FR2830138A1 - Measurement of electric motor currents in a speed varying inverter, uses shunt current sensors in lower branches of inverter - Google Patents
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Abstract
Description
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La présente invention se rapporte à un système de mesure des courants moteur dans un onduleur de variateur de vitesse, comportant dans les bras de ponts, des capteurs de mesure de courant délivrant des signaux à des échantillonneurs bloqueurs aptes à mémoriser des mesures de courant pouvant être envoyées à un micro-contrôleur après conversion par un convertisseur analogique-numérique et des moyens pour commander les interrupteurs de l'onduleur dont les instants de commutation sont déterminés par la comparaison entre une onde de référence et une porteuse triangulaire. The present invention relates to a system for measuring the motor currents in a speed controller inverter, comprising in the bridge arms, current measurement sensors delivering signals to blocking samplers able to store current measurements which can be sent to a microcontroller after conversion by an analog-digital converter and means for controlling the switches of the inverter whose switching times are determined by the comparison between a reference wave and a triangular carrier.
Un convertisseur de fréquence alimenté par un réseau à courant alternatif sert à commander un moteur sous une fréquence et une tension variables. Il se compose d'un étage redresseur qui alimente, sous une tension continue et après filtrage, un onduleur de tension. A frequency converter powered by an alternating current network is used to control a motor at a variable frequency and voltage. It consists of a rectifier stage which supplies a voltage inverter under DC voltage and after filtering.
Cet onduleur comporte des interrupteurs (par exemple des transistors IGBT) qui sont commandés par un circuit de contrôle à microcontrôleur selon une technique appelée modulation de largeur d'impulsions (ou encore PWM ou MLI) délivrant au moteur une suite d'impulsions modulées en largeur. Les instants de commutation des transistors sont fixés par comparaison d'une onde de référence représentant la tension de sortie d'une phase et d'une porteuse triangulaire. This inverter includes switches (for example IGBT transistors) which are controlled by a microcontroller control circuit according to a technique called pulse width modulation (or PWM or PWM) delivering to the motor a series of width modulated pulses. . The switching times of the transistors are fixed by comparison of a reference wave representing the output voltage of a phase and of a triangular carrier.
Dans un convertisseur de fréquence, on a besoin de connaître le courant dans les phases pour réguler la vitesse et le couple et pour assurer la protection contre les sur-courants et les courts-circuits. Pour réguler la vitesse, c'est la sinusoïde de courant (fondamental de courant) que l'on recherche. In a frequency converter, it is necessary to know the current in the phases to regulate the speed and the torque and to ensure protection against over-currents and short-circuits. To regulate the speed, it is the sinusoid of current (fundamental of current) that one seeks.
On connaît des variateurs dans lesquels on effectue une mesure de courant par un shunt unique placé sur le bus de l'alimentation de l'onduleur. Cette solution fournit des informations sur la puissance absorbée par la machine et donc sur son état de charge mais elle ne permet pas d'utiliser des lois de commande vectorielle. Inverters are known in which a current measurement is carried out by a single shunt placed on the bus supplying the inverter. This solution provides information on the power absorbed by the machine and therefore on its state of charge but it does not allow the use of vector control laws.
On connaît, par le document EP 0834983, un onduleur de variateur de vitesse dans lequel la reconstruction des courants moteur s'effectue à partir de mesures données par des shunts placés au bas des branches de l'onduleur. Le principe de mesure est basé sur un ASIC qui utilise les ordres de commandes des interrupteurs. La chaîne de mesure est complexe et coûteuse pour un petit variateur et la mesure des courants n'est pas optimale. Document EP 0834983 discloses a variable speed inverter in which the reconstruction of the motor currents is carried out on the basis of measurements given by shunts placed at the bottom of the branches of the inverter. The measurement principle is based on an ASIC which uses the switch control commands. The measurement chain is complex and expensive for a small drive and the measurement of currents is not optimal.
La présente invention a pour but de mesurer les courants moteur par trois shunts placés en partie basse des branches de l'onduleur et de reconstituer les images des courants des phases moteur par un algorithme logiciel. La chaîne de mesure des courants est alors extrêmement réduite et bien adaptée à des variateurs de petite puissance et de faible coût. The present invention aims to measure the motor currents by three shunts placed in the lower part of the branches of the inverter and to reconstruct the images of the currents of the motor phases by a software algorithm. The current measurement chain is therefore extremely reduced and well suited to low-power and low-cost drives.
L'optimisation de l'instant de mesure permet d'obtenir le fondamental du courant moteur. Optimization of the measurement time allows the fundamental of the motor current to be obtained.
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Le système de mesure selon l'invention est essentiellement caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour calculer la durée des ordres de commande, des moyens pour faire délivrer par le microcontrôleur un signal de commande des échantillonneurs bloqueurs, ce signal étant synchrone avec les sommets de la porteuse triangulaire, à mesurer la tension aux bornes d'un capteur et utiliser les mesures de courant si la durée de l'ordre de commande est supérieure à une valeur prédéterminée ou pour calculer le courant de phase si la durée de l'ordre de commande est inférieure à la valeur prédéterminée. The measurement system according to the invention is essentially characterized by the fact that it comprises means for calculating the duration of the control orders, means for causing the microcontroller to deliver a control signal from the blocking samplers, this signal being synchronous with the vertices of the triangular carrier, to measure the voltage across a sensor and use current measurements if the duration of the control command is greater than a predetermined value or to calculate the phase current if the duration of l the order is less than the predetermined value.
Selon une caractéristique, les capteurs de mesure sont montés dans les branches basses de l'onduleur et le système comporte des moyens pour mesurer les courants délivrés par ces capteurs aux instants déterminés par le signal de commande, les courants traversant les capteurs de mesure prenant la valeur du fondamental des courants des phases du moteur. According to one characteristic, the measurement sensors are mounted in the lower branches of the inverter and the system includes means for measuring the currents delivered by these sensors at the instants determined by the control signal, the currents passing through the measurement sensors taking the fundamental value of the motor phase currents.
D'autres caractéristiques sont définies dans les revendications annexées. Other features are defined in the appended claims.
L'invention va maintenant être décrite avec plus de détail en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma de la chaîne de mesure de l'onduleur selon l'invention ; - la figure 2 est un diagramme donnant dans le cas d'une commutation sans retard, le courant shunt en fonction du temps ; - la figure 3 est un diagramme donnant, en fonction du temps, le courant shunt dans le cas d'une modulation avec dépassement du niveau de la porteuse ; - la figure 4 est un diagramme donnant dans le cas d'une commutation avec retard, le courant shunt en fonction du temps. The invention will now be described in more detail with reference to an embodiment given by way of example and illustrated by the appended drawings in which: - Figure 1 is a diagram of the measurement chain of the inverter according to the invention; - Figure 2 is a diagram giving in the case of switching without delay, the shunt current as a function of time; - Figure 3 is a diagram giving, as a function of time, the shunt current in the case of a modulation with exceeding the level of the carrier; - Figure 4 is a diagram giving in the case of a switching with delay, the shunt current as a function of time.
La figure 1 montre un onduleur de tension 1 qui fait partie d'un variateur de vitesse et est équipé du système de mesure de courants selon l'invention. Cet onduleur est alimenté aux bornes positive et négative d'une source de tension continue non représentée. Figure 1 shows a voltage inverter 1 which is part of a speed controller and is equipped with the current measurement system according to the invention. This inverter is supplied at the positive and negative terminals of a DC voltage source, not shown.
Cet onduleur de tension 1 est pourvu d'interrupteurs T1 à T6, ici des transistors de type IGBT, associés à des diodes 01 à D6. Les transistors T1 à T6 sont commandés par un circuit de commande et par un microcontrôleur C de manière à délivrer au moteur MAS, sur les lignes de phases, une suite d'impulsions modulées en largeur (modulation de largeur d'impulsions ou MLI) qui sont référencées Vp1, Vp2 et Vp3. On considère que le moteur MAS est équilibré et que par conséquent la somme des courants réels Ip1, Ip2 et Ip3 sur les lignes de phases est égale à 0. This voltage inverter 1 is provided with switches T1 to T6, here IGBT type transistors, associated with diodes 01 to D6. The transistors T1 to T6 are controlled by a control circuit and by a microcontroller C so as to deliver to the motor MAS, on the phase lines, a series of pulses modulated in width (pulse width modulation or PWM) which are referenced Vp1, Vp2 and Vp3. We consider that the MAS motor is balanced and that consequently the sum of the real currents Ip1, Ip2 and Ip3 on the phase lines is equal to 0.
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L'onduleur 1 intègre trois shunts Rs, un par branche. Chaque shunt Rs est monté dans la partie basse d'une branche de l'onduleur, entre un couple transistor-diode de roue libre de la voie basse et le moins du bus de la source de tension continue qui donne le potentiel de référence pour les mesures. Inverter 1 incorporates three Rs shunts, one per branch. Each Rs shunt is mounted in the lower part of a branch of the inverter, between a transistor and free-wheeling diode pair of the low channel and the least of the bus of the DC voltage source which gives the reference potential for the measures.
Les shunts Rs fournissent des tensions Vs1, Vs2, Vs3 qui sont des images des courants Is Is2, Is3 passant dans les branches de l'onduleur. Ces tensions Vs1, Vs2, Vs3
sont amplifiées par des amplificateurs A 1, A2, A3 respectivement et sont envoyées sur trois échantillonneurs-bloqueurs 5 1-C1, 52-C2, 53-C3 regroupés dans un ensemble EB. The shunts Rs supply voltages Vs1, Vs2, Vs3 which are images of the currents Is Is2, Is3 passing through the branches of the inverter. These voltages Vs1, Vs2, Vs3
are amplified by amplifiers A 1, A2, A3 respectively and are sent to three blocker samplers 5 1-C1, 52-C2, 53-C3 grouped in a set EB.
Chaque échantillonneur bloqueur S1-C1, S2-C2, S3-C3 se compose d'un interrupteur SI, S2, S3 associé à un condensateur C1, C2, C3. Each blocking sampler S1-C1, S2-C2, S3-C3 consists of a switch SI, S2, S3 associated with a capacitor C1, C2, C3.
Le signal ITsample est généré par le microcontrôleur J ! C et a pour fonction de commander les échantillonneurs-bloqueurs de l'ensemble EB de manière à figer les images des courants moteur Is1, Is2, Is3 sur les fronts descendants dudit signal ITsample pour en permettre la conversion analogique/numérique. The ITsample signal is generated by the microcontroller J! C and has the function of controlling the sample-and-hold units of the set EB so as to freeze the images of the motor currents Is1, Is2, Is3 on the falling edges of said signal ITsample to allow analog / digital conversion.
Les interrupteurs SI, S2, S3 sont fermés ou passants quand le signal ITsample est à
un niveau 1 et sont ouverts quand le signal ITsample est à un niveau 0. Lorsque les interrupteurs SI, S2, S3 sont fermés, ils alimentent les condensateurs C1, C2, C3. Lorsque les interrupteurs SI, S2, S3 sont ouverts sous la commande ITsample, les condensateurs C1 ou C2 ou C3 délivrent au convertisseur CA/N un signal de sortie Im1, m2 ou m3 qui est une image du courant Is1, Is2, Is3 à l'instant correspondant au front descendant du signai) Tsamp) e. The switches SI, S2, S3 are closed or on when the ITsample signal is at
level 1 and are open when the ITsample signal is at level 0. When the switches SI, S2, S3 are closed, they supply the capacitors C1, C2, C3. When the switches SI, S2, S3 are open under the ITsample command, the capacitors C1 or C2 or C3 deliver to the AC / D converter an output signal Im1, m2 or m3 which is an image of the current Is1, Is2, Is3 at l 'instant corresponding to the falling edge of the signai) Tsamp) e.
Ces signaux de sortie Im1, m2 ou m3 représentent les images des courants de phase Ip1, Ip2, Ip3 respectivement. These output signals Im1, m2 or m3 represent the images of the phase currents Ip1, Ip2, Ip3 respectively.
Les signaux de sortie Im1, Im2 ou Im3 des échantillonneurs-bloqueurs sont, après conversion par le convertisseur Analogique / Numérique CA/N, utilisés par le microprocesseur J ! C qui gère les algorithmes de commutation des transistors T1 à T6 et génère le signal ITsample. Les instants du front descendant de ITsample sont synchrones avec la porteuse en dent de scie P. The output signals Im1, Im2 or Im3 of the sample and hold units are, after conversion by the Analog / Digital AC / D converter, used by the microprocessor J! C which manages the switching algorithms of transistors T1 to T6 and generates the ITsample signal. The instants of the falling edge of ITsample are synchronous with the sawtooth carrier P.
En se référant à la figure 2, les instants de commutation des transistors T1 à T6 sont déterminés par comparaison d'une onde de référence représentant la tension de sortie d'une phase et d'une porteuse triangulaire et symétrique ou en dents de scie référencée P. Referring to FIG. 2, the switching times of the transistors T1 to T6 are determined by comparison of a reference wave representing the output voltage of a phase and of a triangular and symmetrical or sawtooth carrier referenced P.
Un courant phase Ip prend la valeur du fondamental de courant Ipf en haut et en bas de la dent de scie P comme le montre la figure 2. De ces deux instants possibles pour la mesure, seule la mesure en haut de la dent de scie est accessible par des shunts placés en A phase current Ip takes the value of the fundamental current Ipf at the top and bottom of the sawtooth P as shown in Figure 2. Of these two possible instants for the measurement, only the measurement at the top of the sawtooth is accessible by shunts placed in
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partie basse des branches de l'onduleur. En effet un interrupteur bas T4, T6, T2 est passant quand sa référence de tension Vp est inférieure au niveau de la dent de scie P. lower part of the branches of the inverter. Indeed a low switch T4, T6, T2 is on when its voltage reference Vp is lower than the level of the sawtooth P.
Les courants Is traversant les shunts Rs sont des impulsions de courant centrées autour du haut de la dent de scie P. The currents Is passing through the shunts Rs are pulses of current centered around the top of the sawtooth P.
En se référant à la figure 4, la tension de référence Vref est comparée à la dent de scie P pour obtenir l'ordre de commande théorique CT de la branche. L'ajout des retards intervoies Triv à CT permet d'obtenir les ordres de commutation effectifs CTh et CTb respectivement pour l'interrupteur haut et pour l'interrupteur bas. La figure 4 montre le positionnement des impulsions de courant Is traversant les shunts de mesure Rs en prenant en compte les retards intervoies Triv, les retards Ton et Toff propres aux commutations des interrupteurs et l'apparition d'un éventuel courant de perturbation haute fréquence dû aux câbles entre variateur et moteur s'étendant sur une durée Tper. Referring to Figure 4, the reference voltage Vref is compared to the sawtooth P to obtain the theoretical command order CT of the branch. The addition of the inter-channel delays Triv to CT makes it possible to obtain the effective switching orders CTh and CTb respectively for the high switch and for the low switch. FIG. 4 shows the positioning of the current pulses Is passing through the measurement shunts Rs taking into account the inter-channel delays Triv, the delays Ton and Toff specific to the switching of the switches and the appearance of a possible high frequency disturbance current due to cables between drive and motor extending over a duration Tper.
Tant que l'ordre de commande CT a une durée Tref supérieure à une valeur calculée Trefnin, le courant shunt mesuré à l'instant Tmes correspondant au front descendant du signal ITsample est le courant phase moteur : c'est la mesure directe. La valeur calculée est fonction du retard intervoies Triv et de la durée Tper. A titre indicatif on peut prendre Tref"égal à la moyenne arithmétique de Triv et Tper, Triv étant le retard intervoies et Tper la durée de la composante haute fréquence du courant phase. As long as the command command CT has a duration Tref greater than a calculated value Trefnin, the shunt current measured at time Tmes corresponding to the falling edge of the signal ITsample is the motor phase current: this is the direct measurement. The calculated value is a function of the inter-channel delay Triv and the duration Tper. As an indication one can take Tref "equal to the arithmetic mean of Triv and Tper, Triv being the intervoice delay and Tper the duration of the high frequency component of the phase current.
Dans le cas où la branche est saturée en haut ou si la durée de l'ordre de commande CT est trop faible (durée inférieure à Trefnin) et ne respecte pas les conditions de validité des mesures, le courant phase Is1, Is2 ou Is3 mesuré directement n'est pas utilisable. Le courant dans cette phase peut malgré tout être connu en le calculant, à partir des deux autres mesures par la relation : ipl + ip2 + ip3 = 0. Cette situation arrive par exemple au voisinage et au delà de la vitesse nominale de la machine quand les tensions à développer par la machine sont proches ou supérieures aux tensions du réseau. In the case where the branch is saturated at the top or if the duration of the CT command order is too short (duration less than Trefnin) and does not respect the conditions of validity of the measurements, the phase current Is1, Is2 or Is3 measured directly cannot be used. The current in this phase can still be known by calculating it, from the two other measurements by the relation: ipl + ip2 + ip3 = 0. This situation happens for example in the vicinity and beyond the nominal speed of the machine when the voltages to be developed by the machine are close to or greater than the network voltages.
Si deux ou trois ordres de commande ont des durées inférieures à Trefmin, le courant phase n'est pas calculable par les deux autres mesures, la valeur du courant phase est figée jusqu'à obtenir des conditions de mesures ou un calcul valides. If two or three control orders have durations of less than Trefmin, the phase current cannot be calculated by the other two measurements, the value of the phase current is frozen until obtaining valid measurement conditions or a calculation.
Il est bien entendu que l'on peut sans sortir du cadre de l'invention imaginer des variantes et des perfectionnements de détail ou envisager l'emploi de moyens équivalents. It is understood that it is possible without departing from the scope of the invention to imagine variants and detailed improvements or to envisage the use of equivalent means.
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- 2001-09-24 FR FR0112296A patent/FR2830138B1/en not_active Expired - Fee Related
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