FR2867324A1 - Dispositif de commande de machine synchrone a champs enroules - Google Patents
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Abstract
Un dispositif de commande de machine synchrone (1) comprenant un générateur de commande de flux (9), un estimateur de flux magnétique (7), un diviseur (15), un dispositif de commande de flux (11) et des dispositifs de commande de courant d'induit d'axes γ et δ (17, 19). Le générateur de commande de flux (9) produit une commande de flux (Φr) à partir d'une vitesse de rotation (ω) de la machine synchrone (1). L'estimateur de flux magnétique (7) calcule une amplitude (|Φ|)et une phase (∠Φ) d'un couplage par flux d'induit (Φ) à partir de courants d'induit (iu, iv, iw) et d'un courant de champ (iff) en prenant en compte des flux magnétiques produits par des aimants permanents. Le diviseur (15) produit une commande de courant (iδr) en divisant une commande de couple par le couplage (τr) par flux d'induit (Φ).
Description
DISPOSITIF DE COMMANDE DE MACHINE SYNCHRONE À CHAMPS
ENROULÉS
DESCRIPTION
Domaine technique de l'invention La présente invention concerne de manière générale un dispositif de commande pour une machine synchrone à champs enroulés qui génère des champs magnétiques par des enroulements de champs d'un rotor et, plus particulièrement, un dispositif de commande pour une machine synchrone à champs enroulés qui génère des champs magnetiques grâce à une combinaison d'enroulements de champs d'un rotor et d'aimants permanents.
Description de l'art antérieur
Un procédé de commande vecteur est traditionnellement utilisé en tant que procédé de commande ayant une grande efficacité et un facteur de puissance élevé pour commander une machine synchrone à champs enroulés (qui, occasionnellement, sera simplement appelée ci-après machine synchrone) de manière à ce que le couplage par flux d'induit et le courant d'induit soient perpendiculaires l'un à l'autre comme le montre par exemple un document intitulé High-perfomance Variable Speed Control of Synchronous Machine rédigé par Hiroshi Osawa, et al. publié dans The Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan on Industry Applications, volume 107-D, N 2, pages 175-182, février 1987. Une machine synchrone utilisant des aimants permanents avec des enroulements de champs ne peut cependant. pas employer le procédé de commande vecteur classique, dans la mesure où il est nécessaire de prendre en compte l'influence des flux magnétiques produits par les aimants permanents.
Une approche classique à la soluticn du problème précédemment mentionné est présentée dans la demande de brevet japonais rendue publique sous le n 1996-331900, par exemple, dans lequel un dispositif de commande détermine, à partir d'une commande de couple fournie au dispositif de commande et de la vitesse de rotation d'une machine synchrone, une valeur de commande du courant d'induit pour une direction de flux de champ (axe d), une valeur de commande du courant d'induit pour une direction (axe q) perpendiculaire à l'axe d et une valeur de commande de flux de champ faisant référence à un tableau, de sorte qu'une efficacité maximale soit obtenue dans des conditions de fonctionnement courantes de la machine synchrone. Les valeurs de donnée individuelles stockées dans ce type de tableau sont calculées en utilisant les paramètres caractéristiques de la machine synchrone devant être commandée. Une approche similaire du problème est également présentée dans la demande de brevet japonais rendue publique sous le n 1999-313498, dans lequel une commande de courant de champ est déterminée à la place d'une commande de flux de champ à partir c:'un tableau.
Le dispositif de commande de machine synchrone classique structurée de la manière mentionnée ci-dessus détermine un courant d'axe d, un courant d'axe q, et les valeurs des commandes générant le champ, telles que la commande de flux de champ ou la commande de courant de champ, en faisant référence au tableau. Bien que les valeurs de données individuelles stockées dans le tableau sont calculées en utilisant les paramètres caractéristiques de la machine synchrone devant être commandée, ce procédé est compliqué et nécessite des calculs répétés. C'est la raison pour laquelle ces valeurs de données sont calculées de manière autonome et stockées à l'avance dans le tableau. Le dispositif de commande classique permet de réaliser une opération commandée de couple maximum avec tout type de courant d'induit, par exemple, afin d'obtenir un couple maximum en réponse à la commande de couple fournie par la génération de commandes de courant individuelles faisant référence au tableau produit de la manière expliquée ci-dessus.
Dans les lignes de production actuelles, cependant, il est assez difficile de fabriquer des machines synchrones ayant exactement les même paramètres caractéristiques, qui comprennent une inductance et des flux à aimant permanent, par exemple, même si les machines synchrones sont du même modèle. Par conséquent, des différences surviennent inévitablement dans les valeurs des paramètres caractéristiques parmi les machines synchrones individuelles en raison des variations de leur production. Selon le procédé de commande classique précédemment mentionné, il est nécessaire de produire des valeurs de données devant être stockées dans le tableau pour les machines synchrones individuelles lorsque les valeurs des paramètres caractéristiques diffèrent d'une machine synchrone à l'autre, et cela implique une grosse charge de travail. De plus, la machine synchrone et le dispositif de commande sont généralement expédiés séparément, et non pas comme d'un ensemble pré- ajusté, et la machine synchrone et le dispositif de commande sont raccordés et fonctionnent ensemble sur un site d'un client, d'où la nécessité de stocker les valeurs de données du tableau approprié pour chaque machine synchrone particulière dans le dispositif de commande.
Selon le procédé de commande classique, il est nécessaire de stocker dans le tableau des courants d'axe d, des courants d'axe q et des valeurs de commande de flux de champ pour différentes combinaisons de commandes de couples et différentes vitesses de rotation de machine. Cela signifie qu'une quantité extrêmement importante de données doit être enregistrée et cette procédure ne peut être facilement effectuée, ce qui rend le procédé de commande de vecteur impraticable.
Résumé de l'invention La présente invention destinée à résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus de l'art antérieur a pour objet de fournir un dispositif de commande pour une machine synchrone à champs enroulés qui puisse facilement réaliser une commande optimum de la machine synchrone même lorsque des paramètres caractéristiques de la machine synchrone varient, en compensant de façon appropriée les fluctuations des paramètres caractéristiques.
Selon une forme de l'invention, un dispositif de commande pour commander une machine synchrone à champs enroulés ayant une bobine de champ et des aimants permanents pour générer des champs magnétiques comprend un générateur de commande de flux, un calculateur de couplage par flux d'induit, un diviseur, un calculateur de commande de courant de champ et un dispositif de commande de courant d'induit. Le générateur de commande de flux produit une commande de flux basée sur une vitesse de rotation d'entrée de la machine synchrone. Le calculateur de couplage par flux d'induit calcule une amplitude et une phase d'un couplage par flux d'induit et un angle de puissance à partir de valeurs de courants d'induit et d'un courant de champ s'écoulant dans la machine synchrone, en prenant en compte des flux magnétiques produits par les aimants permanents. Le diviseur produit une commande de courant d'induit en divisant une commande de couple par le couplage par flux d'induit. Le calculateur de la commande de courant de champ calcule une commande de courant de champ sur la base d'une erreur du couplage par flux d'induit calculé par le calculateur de couplage par flux d'induit à partir de la commande de flux et de l'angle de puissance. Le dispositif de commande de courant d'induit commande la machine synchrone de manière à ce qu'une erreur d'un courant d'induit dans une direction perpendiculaire à la direction du couplage par flux d'induit à partir de la commande de courant d'induit et d'un courant d'induit dans la direction du couplage par flux d'induit, devienne impossible.
Le dispositif de commande ainsi structuré peut commander la machine synchrone à champs enroulés dans des conditions optimales reflétant facilement des modifications de caractéristiques de la machine, même lorsque l'un quelconque des paramètres caractéristiques de la machine synchrone à champs enroulés varie.
Selon une autre forme de l'invention, un dispositif de commande pour commander une machine synchrone à champs enroulés ayant une bobine de champ et des aimants permanents pour générer des champs magnétiques comprend un générateur de commande de flux, un diviseur, un calculateur d'angle de puissance, un générateur de commande de courant de champ, un additionneur, et un dispositif de commande de courant d'induit. Le générateur de commande de flux produit une commande de flux sur la base d'une vitesse de rotation d'entrée de la machine synchrone. Le diviseur produit une commande de courant d'induit en divisant une commande de couple par la valeur de la commande de flux. Le calculateur d'angle de puissance calcule un angle de puissance à partir de la commande de flux et de la commande de courant d'induit. Le générateur de commande de courant de champ calcule une commande de courant de champ à partir de la commande de flux et de l'angle de puissance en prenant en compte des flux magnétiques produits par les aimants permanents. L'additionneur calcule une phase de la commande de flux en ajoutant l'angle de puissance à une phase de rotor. Le dispositif de commande de courant d'indu-_t commande la machine synchrone de manière à ce qu'une erreur d'un courant d'induit dans une direction perpendiculaire à la direction de la commande de flux à partir de la commande de courant d'induit et d'un courant d'induit dans la direction du couplage par flux d'induit devienne impossible.
Le dispositif de commande ainsi structuré peut également commander la machine synchrone à champs enroulés dans des conditions optimales reflétant facilement des modifications de caractéristiques de la machine même lorsque l'un quelconque des paramètres caractéristiques de la machine synchrone à champs enroulés varie. De plus, ce dispositif de commande peut effectuer une opération de commande simplifiée au moyen du calculateur d'angle de puissance et du générateur de commande de courant de champ sans estimer ou commander la formation des flux magnétiques, de sorte que le dispositif de commande puisse être structuré avec une configuration plus simple.
Ces objets, propriétés et avantages de l'invention, ainsi que d'autres, ressortiront plus clairement à la lecture de la description détaillée ciaprès conjointement avec les dessins annexés.
Brève description des dessins
La figure 1 est un schéma fonctionnel présentant la configuration d'un dispositif de commande pour une machine synchrone selon un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est un schéma vectoriel illustrant le fonctionnement de la machine synchrone afin d'expliquer le dispositif de commande de la figure 1; la figure 3 est un schéma fonctionnel présentant 30 de manière spécifique la configuration d'un dispositif de commande de flux du dispositif de =mande de la figure 1; la figure 4 est un schéma fonctionnel présentant la configuration d'un dispositif de comnande pour une machine synchrone selon un second mode de réalisation de l'invention; et la figure 5 est un schéma vectoriel illustrant une situation du dispositif de commande dans laquelle le couplage par flux de l'induit et le courant d'induit sont perpendiculaires l'un à l'autre.
Description détaillée des modes de réalisation préférés de l'invention Premier mode de réalisation Les figures 1 à 3 sont des schémas présentant un premier mode de réalisation de l'invention, sur lesquels la figure 1 est un schéma fonctionnel présentant la configuration d'un dispositif de commande pour une machine synchrone 1 selon le premier mode de réalisation de l'invention, la figure 2 est un schéma vectoriel illustrant le fonctionnement de la machine synchrone 1 afin d'expliquer un système de commande de la figure 1, et la figure 3 est un schéma fonctionnel présentant de manière spécifique la configuration d'un dispositif de commande de flux 11 du dispositif de commande de la figure 1.
Si l'on fait référence à la figure 1, la machine synchrone 1 comprend une bobine de champ lb, des aimants permanents (non représentés) pour générer des champs magnétiques. Des bobines d'induit (non représentées) de la machine synchrone 1 sont connectées à un circuit le pilotage triphasé 2 et la bobine de champ lb est connectée à et pilotée par un circuit de pilotage à courant continu (dc) 3. Des courants s'écoulant à travers les bobines d'induit et la bobine de champ lb sont respectivement détectés par un détecteur de courant d'induit 4 et un détecteur de courant de champ 5.
Une phase de rotor e est détectée pair un détecteur de position d'induit 6. Un estimateur de flux magnétique 7 calcule la valeur absolue (amplitude) I*I d'un couplage par flux d'induit cl) et une phase LO de celui-ci à partir de courants d'induit iu, iv, iw, d'un courant de champ iff et de la phase de rotor 0, comme cela sera décrit ci-après de manière plus détaillée.
Dans le dispositif de commande de machine synchrone selon le présent mode de réalisation, les courants d'induits iu, iv, iw sont contrôlés sur deux axes, c'est à dire, un axe y dans la direction de phase LA) du couplage par flux d'induit et un axe 5 perpendiculaire à l'axe y. Par conséquent, les courants d'induit iu, iv, iw sont transformés au niveau de leurs coordonnées en des courants d'induit d'axjes y et 5 iyf, ibf par un convertisseur de coordonnées 12. Un additionneur 14 détermine un angle de puissance A0 en soustrayant la phase de rotor 0 de la phase LcID. du couplage par flux d'induit.
La phase de rotor 0 est différenciée par un différentiateur 8 pour obtenir une vitesse de varation d'entrée de la machine synchrone ou vitesse de rotor ça et un générateur de commande de flux 9 produit une commande de flux 1)r à partir de la vitesse de rotor w.
Un additionneur 10 détermine une erreur Al) en soustrayant l'amplitude du couplage par flux d'induit 11)1 de la commande de flux (Dr. L'erreur Al) est entrée dans le dispositif de commande de flux 11 qui calcule une commande de courant de champ ifr faisant référence à l'angle de puissance T\0 et à des flux magnétiques produits par les aimants permanents, comme cela sera expliqué de manière plus détaillée ci-après.
Par ailleurs, un diviseur 15 divise une commande de couple ir par l'amplitude du couplage par flux d'induit 11)1 afin de produire une commande de courant d'axe 5 ibr. Un additionneur 16 détermine une erreur de courant d'axe 5 Dib en soustrayant le courant d'induit d'axe 5 ibf de la commande de courant d'axe 5 ibr et fournit l'erreur de courant d'axe 5 Ais à un dispositif de commande de courant d'axe 5 17 qui produit en sortie une commande de tension d'axe 5 v5. Si une commande de courant d'axe y iyr est nulle, un additionneur 18 calcule de la même manière une erreur de courant d'axe Aiy en soustrayant le courant d'induit d'axe y iyf de la commande de courant d'axe y iyr et fournit une erreur de courant d'axe y Aiy à un dispositif de commande de courant d'axe y 19 qui produit en sortie une commande de tension d'axe y vy.
Un convertisseur de coordonnées 20 convertit les commandes de tension des axes y et 5 vy, v5 en tensions triphasées vu, vv, vw qui sont entrées dans le circuit de pilotage triphasé 2. Un additionneur 13 détermine une erreur de courant de champ Aif en soustrayant le courant de champ iff de la commande de courant de champ ifr et il fournit l'erreur de courant de champ Aif à un dispositif de commande de courant de champ 21 qui calcule une commande de tension de champ vf devant être entrée dans le circuit de pilotage à courant continu 3.
Le fonctionnement du dispositif de commande de la figure 1 est expliqué ci-après, en faisant référence au schéma vectoriel de la figure 2. Comme illustré sur la figure 2, les axes d et q fixés sur un rotor représentent la phase de rotor 0 par rapport à un système de coordonnées a-3 fixé sur un induit. Un vecteur de flux de champ cl)f se produit dans une direction d'axe d et un flux représenté par le vecteur de flux de champ (I)f est une combinaison d'un flux à aimant permanent cDm et d'un flux produit par le courant de champ iff. Cette relation est exprimée par l'équation (1) ci-dessous: cl)f = Om + M.iff (1) où M est une inductance mutuelle induite par le 20 courant de champ iff sur le couplage par flux d'induit d'axe d.
Par ailleurs, un vecteur de flux de réaction d'induit cl)a se produit suite à un vecteur de courant d'induit i. Une combinaison du vecteur de flux de champ sus-mentionné (I)f et du vecteur de flux de réaction d'induit 0a est un vecteur total de couplage par flux d'induit cl), dont la valeur absolue 10)1 et la phase L peuvent être obtenues à partir des équations (2), (3) et (4) ci-dessous.
1 cl) 1 = .J(Of + Ld.id)2 + (Lq.iq)2 (2) 00 = tan-'{Lq.iq/(cDf+Ld.id) } (3) LI) = + M) (4) où Ld est une inductance propre d'axe d et Lq est une inductance propre d'axe q d'induit. L'opération mathématique exprimée par les équations (2), (3) et (4) est réalisée par l'estimateur de flux magnétique 7.
L'axe y est pris dans la direction de la phase L1D du couplage par flux d'induit et l'axe 5 est pris dans la direction perpendiculaire à l'axe y. Un courant d'induit nécessaire pour générer un couple donné est réduit au minimum dans des conditions où le vecteur de courant d'induit i est perpendiculaire au couplage total par flux d'induit ID. Il est par conséquent possible de réaliser une opération contrôlée du couple maximum avec le vecteur de courant d'induit i afin d'obtenir un couple maximum en divisant].a commande de couple Tr par l'amplitude du couplage par flux d'induit Ic} avec le diviseur 15 afin de fournir =_a commande de courant d'axe b ibr et de rendre la commande de courant d'axe y iyr égale à 0, de sorte que le vecteur de courant d'induit n'ait qu'une composante d'axe b.
L'estimateur de flux magnétique 7 et l'additionneur 14 du présent mode de réalisation constituent ensemble un calculateur de couplage par flux d'induit selon la présente invention, le dispositif de commande de flux 11 constitue un calculateur de commande de courant de champ, et le dispositif de commande de courant d'axe b 17, l'additionneur 18 et le dispositif de commande de courant d'axe y 19 constituent ensemble un dispositif de commande de courant d'induit.
Le dispositif de commande de flux 11 est décrit ci-après de manière plus détaillée. Pendant qu'un dispositif de commande proportionnel et intégral (PI) ordinaire est utilisé en tant que dispositif de commande de flux pour le contrôle de vecteur d'un moteur synchrone à champs enroulés ordinaire, il est nécessaire de prendre en compte l'influence des flux magnétiques produits par les aimants permanents dans un moteur synchrone à champs enroulés, en utilisant en supplément les aimants permanents, comme le montre l'équation (1) sus-mentionnée. Si l'on fait référence à la figure 3, qui présente la configuration interne du dispositif de commande de flux 11, un compensateur 31 calcule une composante d'axe d de l'erreur 4D en utilisant l'angle de puissance 40 et sort le résultat sur un dispositif de commande proportionnel et intégral 32. Le dispositif de commande proportionnel et intégral 32 produit une commande de courant de champ d'axe d équivalente ifreq, dont un additionneur 33 soustrait un courant de champ équivalent à un aimant permanent ifm pour refléter l'influence des flux magnétiques produits par les aimants permanents, moyennant quoi la commande de courant de champ ifr est finalement obtenue (ifr = ifreq ifm), où le courant de champ équivalent à un aimant permanent ifm est fourni par l'équation (5) ci-dessous: ifm = cm/M (5) La configuration sus-mentionnée du dispositif de commande de flux 11 permet de calculer la valeur de la commande de courant de champ en prenant en compte l'influence des flux magnétiques produits par les aimants permanents. Si l'on ignore une chute de tension ohmique provoquée par le courant d'induit, une tension d'induit est fournie par un produit de la valeur absolue 101 du vecteur total de couplage par flux d'induit 0 et de la vitesse de rotation de la machine. Par conséquent, si le produit de la valeur absolue 101 du vecteur total de couplage par flux d'induit 0 et de la vitesse de rotation de la machine est maintenu à une valeur constante, la tension d'induit peut être maintenue à un niveau constant, et même s'il y a des limites dans les tensions de sortie c.0 circuit de pilotage triphasé 2, il est possible de maintenir des tensions de sortie appropriées. L'utilisation de la relation susmentionnée permet au générateur de commande de flux 9 de calculer la commande de flux Or à partir de la vitesse de rotor ca. Dans l'opération de commande de vecteur sus- mentionnée du présent mode de réalisation, le dispositif de commande utilise uniquement le flux à aimant permanent 0m, l'inductance mutuelle M induite par le courant de champ iff sur le couplage par flux d'induit d'axe d, et les inductances propres Ld, Lq d'induit en tant que paramètres caractéristiques de la machine synchrone 1 pour le calcul. Par conséquent, il est possible d'obtenir un fonctionnement optimal de la machine synchrone 1 en modifiant uniquement les valeurs de ces paramètres caractéristiques, même si les paramètres caractéristiques diffèrent d'une machine synchrone à l'autre. De plus, même lorsque le flux à aimant permanent (Dm varie suite à une aigmentation de température, comme discuté dans la demande de brevet japonais rendue publique sous le n 1996-331900, il est possible de passer instantanément à un état de fonctionnement traduisant une modification des caractéristiques de la machine en modifiant simplement la valeur du flux à aimant permanent (Dm pendant l'exécution de l'opération de commande de vecteur.
Les paramètres caractéristiques sus--mentionnés de la machine synchrone 1 peuvent être mesurés par le dispositif de commande lui-même. Il est par conséquent possible de faire fonctionner chaque machine synchrone particulière 1 dans des conditions optimales en faisant fonctionner le dispositif de commande à l'aide des paramètres caractéristiques mesurés par le dispositif de commande lui-même. Un procédé classique de mesure des paramètres caractéristiques est décrit ci-après.
L'équation (6) ci-dessous est une équation de tension applicable à un moteur synchrone à champs enroulés utilisant en supplément des aimants permanents dans des conditions de fonctionnement de régime permanent. Le procédé de mesure des paramètres caractéristiques individuels de la machine synchrone 1 est expliqué par l'utilisation de cette équation (6).
Dans la mesure où la conversion de coordonnées est réalisée en utilisant la phase de rotor 0 pour mesurer les constantes d'une machine synchrone, par exemple des constantes associées à l'aimant permanent, les axes y et 5 correspondent aux axes respectifs d et q de la figure 1.
vd R - coLq id 0 vq cùLd R [iq] +(lm+M.if (6) La substitution des zéros (0) pour des courants d'induit d'axes d et q id, iq, et un courant de champ if dans l'équation (6) et la modification de la seconde rangée des matrices de l'équation (6), permet d'exprimer le flux à aimant permanent Om par l'équation (7) ci-dessous: 'm = vq/ca (7) Il est reconnu de ce qui est mentionné ci-dessus, que le flux à aimant permanent (Dm peut être calculé à partir de l'équation (7) si les commandes de courant d'induit des axes d et q (c'est à dire les commandes de courant des axes y et 5 iyr, ibr) et la commande de courant de champ ifr sont remises à zéro et la commande de tension de l'axe q (c'est à dire la commande de tension d'axe b vb sortie du dispositif de commande de courant d'axe ô 17 de la figure 1) est enregistrée pendant que la machine synchrone 1 est en'=raîné par une source d'alimentation externe.
La substitution des zéros (0) pour le courant de champ if et le courant d'induit d'axe q iq et le réglage du courant d'induit d'axe d id sur une valeur spécifique dans l'équation (6) ainsi que la modification de la seconde rangée des matrices de l'équation (6), permet d'exprimer l'indL. ctance propre d'axe d Ld par l'équation (8) ci-dessous Ld = (vq-w. cDm)/w. id (8).
Il est reconnu de ce qui précède que l'inductance propre d'axe d Ld peut être calculée à partir de l'équation (8) si une commande de courant d'induit d'axe q et la commande de courant de champ ifr sont remises à zéro, une commande de courant d'induit d'axe d est réglée sur une valeur spécifique et une commande de tension d'axe q est enregistrée pendant que la machine synchrone 1 est entraîné par la source d'alimentation externe.
De plus, la substitution des zéros (0) pour le courant de champ if et le courant d'induit d'axe d id et le réglage du courant d'induit d'axe q iq sur une valeur spécifique dans l'équation (6) ainsi que la modification de la première rangée des matrices de l'équation (6), permet d'exprimer l'inductance propre d'axe q Lq par l'équation (9) ci-dessous: Lq = vd/ca. iq (9).
Il est reconnu de ce qui précède que l'inductance propre d'axe q Lq peut être calculée à partir de l'équation (9) si la commande de courant d'induit d'axe d et la commande de courant de champ ifr sont remises à zéro, la commande de courant d'induit d'axe q est réglée sur une valeur spécifique et une commande de tension d'axe d est enregistrée pendant que la machine synchrone 1 est entraîné par la source d'alimentation externe.
Enfin, la substitution des zéros (0) pour les courants d'induits d'axes d et q id, iq et le réglage du courant de champ if sur une valeur spécifique dans l'équation (6), ainsi que la modification de la seconde- rangée des matrices de l'équation(6) permet d'exprimer l'inductance mutuelle M par l'équation (10) ci-dessous: M = (vq-w.cDm)/w.if (10).
Il est reconnu de ce qui précède que l'inductance mutuelle M peut être calculée à partir de l'équation (10) si les commandes de courant d'induit d'axes d et q sont remises à zéro, la commande de courant de champ ifr est réglée sur une valeur spécifique et la commande de tension d'axe q est enregistrée pendant que la machine synchrone 1 est entraîné par la source d'alimentation externe.
Si le dispositif de commande mesure et met à jour lui-même les paramètres caractéristiques de la machine synchrone 1 au bon moment avant ou pendant le fonctionnement de la machine synchrone 1 en utilisant le procédé de mesure sus-mentionné, il est possible de faire fonctionner la machine synchrone 1 dans des conditions de fonctionnement optimales même si les paramètres caractéristiques diffèrent d'une machine synchrone à l'autre ou si le s paramètres caractéristiques d'une machine particulière fluctuent.
Outre le procédé de mesure sus-mentionné, il existe des variantes de procédés de mesure qui sont connues pour exercer les même effets avantageux que le procédé de mesure selon l'invention, par exemple un procédé permettant de déterminer les inductances à partir de courants alternatifs (ac) induits dans des enroulements individuels par l'application de tensions à courant alternatif (ac) sur l'induit et les enroulements de champ.
Il est connu que les paramètres caractéristiques sus-mentionnés de la machine synchrone varient suite à la saturation magnétique. Par exemple, il y a un cas où l'inductance mutuelle M et l'inductance propre d'axe q Lq sont considérablement affectées par le courant de champ if et le courant d'induit d'axe q iq, respectivement, en raison de la saturation magnétique. Une approche visant à contrôler la machine synchrone 1 en tenant compte de l'influence de la saturation magnétique consiste à modifier les valeurs des paramètres caractéristiques selon les conditions de fonctionnement (par exemple des valeurs de courant individuelles ou des valeurs de commande) en utilisant un tableau de caractéristiques ou une formule de caractéristiques. Cette approche permettrait de commander la machine synchrone 1 en reflétant les modifications des paramètrescaractéristiques dues aux variations des conditions de fonctionnement.
Tandis que le dispositif de commande selon le présent mode de réalisation a été décrit jusqu'à présent en employant un procédé consistant à estimer la formation des flux magnétiques à partir des courants individuels iu, iv, iw, iff dans l'estimateur de flux magnétique 7, un procédé employant un observateur de flux capable d'améliorer la précision de l'estimation du flux grâce à l'utilisation supplémentaire d'informations relatives à la tension peut être utilisé à la place.
Dans le dispositif de commande sus-mentionné du mode de réalisation, l'estimateur de flux magnétique 7 calcule l'amplitude 101 du couplage par flux d'induit et sa phase L' à partir des courants d'induit d'axes y et 5 iyf, i5f, du courant de champ iff et de la phase de rotor O. En guise de variante, il est également possible de calculer l'amplitude 101 du couplage par flux d'induit et sa phase LO en utilisant les valeurs des commandes de courant d'induit des axes d et q (c'est à dire les commandes de courant des axes y et 5 iyr, ibr) et la commande de courant de champ ifr à la place des courants d'induit des axes y et: 5 iyf et i5f et du courant de champ iff véritablement mesurés. Dans cette variante d'approche, l'amplitude 101 du couplage par flux d'induit est requise pour calculer la valeur de la commande de courant d'induit d'axe 5 ibr et la phase LO du couplage par flux d'induit est requise pour calculer les courants d'induit triphasés iu, iv, iw à partir des commandes de courant d'induit des axes y et ô iyr et ibr, comme discuté ci-dessus, de sorte qu'une partie du calcul devient un procédé cyclique.
Pour éviter ce procédé cyclique, le dispositif de commande est configuré de la manière suivante, par exemple. L'exécution par un micro-processeur du procédé de calcul susmentionné à des intervalles spécifiques permet au dispositif de commande de calculer les commandes de courant individuelles iyr, i5r, ifr en utilisant les résultats d'un cycle de ca_cul précédent en tant que valeurs de l'amplitude 101 du couplage par flux d'induit et de la phase LO de celui-ci. Puis, en utilisant les valeurs des commandes de courant iyr, ibr, ifr, le dispositif de commande calcule l'amplitude 101 du couplage par flux d'induit ainsi que la phase LO de celui-ci et utilise les valeurs ainsi obtenues dans un cycle de calcul ultérieur. Immédiatement après la mise sous tension, lorsque les valeurs des commandes de courant d'induit des axes d et q et de la commande de courant de champ ifr sont toutes équivalentes à zéro, le dispositif de commande commence l'opération de commande après avoir initialisé les valeurs de l'amplitude 101 du couplage par flux d'induit et de la phase Lc de celui-ci par rapport aux valeurs respectives du flux à aimant permanent Om et de la phase 20, au niveau de la phase de rotor 0, par exemple.
De plus, si le dispositif de commande es-: configuré de manière à traiter les valeurs de l'amplitude 101 du couplage par flux de l'induit et de la phase LO de celui-ci obtenues par un filtre ayant des propriétés spécifiques et de manière à utiliser les valeurs traitées dans le cycle de calcul suivant pour l'exécution du procédé de calcul sus-mentionné, il est possible d'obtenir une stabilité de calcul améliorée. Dans la mesure où le dispositif de commande utilise les valeurs des commandes de courant iyr, ibr, ifr pour estimer la formation des flux magnétiques de la manière décrite ci-dessus, le dispositif de commande peut commander la machine synchrone 1 de manière plus stable sans être affecté par des bruits engendrés suite à la détection de courant.
Second mode de réalisation Les figures 4 et 5 sont des schémas présentant un second mode de réalisation de l'invention, dans lequel la figure 4 est un schéma fonctionnel présentant la configuration d'un dispositif de commande pour une machine synchrone 1 selon le second mode de réalisation de l'invention, et la figure 5 est un schéma vectoriel illustrant une situation du dispositif de commande dans laquelle un couplage par flux d'induit et un courant d'induit sont perpendiculaires l'un à l'autre.
Si l'on fait référence à la figure 4, le dispositif de commande comprend, à la place de l'estimateur de flux magnétique 7 de la figure 1, un calculateur d'angle de puissance 41 pour calculer un angle de puissance A0 à partir d'une commande de flux (Dr et d'une commande de courant d'axe 6 ibr. Le dispositif de commande comprend également, à la place du dispositif de commande de flux 11 de la figure 1, un générateur de commande de courant de champ 42 pour calculer une commande de courant de champ ifr à partir de la commande de flux 1)r et de l'angle de puissance 40. A la différence du dispositif de commande du premier mode de réalisation, le dispositif de commande du présent mode de réalisation n'effectue aucun asservissement de flux magnétiques utilisant des flux magnétiques estimés. Un additionneur 4: calcule une phase LI) d'un couplage par flux d'induit en ajoutant l'angle de puissance 40 à une phase de rotor 0 et le dispositif de commande commande des courants d'induit sur l'axe y dans la direction de la phase LcD et de l'axe 5 perpendiculaire à l'axe y dans le système de coordonnées y-5. Le dispositif de commande du présent mode de réalisation présente autrement la même configuration que le dispositif de commande du premier mode de réalisation représenté sur la figure 1, de sorte que les éléments identiques ou similaires à ceux du premier mode de réalisation sont désignés par les même numéros de référence et ces éléments ne sont pas décrits dans cette partie.
Le dispositif de commande de la machine synchrone du présent mode de réalisation calcule l'angle de puissance A0 en s'appuyant sur l'hypothèse que le couplage par flux d'induit et le courant d'induit sont perpendiculaires l'un à l'autre. La figure 5 est le schéma vectoriel illustrant la situation dans laquelle un vecteur total de couplage par flux d'induit 1) est perpendiculaire à un vecteur de courant d'induit i. La figure 5 permet de voir que l'angle de puissance 40 est fourni par l'équation (11) ci-dessous: 40 = tan-1(Lq.iq/cDcos40) = tan-1(Lq.i5cos40/ Ocos40) = tan-1 (Lq. i5/1)) Il est possible de calculer l'angle de puissance 40 à partir de l'équation (11) en utilisant la commande de courant d'axe 5 ibr et la commande de flux 1)r à la place respectivement d'un courant d'induit d'axe 5 ibf et du vecteur total de couplage par flux d'induit QI) . Le calculateur d'angle de puissance 41 calcule l'angle de puissance 40 selon ce procédé. Ce procédé de calcul permet de simplifier considérablement le calcul de l'angle de puissance 40 par rapport au procédé du premier mode de réalisation utilisant l'estimateur de flux magnétique 7. En guise de variante, l'angle de puissance 40 peut être calculé en utilisant le courant d'induit d'axe b ibf qui est une valeur d'asservissement à la place de la commande de courant d'axe b ibr.
Comme déjà mentionné, le dispositif de commande de machine synchrone selon le présent mode de réalisation n'effectue aucune commande d'asservissement des flux magnétiques en utilisant les flux magnétiques estimés. Il est reconnu de la figure 5 qu'un vecteur de flux de champ d'axe d 0f est fourni par l'équation (12) ci-dessous: 0f = 0cosA - Lq.id = 0cosA0 + Lq.ibsinAe (12).
La substitution des équations (1) et (5) par l'équation (12) permet de réécrire la relation exprimée par l'équation (12) de la manière présentée dans l'équation (13) ci-dessous: If = (0cos40 + Lq.i5sin40)/M - ifm (13) Le générateur de commande de courant de champ 42 calcule la commande de courant de champ ifr à partir de l'équation (13) en utilisant la commande de courant d'axe b ibr et la commande de flux 0r à la place du courant d'induit d'axe b ibf et du vecteur de couplage par flux d'induit 0, respectivement.
Au cas où des inductances propres d'induit sont produites par des pôles non saillants (Ld=Lq), le vecteur total de couplage par flux d'induit cl) et un vecteur de flux de réaction d'induit 0a sont perpendiculaires l'un à l'autre, de sorte qu'il y ait une relation exprimée par l'équation (14) ci-dessous: cf = ID/cos00 (14) La substitution des équations (1) et (5) par l'équation (14) permet de réécrire la relation exprimée par l'équation (14), comme le montre l'équation (15) ci-dessous.
If = 1)/Mcos40-ifm (15) Le générateur de commande de courant de champ 42 peut ainsi calculer la commande de courant de champ ifr à partir de l'équation (15) lorsque les inductances propres d'induit sont produites par des pôles non saillants (Ld=Lq). Dans ce cas, le générateur de commande de courant de champ 42 peut simplifier encore davantage le calcul dans la mesure où il n'est pas nécessaire de faire référence à la valeur de la commande de courant d'induit d'axe ô iôr.
Comme le dispositif de commande du premier mode de réalisation, le dispositif de commande du second mode de réalisation peut commander la machine synchrone 1 en reflétant instantanément des modifications des paramètres caractéristiques de la machine synchrone 1 grâce à la mesure des paramètres caractéristiques pendant que la machine synchrone 1 est dans des conditions de fonctionnement. De plus, comme précédemment discuté en faisant référence au premier mode de réalisation, un tableau des caractéristiques ou une formule des caractéristiques peuvent être utilisés pour modifier les valeurs des paramètres caractéristiques selon les conditions de fonctionnement (par exemple, des valeurs de courant individuelles ou des valeurs de commande) afin de faire face au phénomène sus-mentionné, selon lequel les valeurs des paramètres caractéristiques de la machine synchrone 1 fluctuent suite à l'influence de la saturation magnétique.
Tandis que la description qui précède concernant
le second mode de réalisation a illustré le procédé permettant de simplifier le calcul de l'angle de puissance A0 et l'opération de commande du flux de champ, le dispositif de commande du second mode de réalisation peut être reconfiguré de manière à ce que la phase de couplage par flux d'induit soit calculée par le procédé du premier mode de réalisation et la commande de courant de champ ifr permettant de commander le couplage par flux d'induit est calculée selon le procédé simplifié du second mode de réalisation, dans lequel le générateur de commande de courant de champ 42 calcule la commande de courant de champ ifr à partir de la commande de flux cDr et de l'angle de puissance G. Le calculateur d'angle de puissance 41 et le générateur de commande de courant de champ 42 du présent mode de réalisation constituent respectivement un calculateur d'angle de puissance et un générateur de commande de courant de champ de la présente invention.
A ce stade de la description, le dispositif de commande sus-mentionné selon la présente invention commande la machine synchrone de manière à ce que la machine synchrone soit maintenue dans un état de fonctionnement optimal en utilisant les paramètres caractéristiques de la machine, y compris les informations sur les flux magnétiques produits par les aimants permanents. Par conséquent, même lorsque l'un quelconque des paramètres caractéristiques de la machine synchrone varie, il est possible de maintenir la machine synchrone dans l'état de fonctionnement optimal reflétant les variations des caractéristiques de la machine par une légère modification des valeurs des paramètres caractéristiques. De plus, le dispositif de commande selon le second mode de réalisation de l'invention est structuré de manière à effectuer une opération de commande simplifiée sans la nécessité d'estimer ni de commander la formation des flux magnétiques, de sorte que le dispositif de commande du second mode de réalisation puisse exercer les même effets avantageux que le dispositif de commande du premier mode de réalisation avec une configuration plus simple.
Pour résumer, un dispositif de commande selon une forme de l'invention pour commander une machine synchrone à champs enroulés ayant une bobine de champ et des aimants permanents pour générer des champs magnétiques comprend un générateur de commande de flux, un calculateur de couplage par flux d'induit, un diviseur, un calculateur de commande de courant de champ et un dispositif de commande de courant d'induit. Le générateur de commande de flux produi-: une commande de flux sur la base d'une vitesse de rotation d'entrée de la machine synchrone. Le calculateur de couplage par flux d'induit calcule une amplitude et une phase d'un couplage par flux d'induit et un angle de puissance à partir de valeur de courants d'induit et d'un courant de champ s'écoulant dans la machine synchrone, en prenant en compte des flux magnétiques produits par les aimants permanents. Le diviseur produit une commande de courant d'induit en divisant une commande de couple par le couplage par flux d'induit. Le calculateur de commande de courant de champ calcule ur..e commande de courant de champ sur la base d'une erreur du couplage par flux d'induit calculé par le calculateur du couplage par flux d'induit à partir de =a commande de flux et de l'angle de puissance. Le dispositif de commande de courant d'induit commande la machine synchrone de manière à ce qu'une erreur d'un courant d'induit dans une direction perpendiculaire à la direction du couplage par flux d'induit à partir de la commande de courant d'induit et d'un courant d'induit dans la direction du couplage par flux de l'induit devienne impossible.
Le dispositif de commande ainsi structuré peut commander la machine synchrone à champs enroulés dans des conditions optimales reflétant facilement des modifications de caractéristiques de la machine même lorsque l'un quelconque des paramètres caractéristiques de la machine synchrone à champs enroulés varie.
Selon l'une des propriétés de l'invention, le calculateur de couplage par flux d'induit calcule l'amplitude et la phase du couplage par flux d'induit sur la base de caractéristiques de chaque machine synchrone particulière à champs enroulés, et le calculateur de commande de courant de champ calcule la commande de courant de champ sur la base des caractéristiques de chaque machine synchrone particulière à champs enroulés.
Le dispositif de commande ainsi structuré peut commande correctement la machine synchrone à champs enroulés selon les caractéristiques de celleci, même si les caractéristiques diffèrent d.'une machine synchrone à champs enroulés à l'autre.
Selon une autre forme de l'invention, un dispositif de commande pour commander une machine synchrone à champs enroulés ayant une bobine de champ et des aimants permanents pour générer des champs magnétiques comprend un générateur de commande de flux, un diviseur, un calculateur d'angle de puissance, un générateur de commande de courant de champ, un additionneur et un dispositif de commande de courant d'induit. Le générateur de commande de flux produit une commande de flux sur la base d'une vitesse de rotation d'entrée de la machine synchrone. Le diviseur produit une commande de courant d'induit en divisant une commande de couple par la valeur de la commande de flux. Le calculateur d'angle de puissance calcule l'angle de puissance à partir de la commande de flux et de la commande de courant d'induit. Le générateur de commande de courant de champ calcule une commande de courant de champ à partir de la commande de flux et de l'angle de puissance en prenant en compte des flux magnétiques produits par les aimants permanents. L'additionneur calcule une phase de la commande de flux en ajoutant l'angle de puissance à une phase de rotor. Le dispositif de commande de courant d' indu=_t commande la machine synchrone de manière à ce qu'une erreur d'un courant d'induit dans une direction perpendiculaire à la direction de la commande de flux à partir de la commande de courant d'induit et d'un courant d'induit dans la direction du couplage par flux d'induit devienne impossible.
Le dispositif de commande ainsi structuré peut également commander facilement la machine synchrone à champs enroulés dans des conditions optimales reflétant des modifications de caractéristiques de la machine, même lorsque l'une quelconque des caractéristiques de la machine synchrone à champs enroulés varie. De plus, ce dispositif de commande peut effectuer une opération de commande simplifiée à l'aide du calculateur d'angle de puissance et du générateur de commande de courant de champ, sans estimer ni commander la formation des flux magnétiques, de sorte que le dispositif de commande puisse être structuré avec une configuration plus simple.
Selon une autre propriété de l'invention, le calculateur d'angle de puissance calcule l'angle de puissance sur la base des caractéristiques de chaque machine synchrone particulière à champs enroulés, et le générateur de commande de courant de champ calcule la commande de courant de champ sur la base des caractéristiques de chaque machine synchrone particulière à champs enroulés.
Selon cette propriété de l'invention, le dispositif de commande peut commander correctement la machine synchrone à champs enroulés selon les caractéristiques de celle-ci, même si les caractéristiques diffèrent d'une machine synchrone à champs enroulés à l'autre.
Selon une forme encore différente de l'invention, un dispositif de commande pour commander une machine synchrone à champs enroulés ayant une bcbine de champ et des aimants permanents pour générer des champs magnétiques comprend un générateur de commande de flux, un calculateur de couplage par flux d'induit, un diviseur, un générateur de commande de courant de champ et un dispositif de commande de courant d'induit. Le générateur de commande de flux produit une commande de flux sur la base d'une vitesse de rotation d'entrée de la machine synchrone. Le calculateur de couplage par flux d'induit calcule une amplitude et une phase d'un couplage par flux d'induit et un angle de puissance à partir de valeurs de courants d'induit et d'un courant de champ s'écoulant dans la machine synchrone en prenant en compte des flux magnétiques produits par les aimants permanents. Le diviseur produit une commande de courant d'induit en divisant une commande de couple par le couplage par flux d'induit. Le générateur de commande de courant de champ calcule une commande de courant de champ à partir de la commande de flux et de la phase du couplage par flux d'induit en prenant en compte des flux magnétiques produits par les aimants permanents. Le dispositif de commande de courant d'induit commande la machine synchrone de manière à ce qu'une erreur d'un courant d'induit dans une direction perpendiculaire à la direction du couplage par flux d'induit à partir de la commande de courant d'induit et d'un courant d'induit dans la direction du couplage par flux d'induit devienne impossible.
Le dispositif de commande ainsi structuré peut également commander la machine synchrone à champs enroulés dans des conditions optimales en reflétant facilement des modifications de caractéristiques de la machine, même lorsque l'une quelconque des caractéristiques de la machine synchrone à champs enroulés varie.
Claims (5)
1. Dispositif de commande pour commander une machine synchrone (1) à champs enroulés ayant une bobine de champ (lb) et des aimants permanents pour générer des champs magnétiques, caractérisé en ce qu'il comprend: un générateur de commande de flux (9) pour produire une commande de flux ((Dr) sur la base d'une vitesse de rotation d'entrée (o) de la machine synchrone (1) ; un calculateur de couplage par flux d'induit (7, 14) pour calculer une amplitude (I(DI) et une phase (L(D) d'un couplage par flux d'induit (D) et un angle de puissance (A0) à partir de valeurs de courants d'induit (iu, iv, iw) et d'un courant de champ (iff) s'écoulant dans la machine synchrone (1) en prenant en compte des flux magnétiques produits par les aimants permanents; un diviseur (15) pour produire une commande de courant (i3r) en divisant une commande de couple (ir) par le couplage par flux d'induit (1) ; un calculateur de commande de courant de champ (11) pour calculer une commande de courant de champ (ifr) sur la base d'une erreur (4D) du couplage par flux d'induit ((D) calculé par ledit calculateur de couplage par flux d'induit (7, 14) à partir de la commande de flux (cr) et de l'angle de puissance (40) ; et un dispositif de commande de courant d'induit (17, 19) pour commander la machine synchrone W de manière à ce qu'une erreur d'un courant d'induit (AiS) dans une direction perpendiculaire à la direction du couplage par flux d'induit (d)) à partir de la commande de courant (i8r) et d'un courant d'induit (4iy) dans la direction du couplage par flux d'induit (c1) devienne 5 impossible.
2. Dispositif de commande de machine synchrone (1) à champs enroulés selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit calculateur de couplage par flux d'induit (7, 14) calcule l'amplitude (I2q)et la phase (Ld)) du couplage par flux d'induit (Ci) sur la base de caractéristiques de chaque machine synchrone (1) particulière à champs enroulés, et ledit calculateur de commande de courant de champ (11) calcule la commande de courant de champ (ifr) sur la base des caractéristiques de chaque machine synchrone (1) particulière à champs enroulés.
3. Dispositif de commande pour commander une machine synchrone (1) à champs enroulés ayant une bobine de champ (lb) et des aimants permanents pour générer des champs magnétiques, caractérisé en ce qu'il comprend: un générateur de commande de flux (9) pour produire une commande de flux (cr) sur la base d'une vitesse de rotation d'entrée (cl)) de la machine synchrone (1) ; un diviseur (15) pour produire une commande de courant (i8r) en divisant une commande de couple (Tr) 30 par la valeur de la commande de flux (Or) ; un calculateur d'angle de puissance (41) pour calculer un angle de puissance (AO) à partir de la commande de flux (cr) et de la commande de courant (iSr) ; un générateur de commande de courant de champ (42) pour calculer une commande de courant de champ (ifr) à partir de la commande de flux ((Dr) et de l'angle de puissance (AO) en prenant en compte des flux magnétiques produits par les aimants permanents; un additionneur (43) pour calculer une phase (Ln)) de la commande de flux ((Dr) en ajoutant l'angle de puissance (AO) à une phase de rotor (0) ; et un dispositif de commande de courant d'induit (17, 19) pour commander la machine synchrone (1) de manière à ce qu'une erreur d'un courant d'induit (AiS) dans une direction perpendiculaire à la direction de la commande de flux ((Dr) à partir de la commande de courant (iSr) et d'un courant d'induit dans la direction du couplage par flux d'induit ((D) devienne impossible.
4. Dispositif de commande de machine synchrone (1) à champs enroulés selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit calculateur d'angle de puissance (41) calcule l'angle de puissance (AO) sur la base de caractéristiques de chaque machine synchrone (1) particulière à champs enroulés, et ledit générateur de commande de courant de champ (42) calcule la commande de courant de champ (ifr) sur la base des caractéristiques de chaque machine synchrone (1) particulière à champs enroulés.
5. Dispositif de commande pour commander une machine synchrone (1) à champs enroulés ayant une bobine de champ (lb) et des aimants permanents pour générer des champs magnétiques, caractérisé en ce qu'il comprend: un générateur de commande de flux (9) pour produire une commande de flux ((Dr) sur la base d'une vitesse de rotation d'entrée (o) de la machine 10 synchrone (1) ; un calculateur de couplage par flux d'induit (7, 14) pour calculer une amplitude (1431) et une phase (243) d'un couplage par flux d'induit (43) et une angle de puissance (AO) à partir de valeurs de courants d'induit (iu, iv, iw) et d'un courant de champ (if) s'écoulant dans la machine synchrone (1) en prenant en compte des flux magnétiques produits par les aimants permanents; un diviseur (15) pour produire une commande de courant (iSr) en divisant une commande de couple (Tt) par le couplage par flux d'induit (ID) ; un générateur de commande de courant de champ (11) pour calculer une commande de courant de champ (ifr) à partir de la commande de flux (cr) et de la phase (L(D) du couplage par flux d'induit (43) en prenant en compte 25 des flux magnétiques produits par les aimants permanents; et un dispositif de commande de courant d'induit (17, 19) pour commander la machine synchrone (1) de manière à ce qu'une erreur d'un courant d'induit (AiS) dans une 30 direction perpendiculaire à la direction du couplage par flux d'induit (do) à partir de la commande de courant (i8r) et d'un courant d'induit (Aiy) dans la direction du couplage par flux d'induit (d)) devienne impossible.
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