la résistance de l'enroulement de stator; X est la réactance de l'enroulement de stator; et VF, est la tension de phase aux

bornes de l'enroulement de stator et fournie à la charge.

Un diagramme en vecteur tournant du circuit de la figure 1 est représenté à la figure 3, o l'angle de puissance est

représenté par q. Dans un pont "passif" de diodes (c'est-à-

dire un pont redresseur o seules des diodes sont utilisées) tel que celui représenté à la figure 1, le courant de phase et la tension de phase sont forcés à être en phase. La figure 3 montre que quand la tension de phase et le courant de phase sont forcés à être en phase, il n'est pas possible d'obtenir un

angle optimal de puissance tel que la force contre-

électromotrice et la tension de phase soient en quadrature. Au contraire, si le pont passif de diodes est remplacé par un pont "commandé" ou "actif" de transistors (c'est-à-dire un pont redresseur dans lequel les diodes sont remplacées par des commutateurs à transistor), la tension de phase peut être mise en retard par rapport au courant de phase. Un diagramme en vecteur tournant d'un alternateur ayant un pont actif de transistors est représenté à la figure 3a. Comme on peut le voir à la figure 3a, quand la tension de phase est positionnée en retard par rapport au courant de phase, l'angle de phase entre la force contre- électromotrice et la tension de phase

(c'est-à-dire q) peut approcher de la valeur optimale de 90 .

On a démontré que la puissance fournie par un alternateur à des vitesses de ralenti peut être augmentée de 45 à 50 ô en optimisant l'angle de puissance vers la valeur de 900 au moyen d'une avance de la tension de phase. Par exemple, une avance de phase de 250 dans la tension de phase peut entraîner une

augmentation de 45 % de la puissance fournie par l'alternateur.

Ainsi, pour commander l'angle de puissance, un pont redresseur

"commandé" est utilisé au lieu d'un pont redresseur "passif".

Dans un pont redresseur commandé, l'angle de la tension de phase peut être commandé en activant et en bloquant les commutateurs à transistor à des instants sélectionnés. Si l'angle de la force contre- électromotrice est connu, l'angle de la tension de phase peut être ajusté par les commutateurs dans le pont redresseur commandé, et un angle de puissance plus optimal peut être adopté dans l'alternateur. Malheureusement, il est difficile d'obtenir une lecture directe de la force

contre-électromotrice produite dans les enroulements de stator.

Sans une référence de machine pour la force contre-

électromotrice, l'angle optimal de phase pour les tensions de phase ne peut pas être déterminé. En conséquence, un procédé doit être utilisé pour obtenir une indication de l'angle de phase de la force contreélectromotrice avant que la tension de

phase ne soit décalée par le pont redresseur commandé.

Plusieurs procédés pour ajuster l'angle de puissance sont décrits dans le brevet U.S. n 5 793 167 délivré à Liang et

autres. Plusieurs de ces procédés nécessitent des capteurs.

Dans un procédé, un capteur de courant est utilisé pour déterminer le courant de phase, et un ajustement de l'angle entre le courant de phase et la tension de phase affecte l'angle de puissance. Cependant, il existe certains inconvénients à tout procédé qui est basé sur des capteurs pour établir une référence de machine devant être utilisée pour ajuster l'angle de puissance. En particulier, les capteurs sont souvent peu fiables, entraînent des coûts supplémentaires importants pour l'alternateur, et rendent l'alternateur plus volumineux et plus difficile à loger dans un boîtier. En conséquence, il serait avantageux de fournir un procédé sans capteur, simple et facile à mettre en oeuvre, pour déterminer une référence de machine devant être utilisée pour commander

l'angle de puissance dans un alternateur.

RéSUMé DE L'INVENTION

Un alternateur de la présente invention comprend un enroulement de champ, des enroulements de stator, un pont redresseur commandé à double alternance (c'est-à-dire un pont "actif"), et une sortie en courant continu. Le pont commandé comprend six dispositifs séparés à transistor MOSFET comprenant chacun une diode auxiliaire. Les dispositifs de commutation comprennent un ensemble de dispositifs supérieurs et un ensemble de dispositifs inférieurs. Quand ils sont à l'état actif, les dispositifs de commutation du pont commandé sont activés et bloqués séquentiellement par un microcalculateur et un dispositif triphasé d'attaque de grille dans un mode de

commande en six étapes, comme on le connaît dans la technique.

Un détecteur de passage par zéro est positionné pour accepter en entrée la tension aux bornes des diodes auxiliaires des dispositifs inférieurs. Le détecteur de passage par zéro fournit un signal au microcalculateur indiquant des passages par une tension nulle pour les diodes auxiliaires des

dispositifs inférieurs de commutation.

En fonctionnement, les enroulements de champ commencent à tourner lors du démarrage du moteur du véhicule. La rotation

des enroulements de champ produit une force contre-

électromotrice dans chacun des enroulements de stator. Après des pertes par résistance et inductance dans chacun des enroulements de stator, une tension de phase est émise par chacun des enroulements de stator. Les tensions de phase sont redressées à double alternance par le pont commandé pour produire une puissance en courant continu envoyée à la charge

électrique du véhicule.

Si la puissance en courant continu n'est pas suffisante pour fournir la puissance nécessaire, le microcalculateur ajuste le courant de champ à une valeur maximale en commandant un régulateur à transistors. Si la puissance nécessaire n'est toujours pas obtenue après avoir augmenté le courant de champ à une valeur maximale, le microcalculateur ordonne au dispositif

triphasé d'attaque de grille d'ajuster l'angle de puissance.

Pour augmenter l'angle de puissance, le microcalculateur doit

avoir une référence de la phase de la force contre-

électromotrice. Cette référence est fournie au microcalculateur par le détecteur de passage par zéro. Le détecteur de passage par zéro détecte les tensions aux bornes des diodes inférieures dans le pont de diodes. Le microcalculateur utilise ces passages par zéro comme des représentations des passages par zéro de la force contre-électromotrice. Avec une représentation des passages par zéro de la force contre- électromotrice, le microcalculateur a une référence pour la période et la phase exacte de la force contre-électromotrice, et un décalage de phase peut être introduit entre la tension de phase et la force

contre-électromotrice en se basant sur cette référence.

L'introduction du déphasage est réalisée en ajustant la séquence de commande en six étapes afin que l'instant de blocage et de mise en conduction de chaque dispositif de commutation soit retardé d'une valeur donnée. En introduisant un retard dans la commande en six étapes, un décalage de phase est introduit dans les tensions de phase, ce qui entraîne un déphasage entre la force contre-électromotrice et les tensions de phase, obtenant ainsi un angle souhaité de puissance et une plus grande production de puissance. A titre d'exemple, quand la tension aux bornes de la diode dans le dispositif inférieur de commutation relié à la phase B passe par zéro, ceci

représente un passage par zéro de la force contre-

électromotrice de la phase A, et le microcalculateur retarde la phase de la tension AC de phase. Ce retard de phase amènera l'angle de phase à augmenter vers 90 degrés et la puissance de l'alternateur sera ainsi augmentée. En conséquence, c'est un avantage de la présente invention de fournir un procédé nouveau pour commander l'angle de puissance sur l'alternateur d'un véhicule qui ne possède pas de capteurs et utilise seulement un simple circuit de détection de passage par zéro pour déterminer

une référence de machine de la phase de la force contre-

électromotrice. L'alternateur peut être exploité dans deux modes de base. Un mode est un mode "de diodes" o tous les transistors MOSFET sont bloqués et le redressement est assuré par les diodes auxiliaires des transistors MOSFET. Dans ce mode, le redresseur fonctionne comme un redresseur classique à pont de diodes. Un autre mode est un mode "en pont actif" dans lequel les commutateurs à transistor MOSFET sont activés et bloqués au

même instant o les diodes seraient conductrices et bloquées.

Ainsi, le mode en pont actif fonctionne d'une manière semblable au mode de diodes, sauf que le rendement du redresseur à diodes est augmenté en raison des pertes plus faibles en conduction des transistors MOSFET. De plus, dans le mode "en pont actif", la séquence de commutation des transistors MOSFET peut être légèrement retardée pour décaler l'angle de puissance de l'alternateur, permettant ainsi à la machine synchrone de produire plus de puissance à des vitesses faibles. La séquence de commutation est retardée par le microprocesseur en se basant sur les informations de passage par zéro reçues du détecteur de

passage par zéro.

DESCRIPTION SOMMAIRE DES DESSINS

La figure 1 est un schéma d'un alternateur classique ayant un pont passif de redressement; la figure 2 est un diagramme schématique d'un circuit équivalent d'une machine synchrone ayant un entrefer uniforme; la figure 3 est un diagramme en vecteur tournant représentant une condition de fonctionnement d'une machine synchrone ayant un redresseur en pont actif introduisant un décalage de phase; la figure 4 est un diagramme synoptique schématique d'un alternateur ayant une commande sans capteur de facteur de puissance selon la présente invention; la figure 5 représente généralement la relation entre une phase de la force contre-électromotrice et la tension aux bornes d'une diode auxiliaire inférieure selon la présente invention; la figure 6 représente la relation entre une phase de la force contre- électromotrice et la tension aux bornes d'une diode auxiliaire inférieure quand un retard de phase est introduit pas le dispositif de commande d'alternateur de la présente invention; la figure 7 représente généralement la relation entre une phase de la force contreélectromotrice, la sortie d'un détecteur de passage par zéro et une tension de phase; la figure 8 représente la relation entre une phase de la force contre-électromotrice, la sortie d'un détecteur de passage par zéro et une tension de phase quand un retard de phase est introduit par le dispositif de commande d'alternateur de la présente invention; et la figure 9 est un diagramme synoptique sous forme d'un ordinogramme représentant un procédé de commande d'un

alternateur selon la présente invention.

DESCRIPTION DéTAILLéE

En se référant à la figure 4, on a représenté un alternateur synchrone 10 ayant un enroulement 12 de champ et trois enroulements 14, 16 et 18 de stator en triangle. L'enroulement 12 de champ fait partie d'un rotor bobiné de champ (non représenté). La quantité de courant circulant dans l'enroulement de champ est commandée par un régulateur 70 à transistor. Le rotor est entraîné par un moteur (non représenté) à diverses vitesses. La rotation du rotor produit une force électromotrice alternative triphasée dans les enroulements 14, 16 et 18 de stator. La force électromotrice produite dans chacun des enroulements du stator est appelée force contre-électromotrice, et comprend une phase A de force

contre-électromotrice, une phase B de force contre-

électromotrice et une phase C de force contre-électromotrice.

La valeur des trois forces contre-électromotrices de phase produites dans les enroulements de stator dépend à la fois de la vitesse de rotation du rotor et de la valeur du courant circulant dans l'enroulement 12 de champ. Compte tenu de pertes résistives et inductives qui se produisant dans les enroulements 14, 16 et 18 de stator, des tensions de phase sont

définies aux bornes de chacun des enroulements de stator.

Les enroulements 14, 16 et 18 de stator ont trois bornes de sortie A, B et C, avec des tensions VAB, VBc et VcA définissant des tensions aux bornes des enroulements, et un courant alternatif circulant dans chacun des trois bornes de sortie A, B et C d'enroulement de stator. Les bornes de sortie du stator sont reliées à un redresseur commandé 20 en pont à double alternance. Le redresseur commandé en pont comprend six commutateurs à transistor MOSFET désignés par les numéros de référence 21 à 26. Il y a trois commutateurs supérieurs à transistor MOSFET, 21 à 23, et trois commutateurs inférieurs à transistor MOSFET, 24 à 26 qui forment trois paires correspondantes de transistors, chaque paire de transistor comprenant un commutateur supérieur à transistor MOSFET et un commutateur inférieur à transistor MOSFET. La borne A de l'enroulement de stator est reliée au pont redresseur entre le commutateur supérieur 21 et le commutateur inférieur 24 qui forment la première paire de transistors. La borne B de l'enroulement de stator est reliée au pont redresseur entre le commutateur supérieur 22 et le commutateur inférieur 25 qui forment la deuxième paire de transistors. La borne C de l'enroulement de stator est reliée au pont redresseur entre le commutateur supérieur 23 et le commutateur inférieur 26 qui forment la troisième paire de transistors. Chaque commutateur à transistor MOSFET comprend une diode auxiliaire 27 branchée entre la source et le drain du transistor MOSFET. Le pont redresseur reçoit un courant alternatif des bornes de sortie A, B et C des enroulements de stator et transforme le courant alternatif en un courant continu qui est fourni à la charge 15

d'un véhicule.

Les commutateurs 21 à 26 à transistor MOSFET du pont redresseur sont commandés (c'est-à-dire activés et bloqués) par un dispositif triphasé classique 60 d'attaque de grille. Le dispositif triphasé 60 d'attaque de grille est capable de faire fonctionner les commutateurs à transistor MOSFET dans deux modes de base. Le dispositif triphasé d'attaque de grille reçoit des signaux d'un microcalculateur 40 qui détermine le mode dans lequel les commutateurs à transistor MOSFET vont fonctionner. Le premier mode de base est un "mode en diodes" ou "mode en pont passif". Dans ce mode, le dispositif 60 d'attaque de grille bloque tous les commutateurs à transistor MOSFET et le pont redresseur 20 fonctionne seulement au moyen des diodes auxiliaires 27. Ceci amène le pont redresseur à fonctionner

comme un pont redresseur passif classique.

Le deuxième mode de base est le "mode en pont actif". Dans ce mode, les commutateurs à transistor MOSFET sont activés et bloqués par le dispositif triphasé d'attaque de grille en utilisant un procédé de commande en six étapes pour commander la sortie en courant continu du pont redresseur 20. Quand les commutateurs à transistor MOSFET sont activés et bloqués sélectivement, les commutateurs à transistor MOSFET déterminent le passage d'un courant, au lieu des diodes auxiliaires. Le procédé de commande en six étapes entraîne une tension sinusoïdale en six étapes dans chacune des tensions VAB, VBc et VCA de phase. Pour obtenir ce résultat, le dispositif triphasé d'attaque de grille commande les commutateurs à transistor MOSFET du pont redresseur de sorte que trois, et seulement trois, des commutateurs à transistor MOSFET soient conducteurs à la fois, et qu'un commutateur supérieur et un inférieur pour la même phase (c'est-à-dire pour la même paire de transistors) ne soient pas conducteurs à la fois. La séquence de commutation pour la commande en six étapes est affichée dans le tableau suivant: Etape Transistors MOSFET actifs

1 21, 25, 23

2 21, 25, 26

3 21, 22, 26

4 24, 22, 26

24, 22, 23

6 24, 25, 23

Un avantage du mode en pont actif sur le mode en pont de diodes est que le rendement du redresseur en pont est augmenté en raison des pertes plus faibles de conduction des commutateurs à transistor MOSFET. Un autre avantage du mode en pont actif est qu'un retard de phase peut être introduit dans les tensions de phase. A cet effet, les instants de blocage et d'activation pour chacun des commutateurs à transistor MOSFET sont retardés d'une valeur de temps déterminée par le microcalculateur ou programmée dans le microcalculateur. En retardant les instants de blocage et d'activation pour chacun des commutateurs à transistor MOSFET, les tensions de phase sont décalées dans le temps de la valeur du retard, ce qui entraîne un déphasage pour

chacune des tensions de phase.

Le microcalculateur reçoit une pluralité de signaux d'entrée pour déterminer le mode dans lequel va fonctionner l'alternateur. Un détecteur 80 de surtension surveille la tension de la batterie 30 à sa borne positive 30a et envoie un signal au microcalculateur quand un défaut s'est produit

concernant la batterie, tel qu'un câble desserré de batterie.

Dans une situation de surtension, telle qu'un câble desserré de batterie, la nature inductive du système amène une pointe élevée de tension à apparaître sur la borne positive 30a d'alimentation. Dans cette situation, le microcalculateur ordonne immédiatement au dispositif triphasé 60a d'attaque de grille de faire fonctionner les commutateurs à transistor MOSFET dans un mode "de coupure d'alimentation". Dans le mode de coupure d'alimentation, tous les commutateurs supérieurs à transistor MOSFET, 21 à 23, sont bloqués et tous les commutateurs inférieurs à transistor MOSFET, 24 à 26, sont activés. Avec cette disposition, l'énergie dans la pointe de tension est dissipée dans les enroulements 14, 16 et 18 de l'alternateur et n'endommage pas les composants de l'alternateur ni les dispositifs de charge. L'alternateur peut être conçu avec un équipement matériel (non représenté) qui amène immédiatement l'alternateur à fonctionner dans un mode "de coupure d'alimentation" si une situation de surtension apparaissait. Le microcalculateur surveille aussi la tension de la batterie à la borne 30a. La tension de la batterie joue un rôle pour déterminer le mode dans lequel va fonctionner l'alternateur, et particulièrement la valeur du courant qui sera autorisé à circuler dans l'enroulement 12 de champ pour réguler la tension de la batterie. Le microcalculateur est relié à un dispositif 72 d'attaque de grille de champ de rotor qui commande un régulateur 70 de tension. En se basant sur la tension de la batterie, le microcalculateur envoie des instructions au dispositif 72 d'attaque de grille de champ de rotor pour attaquer le régulateur 70 et permettre à un courant de valeur souhaitée de circuler dans l'enroulement 12 de champ. Quand un courant accru circule dans l'enroulement 12 de champ, la puissance de l'alternateur est augmentée aussi. Cependant, si un courant trop élevé circule dans l'enroulement de stator, l'alternateur commencera à entrer en surchauffe. Ainsi, une pluralité d'interfaces 90 de thermistance envoient aussi des signaux au microcalculateur 40 concernant la température de fonctionnement de l'alternateur. Les interfaces de thermistance sont reliées à des thermistances 92 qui fournissent des informations de température en divers emplacements de l'alternateur comprenant la température du dispositif

refroidisseur et la température ambiante de l'alternateur.

Quand le microcalculateur 40 détecte que l'alternateur 10 est en surchauffe, le courant de champ sera limité pour essayer de

refroidir l'alternateur.

Le microcalculateur 40 reçoit aussi des signaux d'un détecteur de passage par zéro qui influence le fonctionnement du pont redresseur dans le mode en pont actif. Le détecteur 50 de passage par zéro surveille la tension aux bornes des diodes

auxiliaires 27 des commutateur inférieurs à transistor MOSFET.

Le détecteur de passage par zéro comprend trois bornes d'entrée qui relient le détecteur 50 de passage par zéro à chacune des bornes de sortie A, B et C des enroulements de stator. Les bornes A, B et C des enroulements de stator sont reliées aux cathodes correspondantes des diodes auxiliaires 27 pour les commutateurs inférieurs 24 à 26 à transistor MOSFET. Le détecteur de passage par zéro surveille la tension entre les diodes auxiliaires 27 des commutateurs inférieurs 24 à 26 à transistor MOSFET et la masse. Le détecteur de passage par zéro envoie trois signaux en onde carrée au microcalculateur à chaque tour électrique, dans lesquels le signal en onde carrée représente les passages par une tension nulle de chacune des

diodes auxiliaires des transistors MOSFET inférieurs.

L'alternateur 10 de la présente invention utilise les passages par zéro des diodes auxiliaires des transistors MOSFET

inférieurs pour calculer la phase de la force contre-

électromotrice dans l'alternateur. La figure 5 représente une forme d'onde 110 simulant la force contre-électromotrice de la phase A dans l'alternateur 10. La figure 5 représente aussi une forme d'onde 112 représentant la tension aux bornes de la diode auxiliaire du transistor MOSFET 25 (qui est relié à la borne B). La forme d'onde 112 représente la tension aux bornes de la

diode auxiliaire inférieure quand le commutateur 25 est active.

Comme on peut le voir à la figure 5, quand le commutateur 25 est activé, la tension aux bornes de la diode auxiliaire passe d'une valeur légèrement négative à une valeur positive. A l'instant exact o la tension aux bornes de la diode auxiliaire passe d'une valeur négative à une valeur positive, la force contre-électromotrice de la phase A passe d'une valeur négative à une valeur positive. En conséquence, les passages par zéro d'une tension négative à une positive de la diode auxiliaire pour le commutateur inférieur à transistor MOSFET relié à la borne B correspondent exactement aux passages par zéro d'une

valeur négative à une positive de la force contre-

électromotrice de la phase A. En conséquence, même si la force contreélectromotrice ne peut pas être mesurée directement pendant le fonctionnement réel de l'alternateur, la force contre-électromotrice de la phase A peut être déterminée en surveillant les passages par zéro d'une tension négative à une positive de la diode auxiliaire pour le commutateur inférieur à transistor MOSFET relié à la sortie B de l'enroulement. Parce qu'on sait que la force contre-électromotrice est une forme d'onde sinusoïdale, la période de la forme d'onde de la force contre-électromotrice de la phase A peut être calculée en mesurant le temps qui s'écoule entre deux passages par zéro d'une tension négative à une positive de la diode auxiliaire du commutateur inférieur 25 à transistor MOSFET. De plus, le microcalculateur peut déterminer la phase exacte de la force contre-électromotrice de la phase A en observant le passage par zéro d'une tension négative à une positive de la diode auxiliaire du commutateur inférieur 25 à transistor MOSFET, et en associant le passage par zéro d'une tension négative à une positive de la force contre-électromotrice de la phase A au même passage par zéro. Ainsi, une référence pour la phase de la force contre- électromotrice de la phase A est établie pour

introduire un décalage de phase entre la force contre-

électromotrice de la phase A et la tension VAB de phase. Les passages par zéro de la force contre-électromotrice pour les phases B et C peuvent aussi être déterminés en surveillant les passages par zéro de la tension aux bornes des diodes auxiliaires 27 des commutateurs correspondants 26 et 24 à

transistor MOSFET.

La figure 6 représente une forme d'onde 110 de force contre-

électromotrice de la phase A, aussi représentée à la figure 5, et la forme d'onde 114 de sortie du détecteur de passage par zéro qui fournit une indication des passages par zéro de la tension aux bornes de la diodeauxiliaire 27 du commutateur inférieur 25 à transistor MOSFET. La forme d'onde 114 de sortie du détecteur de passage par zéro indique que la tension aux bornes de la diode auxiliaire 27 du commutateur 25 passe d'une valeur négative à une positive quand la forme d'onde 114 passe d'une valeur négative à une positive. La forme d'onde 110 de force contre-électromotrice de la phase A passe aussi d'une valeur négative à une positive à l'instant exact o la forme d'onde de passage par zéro pour la diode auxiliaire 27 du

commutateur 25 passe d'une valeur négative à une positive.

Sachant que la forme d'onde 110 de force contre-électromotrice est une forme d'onde sinusoïdale, le microprocesseur peut effectuer une détermination de la période et de la phase précise de la force contreélectromotrice en se basant sur la

forme d'onde de passage par zéro.

Les autres phases de force contre-électromotrice peuvent être calculées de la même manière que celle décrite précédemment. En particulier, la force contre-électromotrice de la phase B est déterminée en surveillant la forme d'onde de passage par zéro pour la diode auxiliaire du commutateur 26 à transistor MOSFET qui est relié à la sortie C des enroulements de stator. La force contre-électromotrice de la phase C est déterminée en surveillant la forme d'onde de passage par zéro pour la diode auxiliaire du commutateur 24 à transistor MOSFET qui est relié à la sortie A des enroulements de stator. Quand le détecteur de passage par zéro indique une variation de tension d'une valeur négative à une positive, le microprocesseur sait que la force contre-électromotrice correspondante de phase vient aussi de changer dTune valeur négative à une positive. La période de chaque phase de la force contre-électromotrice devrait être

exactement la même.

Pour confirmer que l'alternateur fonctionne correctement, le microprocesseur calcule le temps entre les passages par zéro d'une valeur négative à une positive à partir des signaux du détecteur de passage par zéro. Chaque passage par zéro d'une valeur négative à une positive représente les passages par zéro d'une valeur négative à une positive des phases successives de la force contre-électromotrice. Les passages par zéro d'une valeur négative à une positive devraient avoir lieu séparés les uns des autres d'un tiers de période (ou 120 ). Si les impulsions passant d'une valeur négative à une positive ne sont pas séparées les unes des autres de 120 , le microprocesseur saura qu'une erreur s'est produite dans l'alternateur. Bien entendu, le microprocesseur peut autoriser la survenance d'une légère erreur entre les impulsions avant de déterminer une erreur. Par exemple, on peut déterminer qu'aucune erreur n'a lieu tant que les impulsions passant d'une valeur négative à une positive sont toutes séparées les unes des autres de 120 à

un degré près en plus ou en moins.

Avec une référence de machine établie pour les passages par zéro de la force contre-électromotrice pour chaque phase et la possibilité d'introduire un retard dans les tensions de phase, il est possible d'introduire un déphasage d'angle de puissance dans l'alternateur et d'augmenter la puissance de l'alternateur. Comme mentionné précédemment, l'angle de

puissance est la différence entre la force contre-

électromotrice et la tension de phase dans chacun des

enroulements de stator. La phase de la force contre-

électromotrice est calculée comme décrit ci-dessus en surveillant les passages par zéro aux bornes des diodes auxiliaires 27 dans les commutateurs inférieurs 24 à 26 à transistor MOSFET. Avec la connaissance de la phase exacte de la force contre- électromotrice, chaque tension de phase peut être retardée comme décrit ci-dessus en faisant fonctionner le pont redresseur dans le mode actif et en retardant les instants de blocage et d'activation pour chacun des commutateurs à

transistor MOSFET.

La figure 7 représente une simulation de la force contre-

électromotrice de la phase A (forme d'onde 110) et la tension aux bornes de la diode auxiliaire du transistor MOSFET 25 (forme d'onde 112). La figure 7 est semblable à la figure 5, mais à la figure 7 l'instant d'activation et de blocage pour le commutateur 25 à transistor MOSFET est retardé de 30o. Là encore, le passage par zéro d'une tension négative à une positive pour la diode auxiliaire du transistor MOSFET 25 est aligné avec le passage par zéro d'une tension négative à une positive pour la force contre-électromotrice de la phase A. La seule différence entre la figure 5 et la figure 7 est que la commutation des transistors MOSFET est modifiée pendant le fonctionnement du pont redresseur 20. Plus précisément, la commutation de chaque commutateur à transistor MOSFET est retardée de 30o à la figure 7. Le résultat de ce retard de

commutation des transistors MOSFET peut être vu à la figure 8.

La figure 8 représente les mêmes informations que celles affichées à la figure 6, mais avec une tension VAB de phase en avance de phase de 30o due au retard de commutation des commutateurs à transistor MOSFET. L'avance de phase de 30 dans la tension VAB de phase entraîne un décalage de 300 d'angle de puissance entre la force contre-électromotrice de la phase A représentée par la forme d'onde 110 et la tension VAB de phase représentée par la forme d 'onde 116. Une comparaison de la figure 6 et de la figure 8 montre que le retard de commutation des transistors MOSFET entraîne un décalage vers la droite, c'est-à-dire un "retard de phase" pour la forme d'onde 116. En conséquence, au moyen des informations fournies au microcalculateur concernant la tension des diodes auxiliaires dans les commutateurs inférieurs à transistor MOSFET, le microcalculateur est capable de commander le pont redresseur 20 et d'introduire un décalage de phase d'angle de puissance pour

améliorer la puissance fournie par l'alternateur.

Le fonctionnement de l'alternateur 10 est décrit en se référant à la figure 9, qui représente un ordinogramme des opérations du microcalculateur. Comme indiqué à une étape 202, quand le système est initialement dans un état non alimenté et que le moteur du véhicule ne tourne pas, le microcalculateur attend un signal du détecteur de passage par zéro. A la réception d'un signal de passage par zéro pour indiquer que le moteur tourne et que l'alternateur est opérationnel, le microcalculateur active la commande de champ comme indiqué à une étape 204. Le fonctionnement de la commande de champ comprend de surveiller la tension B+ à la borne 30a et de déterminer si une puissance plus élevée est nécessaire. Si une puissance plus élevée est nécessaire, le microcalculateur active le dispositif 72 d'attaque de grille de champ de rotor pour permettre à un courant plus élevé de circuler dans le régulateur 70 et l'enroulement 12 de champ. Quand un courant plus élevé circule dans l'enroulement de champ, une puissance plus élevée est

obtenue de l'alternateur.

Maintenant, à une étape 206, le microcalculateur commande le dispositif triphasé d'attaque de grille pour faire fonctionner le pont redresseur dans le mode en diodes avec tous les commutateurs à transistor MOSFET bloqués, de sorte que le redresseur est exploité avec seulement les diodes auxiliaires des commutateurs à transistor MOSFET. Après l'étape 206, le microcalculateur interroge le détecteur 80 de surtension pour déterminer s'il existe une pointe de tension aux bornes de la batterie. Si une condition de surtension existe, le redresseur

continue à fonctionner dans le mode de redresseur à diodes.

S'il n'existe aucun défaut dû à une surtension signalée par le détecteur de surtension, le microcalculateur passe à une étape 210 pour vérifier des erreurs de passage par zéro. Une erreur de passage par zéro a lieu quand la différence entre deux passages quelconques par zéro pour des phases successives de la force contre-électromotrice est différente du tiers de la période de la force contre-électromotrice (c'est-à-dire 120 ) avec une marge d'erreur en plus ou en moins. Le

microcalculateur calcule la période de la force contre-

électromotrice en mesurant le temps entre deux passages d'une valeur négative à une positive pour une phase individuelle de force contreélectromotrice. Alors, afin qu'il ne se produise pas d'erreurs de passage par zéro, les signaux de passage par zéro d'une valeur négative à une positive doivent apparaître à 1200 plus ou moins la valeur d'erreur pour chaque phase successive de la force contre- électromotrice. Si des erreurs de passage par zéro sont présentes, le microcalculateur commence à faire fonctionner le pont redresseur dans un mode de pont

actif, en commençant à une étape 212.

Une fois dans le mode de pont actif à l'étape 212, le microcalculateur fait fonctionner le pont redresseur selon la commande en six étapes décrite ci-dessus. La commande en six étapes augmente le rendement du pont redresseur 20 en raison de pertes plus faibles de conduction des commutateurs à transistor

MOSFET en comparaison avec les diodes seules.

A l'étape 212, le microcalculateur détermine la vitesse à laquelle tourne le rotor en se basant sur le nombre de passages par zéro par seconde indiqué par le détecteur de passage par zéro. Cette vitesse peut être déterminée parce que la fréquence de la force contre-électromotrice est une fonction de la vitesse du rotor. Si le rotor tourne au-dessus d'un nombre donné de tours par minute, par exemple 3 500 tr/mn, le microcalculateur sait qu'une puissance suffisante pour alimenter la charge du véhicule est produite par l'alternateur, et aucune avance de phase n'est introduite, comme représenté à une étape 214. Au contraire, si le rotor tourne à une vitesse réduite (par exemple, moins de 3 500 tours par minute), le microcalculateur prévoit qu'une puissance plus élevée devrait être fournie à la charge du véhicule. Comme représenté à une étape 216, pour maximiser la puissance fournie à la charge du véhicule quand le rotor tourne à une vitesse réduite, le microcalculateur introduit un angle de puissance dans l'alternateur en incorporant un retard prédéterminé de phase aux tensions de phase. Comme décrit précédemment, un retard dans les tensions de phase peut être introduit en amenant les états conducteur/bloqués des commutateurs à transistor MOSFET dans la séquence de commande en six étapes à être légèrement retardés. Le microcalculateur a une référence de machine pour la phase de la force contre-électromotrice au moyen des informations de passage par zéro d'une valeur négative à une positive fournies par le détecteur de passage par zéro. Avec

une référence pour la phase exacte de la force contre-

électromotrice, le microcalculateur retarde le cadencement d'activation et de blocage des commutateurs à transistor MOSFET en se basant sur la phase de la force contre-électromotrice. En retardant la commutation des transistors MOSFET, un retard prédéterminé de phase est introduit dans les tensions de phase et un angle décalé de puissance est établi entre les tensions de phase et les phases de la force contre-électromotrice. En conséquence, une puissance accrue est fournie par l'alternateur à la charge du véhicule pendant que le moteur tourne au ralenti. Après avoir ajusté l'angle de puissance dans l'alternateur, le microprocesseur passe à une étape 218 et recherche la présence de défauts de température signalés par les interfaces de thermistance. Si des températures accrues existent dans l'alternateur, le microcalculateur limite le courant de champ à une étape 220 dans une tentative pour faire face à

l'augmentation de température.

Si la température de l'aiternateur est acceptable, le microcalculateur vérifie de nouveau la vitesse de rotation du rotor, en tours par minute, à une étape 222. Si le nombre de tours par minute est tombé au-dessous d'une vitesse (par exemple 800 tours/minute) suggérant que le moteur est en train de s'arrêter, le microcalculateur vérifie de nouveau les passages par zéro à une étape 224. Si aucun passage par zéro n'est détecté, le moteur a dû être arrêté et le système est

placé en mode de coupure d'alimentation.

Si des passages par zéro sont détectés à l'étape 224, ou si à l'étape 222 la vitesse de rotation du rotor ne suggère pas que le moteur est au-dessous d'une vitesse de ralenti, le microprocesseur vérifie, à une étape 228, si l'alternateur est mis en mode de coupure d'alimentation au moyen d'un équipement

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s facultatif de l'alternateur. Si l'alternateur est en mode de coupure d'alimentation, le microprocesseur réinitialise l'alternateur en mode de diodes. Si l'alternateur ne fonctionne pas en mode de coupure d'alimentation, le microprocesseur revient à l'étape 210 et recherche des erreurs de passage par zéro. Tant qu'aucune erreur de passage par zéro n'est présente, le microprocesseur décrit de nouveau une boucle passant par les étapes 210 à 228 et continue à faire fonctionner l'alternateur

dans le mode de pont actif.

Les personnes qualifiées en la matière remarqueront que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ici sans quitter l'esprit et la portée de l'invention. A titre d'exemple, le microcalculateur peut être programmé pour ajuster par incréments l'angle de puissance, plutôt que de mettre en oeuvre un angle prédéterminé de puissance. Au titre d'un autre exemple, la détection de passage par zéro peut être mise en oeuvre en utilisant seulement une ou deux phases au lieu des trois phases. Des modifications supplémentaires apparaîtront facilement aux personnes qualifiées en la matière, et l'invention, telle que définie

dans les revendications, ne devrait pas être limitée aux modes

de réalisation représentés.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1. Alternateur (10) entraîné par un moteur, l'alternateur comprenant: a) des enroulements triphasés (14, 16, 18) de stator ayant trois bornes de sortie (A, B, C) d'enroulement de stator; b) un rotor ayant un enroulement (12) de champ de rotor couplé magnétiquement auxdits enroulements (14, 16, 18) de stator et entrainé par le moteur pour produire une force contre-électromotrice dans lesdits enroulements de stator et un courant électrique auxdites trois bornes de sortie (A, B, C) d'enroulement de stator; c) un pont redresseur (20) ayant une sortie en courant continu, comprenant une pluralité de commutateurs à transistor, ladite pluralité de commutateurs à transistor comprenant au moins trois paires de commutateurs supérieurs (21, 22, 23) à transistor et de commutateurs inférieurs (24, 25, 26) à transistor reliés et chacun de ladite pluralité de commutateurs à transistor comprenant des diodes auxiliaires (27) en dérivation avec lesdits commutateurs à transistor, dans lequel chacune desdites trois bornes de sortie (A, B, C) d'enroulement de stator est reliée électriquement audit pont redresseur (20) entre une paire correspondante desdits commutateurs supérieurs (21, 22, 23) à transistor et desdits commutateurs inférieurs (24, 25, 26) à transistor, d) un détecteur (50) de passage par zéro relié auxdites trois bornes de sortie (A, B, C) d'enroulement de stator, ledit détecteur de passage par zéro étant conçu pour déterminer les passages par une tension nulle aux bornes desdites diodes auxiliaires (27) desdits commutateurs inférieurs (24, 25, 26) à transistor et produire une forme d'onde indiquant lesdits passages par une tension nulle, dans lequel lesdits passages par une tension nulle aux bornes desdites diodes auxiliaires

(27) représentent des passages par zéro de ladite force contre-

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électromotrice dans lesdits enroulements (14, 16, 18) de stator; e) un microcalculateur (40) relié audit détecteur (50) de passage par zéro, ledit microcalculateur étant conçu pour recevoir dudit détecteur de passage par zéro ladite forme d'onde indiquant lesdits passages par une tension nulle et commander le fonctionnement desdits commutateurs (21 à 26) à transistor dans ledit pont redresseur (20) afin de commander l'angle de phase des tensions de phase auxdites trois bornes de sortie (A, B, C) d'enroulement de stator et d'introduire un décalage de phase entre lesdites tensions de phase et ladite

force contre-électromotrice.

2. Alternateur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit microcalculateur (40) peut commander ledit pont redresseur (20) pour fonctionner dans deux modes différents, un premier mode dans lequel lesdits commutateurs (21 à 26) à transistor sont bloqués et seules lesdites diodes auxiliaires (27) redressent ledit courant électrique provenant desdits enroulements (14, 16, 18) de stator, et un deuxième mode dans lequel lesdits commutateurs (21 à 26) à transistor fonctionnent dans une séquence prédéterminées pour augmenter le rendement

dudit pont redresseur (20).

3. Alternateur (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit microcalculateur (40) commande lesdits commutateurs (21 à 26) à transistor dudit pont redresseur (20) dans ledit deuxième mode selon une séquence prédéterminée de commande en six étapes, de sorte que les commutateurs à transistor sont activés et bloqués séquentiellement de manière à commander l'angle de phase des tensions de phase auxdites trois bornes (A, B, C) d'enroulement de stator et introduire un décalage de phase entre lesdites tensions de phase et ladite

force contre-électromotrice.

4. Alternateur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un détecteur (80) de surtension pour déterminer si une tension prédéterminée est dépassée à la sortie dudit pont redresseur (20) et pour fournir un signal audit microcalculateur (40) indiquant la surtension, afin que ledit microcalculateur commande la tension de sortie du pont

redresseur (20).

5. Alternateur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: f) des capteurs (90, 92) de température qui détectent la température à des endroits prédéterminés dudit alternateur

(10),

et dans lequel ledit microcalculateur (40) commande le courant envoyé auxdits enroulements (14, 16, 18) de rotor de manière à réduire ledit courant si lesdits capteurs (90, 92) de température détectent des températures dépassant un niveau

prédéterminé.

6. Alternateur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits commutateurs (21 à 26) à transistor sont des

commutateurs à transistor MOSFET.

7. Alternateur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit angle de puissance est maintenu à une valeur prédéterminée pour augmenter le courant de sortie de l'alternateur.

8. Alternateur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit angle de puissance est ajusté en permanence par ledit microcalculateur (40) en fonction du courant de

l'alternateur à la sortie en courant continu.

9. Alternateur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur est le moteur d'un véhicule et que ladite sortie en courant continu est reliée à la charge électrique

(15) dudit véhicule à moteur.

10. Procédé pour faire fonctionner un alternateur (10) ayant un enroulements triphasé (14, 16, 18) de stator avec trois bornes de sortie (A, B, C) d'enroulement de stator reliées à un pont redresseur (20) commandé à double alternance ayant une sortie en courant continu et comprenant une pluralité de commutateurs (21 à 26) à transistor avec des diodes auxiliaires (27) reliées aux bornes de chacun desdits commutateurs à transistor, caractérisé en ce qu'une force contre-électromotrice est créée dans chacun des enroulements triphasés (14, 16, 18) de stator et que des tensions de phase sont créées aux trois bornes de sortie (A, B, C) d'enroulement de stator, le procédé comprenant les étapes consistant à; a) commander séquentiellement chacun de la pluralité de commutateurs (21 à 26) à transistor en fonction d'une séquence prédéterminée de commande; b) surveiller l'apparition de passages par une tension nulle aux bornes des diodes auxiliaires (27) dans ledit pont redresseur (20) à double alternance, les passages par une tension nulle représentant les passages par zéro de la force contre-électromotrice produite dans les enroulements (14, 16, 18) de stator; et c) commander en plus le fonctionnement de la pluralité de commutateurs (21 à 26) à transistor en introduisant un retard de temps dans la séquence de commande, ledit retard de temps entraînant des décalages de phase dans les tensions de phase, ce qui introduit ainsi un angle de puissance entre la phase de la force contre-électromotrice et les phases des tensions de phase.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la pluralité de commutateurs (21 à 26) à transistor comprend au moins trois paires formées d'un commutateur supérieur (21, 22, 23) à transistor et d'un commutateur inférieur (24, 25, 26) à transistor reliés l'un à l'autre et en ce que l'étape de surveillance de l'apparition de passages par 2? une tension nulle aux bornes des diodes auxiliaires (27) comprend de surveiller les passages par une tension nulle des diodes auxiliaires dans les commutateurs inférieurs (24, 25,

26) à transistor.

12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les commutateurs (21 à 26) à transistor sont des

commutateurs à transistor MOSFET.

13. Procédé pour calculer la position d'une phase d'une force contreélectromotrice produite dans un enroulement triphasé (14, 16, 18) de stator d'un alternateur (10) de véhicule, l'enroulement triphasé de stator ayant trois bornes de sortie (A, B, C) d'enroulement reliées à un pont redresseur (20) commandé attaqué par un microcalculateur (40), le pont redresseur commandé comprenant trois commutateurs supérieurs (21, 22, 23) à transistor avec des diodes auxiliaires (27) reliées aux bornes des commutateurs supérieurs à transistor et trois commutateurs inférieurs (24, 25, 26) à transistor avec des diodes auxiliaires (27) reliées aux bornes des commutateurs inférieurs à transistor, les commutateurs supérieurs (21, 22, 23) à transistor étant reliés respectivement à l'un correspondant desdits commutateurs inférieurs (24, 25, 26) à transistor pour former trois paires de commutateurs supérieur et inférieur à transistor, caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes consistant à: a) fournir un détecteur (50) de passage par zéro pour surveiller des passages par une tension nulle aux bornes desdites diodes auxiliaires (27) desdits commutateurs inférieurs (24, 25, 26) à transistor; b) fournir au microcalculateur (40) un signal indiquant lesdits passages par une tension nulle aux bornes desdites diodes auxiliaires (27); c) associer une forme d'onde sinusoïdale à une phase de la force contre- électromotrice et associer les passages par une tension nulle aux bornes desdites diodes auxiliaires (27) aux

passages par zéro de ladite phase de la force contre-

électromotrice.

14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les commutateurs (21 à 26) à transistor sont des

commutateurs à transistor MOSFET.