FR3036898A1 - Procede de commande en courant de machine electrique alternative en boucle ouverte de tension - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de commande en courant appliqué à une machine électrique à courant alternatif, utilisant une commande en boucle ouverte de tension de l'état de l'art, associée dans la boucle de retour de courant à une mesure des courants en valeur absolue. Elle présente l'avantage, par rapport aux commandes existantes à flux orienté, d'autoriser une fréquence électrique nettement plus élevée, et d'éliminer les boucles de régulation de chaque courant de phase.

Description

PROCEDE DE COMMANDE EN COURANT DE MACHINE ELECTRIQUE ALTERNATIVE EN BOUCLE OUVERTE DE TENSION L'invention concerne un procédé de commande en courant, utilisant une commande en boucle ouverte de tension, appliquée à une machine électrique à courant alternatif, de type synchrone ou asynchrone. Elle présente l'avantage, par rapport aux commandes existantes à flux orienté, d'autoriser une fréquence électrique nettement plus élevée, et d'éliminer les boucles de régulation de chaque courant de phase.

De manière connue, une commande 10 de machine électrique synchrone, telle que décrite à la figure 1, est réalisée en synchronisant temporellement l'onde de tension, représentée par le vecteur des tensions (V1 V2 V3), généré par un onduleur 13 sur la position spatiale du rotor, notée thetames, laquelle position spatiale est mesurée par un capteur 14, ou estimée par un modèle. De manière connue, une commande 10 de machine électrique asynchrone, telle que décrite à la figure 1, est réalisée en synchronisant fréquentiellennent l'onde de tension, représentée par le vecteur des tensions (V1 V2 V3), généré par un onduleur 13 sur la position spatiale du rotor, notée thetames, laquelle position spatiale est mesurée par un capteur 14, ou estimée par un modèle.

Le principe de commande 10, qui est représenté à la figure 1 pour une machine alternative triphasée, s'applique à' un nombre quelconque de phases de la machine alternative 11. Dans la description de l'invention, le nombre de phases de la machine alternative commandée 11 est supérieur ou égal à un pour toutes les applications proposées.

3036898 Dans la description de l'invention, le mot « modulation » décrit toute modulation de l'état de l'art, prise dans la liste non-exhaustive suivante : sinusoïdale générée par une modulation de largeur d'impulsions, - pleine-onde à deux ou à trois niveaux, 5 multi-niveaux. Dans la description de l'invention, le mot « forme de la tension » décrit toute forme de tension, issue de l'état de l'art, et générée par l'onduleur 13, prise dans la liste non-exhaustive suivante : 10 - sinusoïdale générée par une modulation de largeur d'impulsions bi- niveaux ou multi-niveaux 40, - non-sinusoïdale générée par une modulation de largeur d'impulsions bi-niveaux ou multi-niveaux, - pleine onde à deux niveaux ou à trois niveaux 50, ou multi-niveaux.

15 Dans la description de l'invention, le mot « machine alternative » représente toute machine électrique tournante, ayant un nombre de phases quelconque, prise dans la liste non-exhaustive suivante : machine synchrone à aimants, machine synchrone sans aimants, machine à 20 réluctance variable, ou encore machine asynchrone selon l'un des trois modes suivant (liste non-exhaustive), machine d'induction à rotor à cage, ou machine à rotor en court-circuit, ou machine à rotor alimenté. L'onduleur de tension 13 de l'état de l'art découpe une tension continue 25 notée Vi appliquée sur son armature continue, selon des modes de découpage connus de l'état de l'art, afin d'appliquer sur ses connexions de sortie des tensions séquentiellement nulles, positives (notées +Vi) et négatives (notée -Vi).

3036898 3 La figure 4 décrit à titre d'illustration le cas d'une modulation sinusoïdale 40 à trois niveaux, qui génère à partir d'une onde découpée 42, une tension équivalente 41 sur les bornes de sortie alternatives d'un onduleur 13. La figure 5 décrit à titre d'illustration le cas d'une modulation pleine onde 50 à trois niveaux, qui génère une tension de forme rectangulaire 51 sur les bornes de sortie alternatives de l'onduleur 13. Dans la description de l'invention, le fonctionnement est décrit pour un onduleur de tension 13, mais elle reste valable pour un onduleur de 10 courant, laquelle structure se caractérise par la connexion d'une inductance de lissage sur son bus continu. L'homme de l'art saura transposer la description de l'invention effectuée pour un onduleur de tension, au cas d'un onduleur de courant.

15 De manière connue un onduleur de tension 13 découpe la tension fournie par une source de tension. Dans la description de l'invention, illustrée à la figure 2, l'onduleur de tension 13 reçoit comme ordres de commande d'une part l'amplitude de la tension de sortie notée « Vout », et d'autre part la position temporelle de l'onde de tension de sortie, notée « theta », 20 laquelle est représentée par le vecteur des tensions (V1 V2 V3) appliquées à la machine alternative 11. Le signal de commande de l'amplitude de la tension de sortie de l'onduleur 13 correspond, dans le cas de la modulation sinusoïdale à la tension efficace ou crête de la sinusoïde 41 fournie, et dans le cas de la modulation à trois niveaux au 25 rapport cyclique de conduction 6 de l'onde de tension 51. De manière connue, dans une commande de machine alternative, le déphasage entre l'onde de tension de sortie (V1 V2 V3) et la position rotorique theta est ajustée afin d'obtenir le fonctionnement requis de la 3036898 4 machine alimentée 11, par la mise en relation des flux magnétiques émis par le rotor d'une part, et par le stator d'autre part. De manière connue, dans les réalisations de l'état de l'art les déphasages respectifs entre les tensions (V1 V2 V3) fournies par l'onduleur 13 sont identiques, afin d'optimiser le fonctionnement de la machine 11 alimentée. Dans la description de l'invention, les déphasages respectifs entre les tensions (V1 V2 V3) fournies par l'onduleur 13 sont sensiblement identiques, mais une dissymétrie n'affecte pas le principe de l'invention, 10 au contraire elle le tolère très bien. De manière connue, les réalisations de l'état de l'art utilisent des tensions (V1 V2 V3) fournies par l'onduleur 13 d'amplitudes identiques, afin d'optimiser le fonctionnement de la machine 11 alimentée. Dans la 15 description de l'invention, les déphasages respectifs entre les tensions (V1 V2 V3) fournies par l'onduleur 13 sont sensiblement identiques, mais une dissymétrie n'affecte pas le principe de l'invention, au contraire elle le tolère très bien.

20 La description de l'invention s'étend à une machine électrique synchrone ou asynchrone, ayant un nombre de phases quelconque, supérieur ou égal à l'unité. Afin de clarifier la description, seul le cas triphasé est illustré, la transposition à un nombre quelconque de phase se faisant de façon évidente par l'homme de l'art.

25 De manière connue, la commande d'une machine synchrone 11, pour réaliser sa synchronisation spatio-temporelle entre la position spatiale mesurée theta et la position temporelle du vecteur des tensions (V1 V2 V3), utilise 3036898 5 soit dans un premier mode de réalisation une commande en tension, où les amplitudes des tensions (V1 V2 V3) sont ajustées en fonction de la vitesse et du couple de la machine alimentée 1 1, ledit cas correspond au mode dit en tension d'une machine synchrone ou au mode scalaire d'une machine asynchrone, soit dans un deuxième mode de réalisation une commande en courant, qui impose les ondes du vecteur des courants (11 12 13) alimentant la machine alternative 1 1, lequel cas correspond à la commande vectorielle d'une machine synchrone ou asynchrone.

10 Le premier mode de réalisation nécessite un asservissement des courants (11 12 13) alimentant la machine alternative 1 1, afin de contrôler le fonctionnement de la machine alternative alimentée 11. Le deuxième mode de réalisation de la commande nécessite un 15 asservissement de chacun des courants (11 12 13) alimentant la machine alternative 11, afin d'en contrôler précisément l'amplitude et la phase, lequel contrôle compense les défauts de la machine alimentée 1 1, notamment en dissymétrie et en non-linéarité. Ce deuxième mode de réalisation de la commande limite la fréquence maximale des 20 courants (11 12 13) alimentant la machine alternative 1 1, en raison du théorème de Shannon. Ce deuxième mode de réalisation de la commande est d'autre part sensible aux défauts de la machine alimentée 1 1, notamment à ses déséquilibres de réalisations, tels que résistances et/ou inductances de phases, et par ailleurs il impose une 25 mesure à fréquence d'échantillonnage élevé des courants (11 12 13). Par ailleurs, lorsqu'une modulation pleine onde est appliquée à une machine synchrone, la commande vectorielle ne peut pas être appliquée, car il est impossible d'imposer une forme sinusoïdale aux courants 30 (11 12 13) alimentant la machine alternative 1 1. Pourtant ladite modulalion 3036898 pleine onde permet d'augmenter la vitesse de rotation de la machine alternative 11, car le fondamental que délivre l'onduleur 13 est supérieur à celui que peut délivrer le mode de commande sinusoïdal par modulation de largeur d'impulsions. L'invention propose une solution astucieuse à ces diverses limitations, qui permet d'utiliser à la fois le premier mode de commande économique, dit en tension, et de simplifier la mesure du courant d'alimentation équivalent de la machine alternative 11, afin d'avoir les mêmes performances que le 10 deuxième mode de commande, dit vectoriel, tout en tolérant une machine dissymétrique et non-linéaire. L'invention se caractérise par la mise en oeuvre dans la commande 20 de la machine 11 des moyens suivants, tels que décrits à la figure 2: 15 une commande dite en tension 10 telle que décrite dans l'état de l'art antérieur, une mesure 21 du courant équivalent aux courants d'alimentation (11 12 13) de la machine alternative 11, noté lmes, laquelle mesure 21 se caractérise par la sommation en valeur instantanée 20 des valeurs absolues d'au moins un parmi lesdits courants (11 12 13), - un filtre passe bas 25 optionnel, une boucle d'asservissement dudit courant mesuré lmes mettant en oeuvre un comparateur 23 qui effectue la soustraction entre d'une 25 part la mesure du courant lmes, et d'autre part la consigne de courant Ire laquelle différence est amplifiée par un correcteur 24 situé en aval de la sortie dudit comparateur 23, lequel correcteur attaque en aval la consigne d'amplitude Vout de l'onduleur 13.

3036898 On reconnait le caractère astucieux de l'invention, laquelle fonctionne de la façon suivante. La commande en tension 10 fournit à la machine alternative 11 des tensions (V1 V2 V3) dont la position angulaire temporelle est calée sur la position spatiale thetatnies de l'axe dudit moteur Il, lequel moteur 11 transforme lesdites tensions (V1 V2 V3) en autant de courants (11 12 13), selon la nature et le point de fonctionnement de la machine alternative 11. Cette commande en tension opère en mode de boucle ouverte de tension, car les tensions sont imposées, et les courants libres sont la conséquence des tensions appliquées à la machine 10 alternative 11. De manière connue, dans la commande en tension 10 de l'état de l'art, seule la fréquence desdits courants (11 12 13) est imposée sensiblement égale à la fréquence de rotation de l'arbre de la machine alternative II, dans le rapport du nombre de paires de pôles.

15 II s'ensuit que dans la commande 10 de l'état de l'art, dite en tension, la forme, l'amplitude et la phase desdits courants (11 12 13) ne sont pas contrôlées, ce qui nuit à un fonctionnement sain du montage. La commande en courant 20 de l'invention rajoute à la commande en tension 10 de l'état de l'art une boucle de régulation de l'amplitude desdits courant 20 (11 12 13), laquelle commande en courant 20 est indépendante de la forme desdits courants (11 12 13), ce qui autorise d'une part l'emploi d'une modulation des tensions (V1 V2 V3) en mode pleine onde et d'autre part l'utilisation de moteurs 11 fortement non-linéaires.

25 La commande en courant 20 utilise une mesure du courant équivalent dans la machine alternative II alimenté, qui est caractérisée par la sommation instantanée des courants (11 12 13) alimentant la machine alternative II, laquelle sommation donne une image instantanée très peu bruitée du courant efficace équivalent dans la machine alternative 11, 30 lequel courant efficace est une image du couple de la machine alternative 3036898 8 11, ainsi que de la sollicitation thermique de l'onduleur 13. Dans un premier mode de réalisation, ladite sommation desdits courants (11 12 13) utilise un redresseur à diodes connecté en aval des capteurs de courant 22, et dans un deuxième mode de réalisation, la sommation desdits courants (11 12 13) est effectuée numériquement dans un contrôleur numérique, à partir des mesures de courant échantillonnées. Dans la description de l'invention, les modes de commande de l'onduleur de tension 13 peuvent utiliser l'une quelconque des « modulations » 10 décrites précédemment, et générer l'une quelconque des « formes de tension » décrites précédemment. Dans un mode de fonctionnement astucieux, le mode de modulation change en fonction de l'état de la machine alternative 11, par exemple 15 dans le premier cas d'une basse vitesse et/ou d'un faible couple moteur, la modulation est sinusoïdale à modulation de largeur d'impulsions, comme par exemple 40, et dans le deuxième cas d'une vitesse élevée et/ou d'un fort couple moteur, la modulation est de type pleine onde, comme par exemple illustré dans la réalisation 50.

20 Dans la description de l'invention, tous les modes de fonctionnement de la machine alternative 11 sont possibles dans les quatre quadrants, tels que moteur ou générateur, et/ou en marche avant ou arrière.

25 Dans la description de l'invention, le correcteur 24 comporte une ou plusieurs des caractéristiques prises dans la liste noh-exhaustive suivante : correction proportionnelle, correction dérivée, ou correction intégrale.

3036898 9 Dans la description de l'invention, la fréquence de découpage de l'onduleur 13 est quelconque, mais elle peut aussi varier entre les différents bras formant l'onduleur 13. Dans la description de l'invention, l'onduleur 13 peut utiliser toutes les formes de l'état de l'art, il peut 5 éventuellement comporter un bras additionnel relié au neutre de la machine alternative 11. Dans une réalisation particulière correspondant à un onduleur de courant, l'onduleur 13 impose un vecteur de courant (11 12 13) à la machine 10 alternative 11, avec comme caractéristique que l'entrée de commande Vout en tension de l'onduleur 13 est remplacée par une commande en courant. Dans un mode de réalisation particulier, la commande en courant 20 de 15 l'invention est intégrée dans une boucle de régulation de vitesse 30, laquelle boucle utilise une mesure 32 de la vitesse de la machine électrique notée Speedmes, qui est soustraite à la consigne de vitesse Speedref dans un comparateur 33, lequel est connecté en aval d'un correcteur 34, qui fournit l'entrée de consigne Iref de la commande en 20 courant 20. - La figure 1 présente une commande en tension 10 de l'état de l'art. La figure 2 présente la commande en courant 20 de l'invention. La figure 3 présente l'intégration de la commande en courant 20 de 25 l'invention dans une boucle de commande en vitesse. La figure 4 présente une modulation MLI de l'état de l'art. - La figure 5 présente une modulation pleine onde de l'état de l'art. Le procédé de commande de l'invention peut être associé à un procédé 30 de réduction du bruit de son codeur.

3036898 10 Tous les éléments qui ont été présentés dans cette invention peuvent être étendus à d'autres machines électriques tournantes ou statiques, comportant un nombre quelconque de phases électriques et de pôles 5 électromagnétiques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits, mais s'étend à toute modification et variante évidente pour un homme du métier, tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées.

Claims (3)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de commande en courant d'une machine alternative (11), caractérisé par la mise en oeuvre des moyens suivants : - en premier lieu, une commande en tension (10), - en deuxième lieu, une mesure (21) d'un courant équivalent aux courants d'alimentation de la machine alternative (11), laquelle mesure (21) se caractérise par une sommation en valeur instantanée des valeurs absolues d'au moins un parmi les courants alimentant la machine alternative (11), - en troisième lieu, un filtre passe bas (25) optionnel, en quatrième lieu, une boucle d'asservissement du courant mesuré laquelle boucle met en oeuvre un comparateur (23) qui effectue une différence entre la mesure (21) du courant et la consigne de courant, laquelle différence est amplifiée par un correcteur (24) situé en aval de la sortie du comparateur (23), lequel correcteur attaque en aval une consigne d'amplitude de l'onduleur (13).
2. 2. Procédé de commande en courant selon la revendication précédentes caractérisé par la mise en oeuvre des moyens suivants : en premier lieu, une commande en courant (20), en deuxième lieu, une boucle de régulation de vitesse (30), laquelle boucle utilise une mesure (32) de la vitesse de la machine électrique (Speedmes), qui est soustraite à une consigne de vitesse (Speedref) dans un comparateur (33), 3036898 12 lequel est connecté en aval d'un correcteur (34), qui fournit une entrée de consigne (fret) de la commande en courant (20).
3. 3. Procédé de commande en courant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par un changement du mode de modulation de l'onduleur (13), laquelle modulation est de type sinusoïdale à modulation de largeur d'impulsions lorsque la vitesse de la machine alternative (11) est faible et/ou son couple est réduit, et laquelle modulation est de type pleine onde dans les autres cas. 10