FR2917917A1 - Detection de position d'un rotor a l'arret et a vitesse reduite - Google Patents

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Abstract

Pour une machine synchrone à champ bobiné (WFSM) à courant alternatif (CA) multiphase (8) qui a un stator (12) doté d'un nombre de pôles sélectionné, la WFSM ayant une excitatrice (14) associée et une machine à aimants permanents (PMM) à CA multiphase (16) couplée directement à la WFSM, la présente invention décrit un procédé de détection de la position d'un rotor (10) dans la WFSM qui comprend les étapes consistant à : configurer un stator (22) pour que la PMM ait un nombre de pôles qui soit un sous-multiple du nombre sélectionné de pôles de stator de WFSM ; configurer un rotor (20) pour que la PMM ait une saillance élevée ; appliquer une puissance en CA multiphase d'une fréquence sélectionnée au stator de PMM ; détecter au moins un ensemble de courants harmoniques des stators de la puissance en CA multiphase résultant de la saillance de rotor ; convertir les courants harmoniques de stator de PMM détectés de leurs coordonnées multiphase en coordonnées alphabeta ; mettre en rotation les courants de stator de PMM convertis dans un cadre de référence pendant au moins une composante harmonique sélectionnée afin de générer des vecteurs de courant harmonique à coordonnées alphabeta ; et estimer la position du rotor de WFSM sur la base des valeurs des vecteurs de courant harmonique à coordonnées abeta dans le cadre de référence de composante harmonique sélectionné.

Description

DETECTION DE POSITION D'UN ROTOR A L'ARRET ET A VITESSE REDUITE
DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne des systèmes de détection de position angulaire et de vitesse de rotor pour des systèmes de transfert de puissance électromécanique, et plus particulièrement, un système de détection de position qui détermine la position d'un rotor pour une machine synchrone à champ bobiné à l'arrêt ou presque.
ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Des systèmes de transfert de puissance électromécanique pour des applications aéronautiques peuvent intégrer des fonctions de démarrage de moteurs principal et auxiliaire avec un équipement de génération de puissance électrique embarqué. Une machine synchrone classique à champ bobiné (WFSM), sans balai est idéale pour un tel système de transfert de puissance électromécanique dans lequel elle peut servir à la fois de démarreur et de générateur. Il s'agit d'un choix logique pour les architectures modernes de systèmes électriques à fréquence variable (VF) et courant alternatif (AC). Une WFSM qui sert à la fois de démarreur et de générateur est représentative d'une catégorie d'entraînements par moteur électrique à vitesse variable dans le mode de démarreur d'un fonctionnement qui utilise un convertisseur de puissance à semi-conducteurs pour traiter une puissance électrique en courant continu (CC) à potentiel habituellement élevé et la transformer en une puissance électrique VF CA qui convient pour entraîner la machine électrique CA à vitesse variable. Une caractéristique habituelle de tous les entraînements par moteur électriqu.e synchrone à vitesse variable concerne le fait que la position du rotor de moteur électrique doit commander le convertisseur de puissance à semi-conducteurs pour satisfaire les exigences de performance du moteur électrique.
Un résolveur monté sur le rotor de démarreur/ générateur peut fournir ces informations de position de rotor requises, mais il s'agit d'un ajout non souhaitable en raison de ses dimensions imposantes, son poids et sa complexité ou ses défauts de manque de fiabilité. Ainsi, il est plus souhaitable d'obtenir la fonction de démarrage électrique par détection automatique ou sans utiliser de capteur, sans utiliser de résolveu.r ou d'autres moyens de détection de position de rotor évidents, En plus, le dimensionnement d'une WFSM pour une telle application de démarreur/générateur concerne les conditions de démarrage du cas le plus défavorable qui peuvent exiger une pluralité de machines pour démarrer un seul moteur principal par grand froid. Il est ainsi nécessaire, dans certaines applications, de mettre en parallèle une multitude de démarreurs/générateurs pour fournir un couple maximum en provenance de chacun de ces démarreurs/générateurs, à l'arrêt. Il existe de nombreux schémas sans capteur permettant un fonctionnement sans capteur de moteurs électriques d'un grand nombre de catégories différentes dans des conditions de fonctionnement différentes. Avec un rotor à l'arrêt ou à vitesse réduite, la force contre-électromotrice (FEM) générée dans une machine dynamo--électrique est insuffisante pour permettre une estimation précise d'une position de rotor en utilisant uniquement une mesure possible de potentiels et de courants de borne. Il est donc nécessaire de mettre à disposition un moyen pour stimuler la machine afin d'extraire des informations de position de rotor. Le rotor ou le stator peut recevoir une telle stimulation. Celle-ci peut être soit transitoire soit continue, et elle peut avoir des fréquences différentes. Toutes les approches connues exigent un moyen pour stimuler la machine et un moyen pour interpréter ou démoduler la réponse de stimulation afin de fournir une estimation de la position de rotor. Markunas et al. décrivent une approche avantageuse dans le brevet U.S. n 7 034 097. Markunas et al. décrivent un procédé d'injection de porteuse sans capteur (CIS) consistant à estimer la position et la vitesse du rotor d'une WFSM. Le CIS fonctionne par application d'un signal d'excitation haute fréquence avec une forme d'onde de courant ou de potentiel électrique de mise en rotation à la machine dynamo-électrique à une fréquence suffisamment élevée pour qu'elle bascule autour du stator plus vite que ne tourne le rotor, "observant" ainsi le rotor depuis tous les angles. Cette "observation" est rendue possible par la mesure de la forme d'onde de courant ou de potentiel de mise en rotation résultante, qui contient des informations relatives au rotor en raison des différences qui dépendent de la position du rotor dans le circuit magnétique équivalent de la machine dynamo-électrique. En transformant la forme d'onde de courant de mise en rotation au niveau des bornes de machine en son équivalent stationnaire biaxial (a(3) et en représentant graphiquement sur des axes x et y le résultat, une orbite non circulaire mise en rotation avec le rotor peut être visualisée. Il s'agit de l'image électromagnétique (EM) de la machine dynamo-électrique et, en général, chaque conception de machine a sa propre image EM unique. Cette technique fonctionne avec toute machine dynamo-électrique qui dispose de saillances de rotor qui résultent en un changement d'impédance tel qu'observé au niveau des bobinages de stator au signal d'excitation haute fréquence.
RESUME DE L'INVENTION Pour une machine synchrone à champ bobiné (WFSM) à courant alternatif (CA) multiphase qui a un stator doté d'un nombre de pôles sélectionné, la WFSM ayant une excitatrice associée et une machine à aimants permanents (PMM) à CA multiphase couplée directement à la WFSM, l'invention comprend de manière générale un procédé consistant à détecter la position d'un rotor dans la WFSM comprenant les étapes consistant à : configurer un stator pour que la PMM ait un nombre de pôles qui est un sous-multiple du nombre de pôles de stator de la WFSM sélectionné ; configurer un rotor pour que la PMM ait une saillance efficace ; appliquer une puissance en CA multiphase d'une fréquence sélectionnée au stator de PMM ; détecter au moins un ensemble de courant harmonique de stator de la puissance en CA multiphase résultant de la saillance du rotor ; convertir les courants harmoniques de stator de PMM détectés à partir de leurs coordonnées multiphase en coordonnées a(3 ; mettre en rotation les courants de stator de PMM convertis dans un cadre de référence pendant au moins une composante harmonique sélectionnée pour générer des vecteurs de courant harmonique à coordonnées a(3 ; et estimer la position du rotor de WFSM sur la base des valeurs des vecteurs de courant harmonique à coordonnées a(3 dans le cadre de référence de composantes harmoniques sélectionnées.
DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est une représentation simplifiée de haut niveau d'un système de transfert de puissance électromécanique incorporant un mode de réalisation envisageable de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 est une représentation simplifiée de haut niveau d'un système de transfert de puissance électromécanique 2 qui peut incorporer un mode de réalisation envisageable de l'invention. Une source de puissance CA multiphase 4 est couplée à un bus de puissance principal en CA 6. Une WFSM 8 comprend un rotor 10 et un stator à CA multiphase 12 doté d'un nombre de pôles sélectionné. Le stator 12 reçoit une puissance en CA depuis la source de puissance 4 au moyen du bus principal 6. La source de puissance 4, le bus principal 6 et le stator 12 peuvent avoir deux ou plusieurs phases, mais ils sont habituellement triphasés comme représenté sur la figure 1. La source de puissance 4 comprendra habituellement une sortie d'inverseur d'un système de commande de moteur électrique. La WFSM 8 a une excitatrice 14 associée et une machine à aimants permanents (PMM) 16 auxiliaire, toutes deux étant directement couplées à la WFSM 8 au moyen d'un arbre de couplage 18. La PMM 16 comprend un rotor 20 à aimants permanents (PM) et un stator à CA multiphase 22 ayant le même nombre de phases que le stator 12 de WFSM et un sous-multiple du nombre de pôles sélectionné de la WFSM 12. La WFSM 8, l'excitatrice 14 et la PMM 16 peuvent composer, de manière pratique, un seul assemblage intégré. Un moteur primaire 24 est couplé à la WFSM 8 au moyen d'un arbre d'entraînement 26 de sorte que la WFSM 8 puisse mettre en rotation le moteur primaire 24 dans un mode de démarrage.
Le stator 22 de PMM reçoit une puissance d'excitation en CA depuis une source d'excitation en CA multiphase 28 de PMM qui est couplée au stator 22 de PMM au moyen d'un bus auxiliaire en CA multiphase 30. La fréquence d'excitation n'est pas cruciale et peut varier sur une large plage, mais une source d'excitation de 400 Hz est disponible de manière pratique dans la plupart des applications aéronautiques. Un système formant détecteur de courant 32 de bus auxiliaire détecte des courants de stator dans le bus auxiliaire 30, y compris les courants Ifip de fréquence d'excitation fondamentale f 1 p et des courants harmoniques de stator de la fréquence d'excitation provoquée par la saillance du rotor 20 de PMM et son interaction avec le stator 22 de PMM. Ces courants harmoniques de stator peuvent comporter les courants Ifln de première composante harmonique négative fin et les courants I f2p de seconde composante harmonique positive f2p, le système formant détecteur 32 génère des signaux de courants respectifs détectés sur un bus de sortie 34 du système de détection. Un système de transformation des coordonnées multiphase en coordonnées a(3 36 reçoit les signaux de courant de stator détectés depuis le système formant détecteur 32 au moyen du bus de sortie 34 du système de détection et génère des signaux de courant de stator de coordonnées a(3 respectifs sur des lignes de sortie 38 du système de transformation en coordonnées a(3. Un algorithme CIS 40 reçoit les signaux de courant de stator de courant a(3 sur les lignes de sortie 38 du système de transformation en coordonnées a(3. En utilisant habituellement des techniques de détection par boucle à verrouillage de phase, comme indiqué dans Markunas et al., l'algorithme CIS 40 se verrouillera sur au moins un parmi les signaux de courant harmonique de stator à coordonnées (43 et estimera la position instantanée du rotor de PMM. Par exemple, l'algorithme CIS 40 peut mettre en rotation les signaux de courant harmonique de stator à coordonnées a(3 dans le cadre de référence de mise en rotation de première composante harmonique négative pour extraire des composantes de courant de vecteur de mise en rotation correspondant à 400 Hz. La théorie de détection de position du CIS énonce qu'une image EM de rotor est mise en rotation avec l'angle électrique du rotor. Dans ce cas, les composantes de courant de vecteur de mise en rotation sont mises en rotation dans la même direction que l'image EM du rotor du rotor 20 de PMM, mais l'incrément d'angle est égal à deux fois celui de l'image EM de rotor. En raison de cet angle électrique de rotor double, le vecteur de courant de première composante harmonique négative n'est pas, en lui-même, utilisable pour estimer sans équivoque la position réelle du rotor, uniquement une position de pôle. En utilisant ce vecteur de courant, un quelconque autre moyen devra alors établir la position réelle.
Le brevet U.S. n 6 967 461 de Markunas et al., décrit un moyen pour fournir une discrimination nord-sud. Ce brevet indique que des composantes de courant de vecteur mises en rotation de manière positive peuvent être utilisées pour surmonter une ambiguïté nord- sud. Ainsi, l'algorithme CIS 40 peut mettre en rotation les signaux de courant harmonique de stator à coordonnées a(3 dans le cadre de référence de mise en rotation de seconde composante harmonique positive pour extraire des composantes de courant de vecteur de mise en rotation correspondant à + 800 Hz. L'algorithme CIS peut ensuite utiliser le vecteur de courant de seconde composante harmonique positive pour déterminer une polarité nord-sud du rotor 20 de PMM. Si le rotor 20 de PMM a une saillance de rotor suffisante et que le nombre de pôles du stator 22 de PMM est le même que le nombre de pôles du stator 12 de WFSM, c'est-à-dire, un sous-multiple de 1, alors l'algorithme CIS 40 peut utiliser le vecteur de courant de seconde composante harmonique positive lui-même pour déterminer sans équivoque la position du rotor 20 de PMM et du rotor 10 de WFSM. Il est possible d'induire une saillance dans le rotor 20 de PMM grâce à un moyen de saturation géométrique ou magnétique. Par exemple, la conception du rotor 20 de PMM peut avoir une géométrie non uniforme pour induire une saillance géométrique dans le rotor 20 de PMM. En variante, l'application d'un niveau de la source d'excitation 28 de PMM au stator 22 de PMM qui sature magnétiquement la PMM 16 peut induire une saillance de saturation dans le rotor 20 de PMM.
L'algorithme CIS 40 peut fournir un signal de position angulaire de rotor estimée sur une ligne de position angulaire 42 de rotor et un signal de vitesse angulaire de rotor estimée sur une ligne de vitesse angulaire 44 de rotor pour le rotor 10 de WFSM. Un système de commande 46 de moteur électrique peut recevoir le signal de position angulaire de rotor estimée sur la ligne de position angulaire 42 de rotor et le signal de vitesse angulaire de rotor estimée sur la ligne de vitesse angulaire 44 de rotor pour générer des signaux de sortie de dispositif de commande approprié sur un bus de sortie 48 de dispositif de commande. La source de puissance 4 peut recevoir les signaux de sortie de dispositif de commande sur le bus de sortie 48 de dispositif de commande pour réguler une puissance et une vitesse angulaire de la WFSM 8 au cours d'une opération de démarrage.
Les modes de réalisation décrits de la présente invention ne représentent que quelques mises en oeuvre illustratives de l'invention auxquelles des changements et remplacements des diverses parties et de leurs agencements peuvent être apportés dans les limites de la portée de l'invention qui est exposée dans les revendications jointes et leurs équivalents. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ciùdessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims (15)

REVENDICATIONS
1. Procédé de détection de la position d'un rotor (10) dans une machine synchrone à champ bobiné (WFSM) à courant alternatif (CA) multiphase (8) qui dispose d'un stator (12) muni d'un nombre de pôles sélectionné, la WFSM ayant une excitatrice (14) associée et une machine à aimants permanents (PMM) (16) et à courant alternatif (CA) multiphase couplée directement à la WFSM, comprenant les étapes suivantes : configurer un stator (22) pour que la PMM ait un nombre de pôles qui est un sous-multiple du nombre sélectionné des pôles de stator de la WFSM ; induire une saillance dans un rotor (20) pour la PMM ; appliquer une puissance en CA multiphase d'une fréquence sélectionnée au stator de PMM ; détecter au moins un ensemble de courants harmoniques de stator de la puissance en CA multiphase résultant de la saillance de rotor ; convertir les courants harmoniques de stator de PMM détectés de leurs coordonnées multiphase vers des coordonnées a(3 ; mettre en rotation les courants de stator de PMM convertis dans un cadre de référence pendant au moins une composante harmonique sélectionnée pour générer des vecteurs de courant de composantes harmoniques à coordonnées a(3 ; et estimer la position du rotor (10) de WFSM sur la base des valeurs des vecteurs de courant de composantes harmoniques à coordonnées aj3 dans le cadre de référence de composantes harmoniques sélectionnées.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de détection comprend la détection de la première composante harmonique négative de la fréquence de puissance en CA multiphase.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de détection comprend en outre l'étape consistant à détecter la seconde composante harmonique positive de la fréquence de puissance en CA multiphase et le procédé comprend en outre l'étape consistant à estimer une polarité nord-sud du rotor (10) de WFSM avec desvecteurs de courant de seconde composante harmonique positive à coordonnées a(3.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape consistant à estimer la position du rotor (10) de WFSM est basée sur les valeurs des vecteurs de courant de première composante harmonique négative à coordonnées a(3.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape consistant à induire une saillance dans un rotor (20) pour la PMM (16) comprend l'étape consistant à induire une saillance géométrique dans le rotor.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape consistant à induire une saillance dans le rotor (20) de PMM comprend l'étape consistant à concevoir le rotor de PMM pour qu'il ait une géométrie non uniforme afin d'induire une saillance géométrique dans le rotor de PMM.
7. Procédé selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que l'étape consistant à induire une saillance dans un rotor (20) pour la PMM (16) comprend l'étape consistant à induire une saillance de saturation dans le rotor.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape consistant à induire une saillance de saturation dans le rotor (20) de PMM comprend l'étape consistant à ajuster la puissance en CA jusqu'à un niveau qui sature le rotor de PMM.
9. Procédé selon la revendication 5, 6, 7 ou 8, caractérisé en ce que l'étape consistant à détecter comprend en outre l'étape consistant à détecter la seconde composante harmonique positive de la fréquence de puissance en CA multiphase.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape consistant à estimer la position du rotor (10) de WFSM est basée sur les valeurs des vecteurs de courant de seconde composante harmonique positive à coordonnées a(3.
11. Procédé consistant à détecter la position d'un rotor (10) dans une machine synchrone à champ bobiné (WFSM) à courant alternatif (CA) multiphase (8) qui a un stator (12) doté d'un nombre de pôles sélectionné, la WFSM ayant une excitatrice (14) associée et une machine à aimants permanents (PMM) en CA multiphase (16) couplée directement à la WFSM, comprenant les étapes suivantes :configurer un stator (22) pour que la PMM ait un nombre de pôles qui soit un sous-multiple du nombre sélectionné de pôles de stator de WFSM ; induire une saillance géométrique dans un rotor (20) pour la 5 PMM ; appliquer une puissance en CA multiphase d'une fréquence sélectionnée au stator (22) de PMM ; détecter les courants de stator de première composante harmonique négative et de seconde composante harmonique positive 10 de la fréquence de puissance en CA multiphase ; convertir les courants de stator de première composante harmonique négative et de seconde composante harmonique positive de PMM détectés de leurs coordonnées multiphase en coordonnées a(3 ; mettre en rotation les courants de stator de première 15 composante harmonique négative et de seconde composante harmonique positive de PMM convertis dans leurs cadres de référence respectifs pour générer des vecteurs de courants harmoniques à coordonnées a(3 respectifs ; estimer une polarité nord-sud du rotor (10) de WFSM avec les 20 vecteurs de courant de seconde composante harmonique positive à coordonnées a(3 et estimer la position déterminée par la polarité du rotor de WFSM sur la base des valeurs des vecteurs de courant harmonique à coordonnées a(3 de première composante harmonique négative. 25
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'étape consistant à induire une saillance géométrique dans le rotor (20) de PMM comprend l'étape consistant à concevoir le rotor de PMM pour qu'il ait une géométrie non uniforme.
13. Procédé consistant à détecter la position d'un rotor (10) 30 dans une machine synchrone à champ bobiné (WFSM) à courant alternatif (CA) multiphase (8) qui a un stator (12) doté d'un nombre de pôles sélectionné, la WFSM ayant une excitatrice (14) associée et une machine à aimants permanents (PMM) en CA multiphase (16) couplée directement à la WFSM, comprenant les étapes suivantes : 35 configurer un stator (22) pour que la PMM ait un nombre de pôles qui soit un sous-multiple du nombre sélectionné de pôles de stator (12) de WFSM ;induire une saillance de saturation dans un rotor (20) pour la PMM ; appliquer une puissance en CA multiphase d'une fréquence sélectionnée au stator (22) de PMM ; détecter au moins les courants de stator de seconde composante harmonique positive de la puissance en CA multiphase résultant de la saillance de rotor ; convertir les courants de stator de seconde composante harmonique positive de PMM détectés de leurs coordonnées multiphase en coordonnées a(3 ; mettre en rotation les courants de stator de seconde composante harmonique positive de PMM convertis dans leur cadre de référence pour générer des vecteurs de courant de seconde composante harmonique positive à coordonnées a(3 ; et estimer la position du rotor (10) de WFSM sur la base des valeurs des vecteurs de courant de seconde composante harmonique positive à coordonnées a.(3.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'étape consistant à induire une saillance de saturation dans le rotor (20) de PMM comprend l'étape consistant à ajuster la puissance en CA jusqu'à un niveau qui sature le rotor (20) de PMM.
15. Procédé de détection de la position d'un rotor (10), sensiblement comme décrit jusqu'ici en référence au dessin joint.
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