FR3027747A1 - Procede de commande de couple d'une machine electrique synchrone triphasee - Google Patents

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Abstract

Selon ce procédé de commande d'un onduleur triphasé (6) pour machine électrique synchrone triphasée, on applique une tension périodique de commande sur chaque élément de commutation (T1, T2) de l'onduleur de manière à générer, en sortie de chaque phase de l'onduleur, un courant sinusoïdal d'excitation. On applique sur chaque élément de commutation une tension de commande de manière à obtenir, pour deux périodes consécutives de la tension de commande, un état de l'élément de commutation identique en fin de première période et en fin de deuxième période.

Description

Procédé de commande de couple d'une machine électrique synchrone triphasée L'invention concerne, de manière générale, le contrôle du couple fourni par un moteur électrique de traction d'un véhicule automobile électrique. Mais l'invention concerne également, de manière générale, la commande d'un onduleur destiné notamment, mais non exclusivement, à l'excitation d'une machine électrique synchrone triphasée, telle qu'un moteur électrique de traction d'un véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique. Dans un moteur électrique, le couple est contrôlé soit en agissant sur la puissance des aimants du rotor du moteur, soit en agissant sur l'amplitude des courants fournis par un onduleur au stator du moteur. Lors du roulage d'un véhicule automobile à traction électrique, le courant du stator est le paramètre qu'il convient de contrôler pour contrôler le couple moteur. En se référant à la figure 1, une machine électrique synchrone triphasée comporte un stator comprenant ici trois enroulements 1, 2 et 3 et un rotor comprenant un ensemble d'aimants permanents schématisés sur la figure 1 par une paire de pôles 4. Les enroulements sont chacun excités par une tension el(t), e2(t) et e3(t). Les courants dans les trois phases du stator sont sinusoïdaux et déphasés chacun de2r rad- Ainsi, les courants créent un 7 3 champ magnétique tournant dans la machine. Le rotor s'aligne naturellement sur le champ magnétique tournant créé par le stator de sorte que dans une machine synchrone, la fréquence de rotation du rotor est égale à la fréquence des courants du stator. Pour commander les courants d'excitation des enroulements 1, 2 et 3, il faut donc appliquer à chaque phase du stator des tensions sinusoïdales déphasées de 27r rad - 3 En se référant à la figure 2, dans un véhicule automobile à traction électrique, le moteur électrique, référencé 5, qui comporte, comme décrit précédemment, un stator comprenant des enroulements et un rotor qui est entrainé à la vitesse de rotation du champ magnétique tournant créé par le stator, les tensions sinusoïdales appliquées aux trois enroulements du stator sont fournies par un onduleur triphasé 6 alimenté par une batterie de traction 7 et commandé par une unité centrale de traitement UCT. Comme on le voit, l'onduleur 6 comprend trois branches 6-a, 6- b et 6-c comprenant chacune deux éléments de commutation, tels que Ti et T2, réalisés de préférence à partir de transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), dont la grille reçoit un signal de commande issu de l'unité centrale de traitement UCT. Dans l'état de la technique, l'unité centrale de traitement pilote les transistors Ti et T2 par modulation en largeur d'impulsions (MLI) qui permet d'appliquer des tensions intermédiaires entre 0 et la tension de la batterie Vbaï. Les éléments de commutation de l'onduleur peuvent être pilotés de manière à appliquer en moyenne tout niveau de tension compris entre 0 et Vbaï. Comme le montre la figure 3, qui illustre l'évolution de la tension sinusoïdale appliquée sur les éléments de commutation de l'une des branches de l'onduleur (courbe A), et l'évolution de la tension moyenne appliquée (courbe B), la tension moyenne appliquée dépend du rapport cyclique de commande des éléments de commutation. On notera que la vitesse de rotation atteignable par la machine électrique est liée au nombre de paires de pôle du rotor et à la fréquence de fonctionnement du contrôle de la machine.
Afin de pouvoir réguler correctement les courants pour des fréquences allant jusqu'à lkHz, il a été constaté qu'il convenait de mettre en oeuvre la modulation en largeur d'impulsions à une fréquence de 10 kHz pour pouvoir reconstituer un signal sinusoïdal acceptable, ce qui correspond à 10 commutations des éléments de commutation, pour chaque période électrique. En d'autres termes, en utilisant des algorithmes de commande par modulation en largeur d'impulsions, pour chaque période de 100 microsecondes, on commande deux commutations pour chaque élément de commutation de chaque bras, correspondant soit à une fermeture soit à une ouverture de l'élément de commutation. Or, il a été constaté que chaque commutation se traduit par des pertes qui nuisent au rendement de la machine électrique et de l'électronique de puissance et pose également des problèmes thermiques au niveau de l'électronique de puissance. Au vu de ce qui précède, le but de l'invention est de commander un onduleur pour machine électrique synchrone triphasée de manière à réduire le nombre de commutations des éléments de commutation, tout en permettant de mettre à jour le rapport cyclique à fréquence constante. Il est donc proposé, selon un premier aspect, un procédé de commande d'un onduleur triphasé pour machine électrique synchrone triphasé, par application d'une tension périodique de commande pour chaque élément de commutation de l'onduleur de manière à générer, en sortie de chaque phase de l'onduleur, un courant sinusoïdal d' excitation. Selon ce procédé, on applique sur chaque élément de commutation une tension de commande de manière à obtenir, pour deux périodes consécutives de la tension de commande, un état de l'élément de commutation identique en fin de première période et en début de deuxième période. Par exemple, on ferme l'élément de commutation en fin de première période et en début de deuxième période.
Avantageusement, la durée de fermeture de l'élément de commutation pendant chaque période est déterminée de manière à obtenir un rapport cyclique de commande prédéterminé.
Avantageusement, on détermine la tension de neutre de l'onduleur de manière à obtenir un rapport cyclique nul sur au moins l'un des bras. Dans un mode de mise en oeuvre, la fréquence du signal de commande est de 10 kHz. L'invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, un procédé de commande de couple d'une machine électrique synchrone triphasée, par application d'une tension périodique de commande sur chaque élément de commutation d'un onduleur, de manière à générer, en sortie de chaque phase de l'onduleur, un courant sinusoïdal d'excitation délivré à la machine électrique, et dans lequel on applique, sur chaque élément de commutation, une tension de commande de manière à obtenir, pour deux périodes consécutives de la tension de commande, un état de l'élément de commutation identique en fin de première période et en début de deuxième période. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - les figures 1, 2 et 3, dont il a déjà été fait mention, illustrent le principe de commande d'un onduleur triphasé pour machine électrique synchrone triphasée, selon l'état de la technique ; - la figure 4 illustre la procédure d'application d'une tension de commande sur chaque phase d'un onduleur ; - les figures 5a et 51) illustrent le principe de la commande d'un onduleur triphasé conforme à l'invention ; et - la figure 6 montre les avantages liés au procédé de commande de l'onduleur des figures 5a et 51). On se référera tout d'abord à la figure 4 qui montre les choix qui peuvent être effectués dans le cadre de la commande d'une machine électrique synchrone triphasée par modulation en largeur d'impulsions, qui offre de nombreux degrés de liberté. La mise en oeuvre d'un procédé de commande en MLI implique en premier lieu un changement de repère (étape El) de manière à convertir des valeurs de tension entre phases en valeurs de tension par phase. On pourra, par exemple, si l'on souhaite obtenir des niveaux de tension entre les première et deuxième phases (V1-2) et entre les deuxième et troisième phases (V2-3) égales respectivement à 30V et à 50V, sélectionner un niveau de tension de neutre, qui correspond à la tension au neutre de la machine que l'on va appliquer. Pour avoir des rapports cycliques sur chaque bras de l'onduleur centrés autour de 50%, on peut choisir une tension de neutre à Vbat/2. Par exemple, pour une batterie délivrant une tension de 400V, les tensions élémentaires des phases 1, 2 et 3 seront respectivement : v1=250V, V2=220V et V3=170V. Ce type de répartition présente l'avantage d'obtenir une continuité des rapports cycliques sur chaque phase. En effet, les rapports cycliques étant centrés autour de 50%, il n'y a pas de saut à mettre en oeuvre pour faire évoluer la tension. Un autre choix pourra constituer à réduire la tension de neutre au maximum. Ainsi, pour les mêmes tensions composées V1-2=30V et V2-3=50V, on obtiendra les tensions simples suivantes V1=80V, V2=50V et V3=0, pour une tension de neutre égale à 40V Ce type de répartition présente l'avantage d'avoir en permanence un rapport cyclique nul sur au moins un bras. On réduit ainsi le nombre de commutations de 30% car on économise en permanence la commande de l'un des bras de l'onduleur.
Lors de l'étape E2 suivante, il convient de choisir les durées pendant lesquelles les éléments de commutation de chaque bras de l'onduleur sont commandés. Ainsi, pour un onduleur piloté à 10 kHz, c'est-à-dire pour une période de 100 i_ts, les éléments de commutation IGBT sont fermés autour du milieu de la période. Pour un rapport cyclique de 20%, les IGBTs seront fermés entre 40 i_ts et jusqu'à 60 i_ts, pour chaque période de 100 i_ts. Dans le but de réduire encore le nombre de commutation des éléments de commutation de chaque bras, les instants de commutation des éléments de commutation sont modifiés de manière à éviter les commutations entre deux périodes consécutives. En d'autres termes, sur deux périodes consécutives, et pour un rapport cyclique déterminé, on commande les éléments de commutation en fin de première période et en début de deuxième période de manière à éviter les commutations. Par exemple, sur une période de 100 i_ts, et pour un rapport cyclique de 20%, les éléments de commutation sont fermés entre 80 i_ts et 100 i_ts et, sur la période suivante, les éléments de commutation sont fermés entre 0 i_ts et 20 i_ts. Ainsi, en fin de première période, l'élément de commutation IGBT qui est à l'état fermé, conserve son état en début de période suivante. On évite donc une ouverture puis une fermeture de l'élément de commutation. On pourrait bien entendu prévoir que les éléments de commutation soient ouverts en fin de première période et en début de deuxième période. Comme le montrent les figures 5a et 5b, qui illustrent respectivement un procédé de commande en modulation en largeur d'impulsions selon l'état de la technique et selon l'invention, on voit que l'état de la technique, selon lequel les instants de commutation sont centrés autour du milieu de période, engendre, sur une durée d'analyse, douze commutations. Selon l'invention, dans laquelle les instants de commutation sont choisis de manière à obtenir des états identiques en fin de période et en début de période suivante, pour un même rapport cyclique, on divise par 2 le nombre de commutations des éléments de commutation. On obtient ainsi un fonctionnement similaire a un fonctionnement selon lequel les éléments de commutation seraient pilotés à une fréquence de 5 kHz. Toutefois, par rapport à une baisse de fréquence de régulation, on conserve ici la possibilité de mettre à jour le rapport cyclique toutes les 100 i_ts. En effet, comme le montre la figure 6, qui illustre l'évolution de la tension moyenne sur une phase, en utilisant un procédé de commande par modulation en largeur d'impulsions selon l'état de la technique à une fréquence de 5 kHz (courbe C), d'une part, et l'évolution de la tension moyenne en utilisant un procédé de commande selon l'invention (courbe D), d'autre part, avec le même nombre de commutation, on voit qu'il est possible de mettre à jour le rapport cyclique plus fréquemment. On obtient ainsi un signal de tension bien plus proche d'une sinusoïde grâce au procédé selon l' invention. On notera enfin que, le cas échéant, le procédé qui vient d'être décrit, pourrait être combiné avec une stratégie de réduction de commutation fondée sur une diminution de la tension de neutre.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un onduleur triphasé (6) pour machine électrique synchrone triphasée, par application d'une tension périodique de commande sur chaque élément de commutation de l'onduleur de manière à générer, en sortie de chaque phase de l'onduleur, un courant sinusoïdal d'excitation, caractérisé en ce qu'on applique sur chaque élément de commutation (Ti, T2) une tension de commande de manière à obtenir, pour deux périodes consécutives de la tension de commande, un état de l'élément de commutation identique en fin de première période et en début de deuxième période.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on ferme l'élément de commutation en fin de première période et en début de première période.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la durée de fermeture de l'élément de commutation pendant chaque période est déterminée de manière à obtenir un rapport cyclique de commande prédéterminé.
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel on détermine la tension de neutre de l'onduleur de manière à obtenir un rapport cyclique nul sur au moins un des bras.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la fréquence du signal de commande est de 10 kHz.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la machine électrique est un moteur électrique (5) de traction d'un véhicule automobile.
  7. 7. Procédé de commande de couple d'une machine électrique synchrone triphasée, par application d'une tension périodique de commande sur chaque élément de commutation d'un circuit onduleur (6) de manière à générer, en sortie, sur chaque phase de l'onduleur, un courant sinusoïdal d'excitation, caractérisé en ce qu'on applique sur chaque élément de commutation (Ti, T2) une tension de commande de manière à obtenir, pour deux périodes consécutives de la tension decommande, un état de l'élément de commutation identique en fin de première période et en début de deuxième période.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2004036755A2 (fr) * 2002-10-15 2004-04-29 International Rectifier Corporation Modulateur a modulation d'impulsions en duree a vecteur spatial pour moteur a aimant permanent

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R.S. LAI ET AL: "A PWM method for reduction of switching loss in a full-bridge inverter", PROCEEDINGS OF 1994 IEEE APPLIED POWER ELECTRONICS CONFERENCE AND EXPOSITION, ASPEC'94, vol. 10, 1 January 1994 (1994-01-01), pages 122 - 127, XP055198785, ISBN: 978-0-78-031456-6, DOI: 10.1109/APEC.1994.316410 *

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