FR3049409A1 - METHOD FOR CONTROLLING THE OPERATION OF A SYNCHRONOUS DIRECT CURRENT SYNCHRONOUS MACHINE, CONTROL DEVICE, SYNCHRONOUS MACHINE, AND COMPRESSOR THEREFOR. - Google Patents
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- H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
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Abstract
Méthode pour contrôler la consommation de puissance d'une machine synchrone adapté pour un compresseur, tel qu'un compresseur adapté pour un système de climatisation automobile, et alimentée par un courant continu transformé par modulation par la largeur des impulsions au moyen de transistors bipolaires à grille isolée, ladite méthode comprenant les étapes suivantes : - appliquer une fréquence de commutation de 5 kHz, - optimiser le contrôle du compresseur en fonction de ladite fréquence de commutation de 5kHz.Method for controlling the power consumption of a synchronous machine adapted for a compressor, such as a compressor adapted for an automobile air conditioning system, and supplied by a direct current transformed by modulation by the width of the pulses by means of bipolar transistors with insulated gate, said method comprising the following steps: - applying a switching frequency of 5 kHz, - optimizing the control of the compressor as a function of said switching frequency of 5 kHz.
Description
PROCEDE POUR CONTROLER LE FONCTIONNEMENT D'UNE MACHINE SYNCHRONE ALIMENTEE EN COURANT CONTINU, DISPOSITIF DE CONTROLE, MACHINE SYNCHRONE, ET COMPRESSEUR ASSOCIESMETHOD FOR MONITORING THE OPERATION OF A SYNCHRONOUS DIRECT CURRENT SYNCHRONOUS MACHINE, CONTROL DEVICE, SYNCHRONOUS MACHINE, AND COMPRESSOR THEREFOR
Domaine techniqueTechnical area
La présente invention concerne le domaine des moteurs électriques synchrones sans balais, dits par abréviation « machines synchrones » dans la présente demande, alimentés par une source de courant continu et, plus spécifiquement, une méthode pour contrôler le fonctionnement d’une machine synchrone alimentée en courant continu, un dispositif de contrôle, une machine synchrone comprenant ledit dispositif de contrôle et un compresseur comprenant ladite machine synchrone réduisant les pertes par effet Joule.The present invention relates to the field of brushless synchronous electric motors, termed "synchronous machines" in the present application, fed by a DC power source and, more specifically, a method for controlling the operation of a synchronous machine supplied with power. direct current, a control device, a synchronous machine comprising said control device and a compressor comprising said synchronous machine reducing Joule losses.
Etat de la techniqueState of the art
De nos jours, il est connu d’utiliser des machines électriques synchrones au sein d’un grand nombre de dispositifs tels que des machines à laver (non cette techno n’est pas appliquée pour les machines à laver), des lecteurs de disques durs d’ordinateur, des dispositifs médicaux ou encore des compresseurs. De manière connue, une machine électrique synchrone comprend deux parties concentriques. Ainsi, la machine électrique synchrone comprend une première partie fixe telle qu’un stator. Le stator comprend plusieurs bobinages également nommés enroulements statoriques ou phases d’enroulement localisés sur la périphérie dudit stator. Lorsqu’une source d’énergie électrique alimente successivement les phases d’enroulement du stator, un champ magnétique tournant est généré. La machine électrique synchrone comprend une deuxième partie fixe, telle qu’un rotor, apte à entrer en rotation. Le rotor comprend soit plusieurs enroulements rotoriques, soit des aimants permanents pour produire un champ magnétique. Le stator et le rotor sont séparés par un entrefer. En présence du champ magnétique tournant généré par le stator et du champ magnétique du rotor, le rotor est entraîné en rotation.Nowadays, it is known to use synchronous electrical machines within a large number of devices such as washing machines (not this techno is not applied to washing machines), hard disk drives computers, medical devices or compressors. In known manner, a synchronous electric machine comprises two concentric parts. Thus, the synchronous electric machine comprises a first fixed part such as a stator. The stator comprises several windings also called stator windings or winding phases located on the periphery of said stator. When a source of electrical energy successively feeds the winding phases of the stator, a rotating magnetic field is generated. The synchronous electric machine comprises a second fixed part, such as a rotor, capable of rotating. The rotor comprises either a plurality of rotor windings or permanent magnets for producing a magnetic field. The stator and the rotor are separated by a gap. In the presence of the rotating magnetic field generated by the stator and the magnetic field of the rotor, the rotor is rotated.
Dans une machine synchrone alimentée par une source de courant continu, comme par exemple un compresseur embarqué à bord d’un véhicule automobile, on transforme d’abord le courant continu, issu de la batterie du véhicule automobile dans l’exemple, en courant alternatif triphasé.In a synchronous machine powered by a direct current source, such as for example a compressor on board a motor vehicle, the direct current, derived from the battery of the motor vehicle in the example, is first converted into alternating current. phase.
Pour ce faire, on utilise classiquement un onduleur constitué de transistors pour hacher le courant. Hacher le courant signifie l’interrompre et le rallumer indéfiniment. Les laps de temps où le courant passe sont appelés impulsions. Lorsque la durée des impulsions est réglable, la méthode de hachage est nommée méthode de modulation par la largeur des impulsions MLI [en anglais, puise width modulation, P WM).To do this, an inverter consisting of transistors is conventionally used to chop the current. Chopping the current means interrupting and relighting it indefinitely. The times of current flow are called pulses. When the duration of the pulses is adjustable, the hashing method is called PWM pulse width modulation method (P WM).
Un convertisseur qui fonctionne au moyen d’un signal PWM et qui transforme des grandeurs continues en grandeurs alternatives est plus couramment appelé un onduleur. La largeur des impulsions détermine la tension de contrôle : plus l’impulsion est large plus la tension est élevée. La tension de contrôle peut être sinusoïdale.A converter that operates using a PWM signal and converts continuous quantities into alternating quantities is more commonly referred to as an inverter. The width of the pulses determines the control voltage: the larger the pulse, the higher the voltage. The control voltage can be sinusoidal.
Il est classique de générer le signal PWM au moyen de transistors bipolaires à grille isolée [en anglais, insulated gâte bipolar transistor, IGBT), avec une fréquence de commutation, c'est-à-dire la fréquence où reviennent les impulsions. Cette fréquence est de l’ordre de 10 kHz dans ce type d’application.It is conventional to generate the PWM signal by means of insulated gate bipolar transistors (IGBTs), with a switching frequency, that is to say the frequency where the pulses return. This frequency is of the order of 10 kHz in this type of application.
Cependant, les onduleurs qui fonctionnent à cette fréquence de 10 kHz sont à l’origine de dissipation thermique par conduction et par commutation. En particulier lorsque ces onduleurs sont utilisés dans des systèmes de climatisation pour automobiles, la chaleur dissipée par effet Joule contrarie le travail du compresseur et altère son rendement.However, inverters operating at this 10 kHz frequency are responsible for conductive and switching heat dissipation. Especially when these inverters are used in automotive air conditioning systems, the heat dissipated by Joule effect thwarts the work of the compressor and alters its performance.
Quand la fréquence de commutation ou de hachage est de 5 kHz, les pertes dues aux commutations sont moins importantes qu'à 10 kHz. Dans l’art antérieur, cette stratégie a été appliquée jusqu'à présent quand la température du module de puissance atteint un seuil critique et quand la vitesse du compresseur est faible.When the switching or chopping frequency is 5 kHz, switching losses are less than 10 kHz. In the prior art, this strategy has been applied until now when the temperature of the power module reaches a critical threshold and when the speed of the compressor is low.
Objet de l'inventionObject of the invention
Selon un premier aspect de l’invention, l’invention concerne une méthode pour contrôler la consommation de puissance d'une machine synchrone adapté pour un compresseur, tel qu’un compresseur adapté pour un système de climatisation automobile, et alimentée par un courant continu transformé par modulation par la largeur des impulsions au moyen de transistors bipolaires à grille isolée, ladite méthode comprenant les étapes suivantes : appliquer une fréquence de commutation de 5 kHz, optimiser le contrôle du compresseur en fonction de ladite fréquence de commutation de 5kHz.According to a first aspect of the invention, the invention relates to a method for controlling the power consumption of a synchronous machine adapted for a compressor, such as a compressor adapted for an automotive air conditioning system, and powered by a direct current. pulse width modulated by means of insulated gate bipolar transistors, said method comprising the steps of: applying a switching frequency of 5 kHz, optimizing compressor control according to said switching frequency of 5 kHz.
De manière préférée, l’étape d’optimiser le contrôle du compresseur comprend le contrôle de la vitesse de rotation de la machine synchrone.Preferably, the step of optimizing the control of the compressor comprises controlling the speed of rotation of the synchronous machine.
De manière préférée, l’étape d’optimiser le contrôle du compresseur comprend le contrôle de la vitesse de rotation de la machine synchrone entre 0 et 4000 tours par minute, de préférence entre 0 et 3000 tours par minute.Preferably, the step of optimizing the control of the compressor comprises controlling the speed of rotation of the synchronous machine between 0 and 4000 revolutions per minute, preferably between 0 and 3000 revolutions per minute.
Selon un deuxième aspect de l’invention, l’invention concerne un dispositif de contrôle adapté pour contrôler la consommation de puissance d'une machine synchrone adapté pour un compresseur, tel qu’un compresseur adapté pour un système de climatisation automobile, et alimentée par un courant continu transformé par modulation par la largeur des impulsions au moyen de transistors bipolaires à grille isolée, et adapté pour appliquer une fréquence de commutation de 5 kHz et pour optimiser le contrôle du compresseur en fonction de ladite fréquence de commutation de 5kHz.According to a second aspect of the invention, the invention relates to a control device adapted to control the power consumption of a synchronous machine adapted for a compressor, such as a compressor adapted for a car air-conditioning system, and powered by a pulsed modulation modulated DC current by means of insulated gate bipolar transistors, adapted to apply a switching frequency of 5 kHz and to optimize compressor control as a function of said 5 kHz switching frequency.
Selon un troisième aspect de l’invention, l’invention concerne une machine synchrone comprenant un dispositif de contrôle mentionnée ci-dessus.According to a third aspect of the invention, the invention relates to a synchronous machine comprising a control device mentioned above.
Selon un quatrième aspect de l’invention, l’invention concerne un compresseur adapté pour un système de climatisation automobile comprenant une machine synchrone mentionnée ci-dessus.According to a fourth aspect of the invention, the invention relates to a compressor adapted for an automotive air conditioning system comprising a synchronous machine mentioned above.
Brève description des dessins L’invention, sa fonctionnalité, ses applications ainsi que ses avantages seront mieux appréhendés à la lecture de la présente description, faite en référence aux figures, dans lesquelles : les figures la, lb, le et ld montrent le principe de fonctionnement d’un onduleur selon l'art antérieur : la figure la montre l’instant où les impulsions sont déclenchées et la sinusoïde qui traverse les impulsions indique la durée de ce s impulsions, la figure lb montre le résultat c’est-à-dire le signal « PWM», la figure le montre la tension de la source de courant continu, la figure ld montre le courant sinusoïdal obtenu en hachant la tension continue de la batterie au moyen du signal de la figure lb ; les trois phases sont obtenues en déphasant le hachage convenablement ; les figures 2a et 2b montrent l’obtention d ‘une tension moyenne plus ou moins élevée sur un intervalle de temps de trois impulsions ; les figures 3a et 3b montrent les performances obtenues avec un procédé selon la présente invention en ce qui concerne la température des composants de puissance : la figure 3a montre la commutation de la fréquence des IGBT de 5 à 10 kHz et réciproquement, et la figure 2b montre la variation de température des composants de puissance lors de cette commutation ; la figure 4 montre l’économie d’énergie que permet le procédé selon la présente invention lorsqu’il est appliqué à la machine synchrone qui pilote le compresseur du système de climatisation d’un véhicule automobile.Brief description of the drawings The invention, its functionality, its applications as well as its advantages will be better understood on reading the present description, with reference to the figures, in which: FIGS. 1a, 1b, 1c and 1d show the principle of operation of an inverter according to the prior art: Figure la shows the moment when the pulses are triggered and the sinusoid which passes through the pulses indicates the duration of these pulses, Figure lb shows the result that is to say say the signal "PWM", the figure shows the voltage of the DC power source, Figure ld shows the sinusoidal current obtained by chopping the DC voltage of the battery by means of the signal of Figure lb; the three phases are obtained by phase shifting the hash properly; Figures 2a and 2b show the obtaining of a more or less high average voltage over a time interval of three pulses; FIGS. 3a and 3b show the performances obtained with a method according to the present invention as regards the temperature of the power components: FIG. 3a shows the switching of the frequency of the IGBTs from 5 to 10 kHz and vice versa, and FIG. shows the temperature variation of the power components during this switching; FIG. 4 shows the energy saving that the method according to the present invention allows when it is applied to the synchronous machine which controls the compressor of the air conditioning system of a motor vehicle.
Description détaillée des modes de réalisationDetailed Description of the Embodiments
La description ci-après a pour but d’exposer l’invention de manière suffisamment claire et complète, notamment à l’aide d’exemples, mais ne doit pas être considérée comme limitant l’étendue de la protection aux modes de réalisation particuliers et aux exemples présentés ci-après. L’invention concerne une machine synchrone (non montrée) pourvue d’un rotor et d’enroulements statoriques et alimentée en courant continu. Le courant d’excitation dans les enroulements est un courant triphasé. Il s’agit donc de transformer le courant continu en courant triphasé à l’aide d’un onduleur en limitant les pertes par commutation.The purpose of the following description is to set forth the invention in a sufficiently clear and complete manner, particularly by way of examples, but should not be construed as limiting the scope of protection to particular embodiments and to the examples presented below. The invention relates to a synchronous machine (not shown) provided with a rotor and stator windings and supplied with direct current. The excitation current in the windings is a three-phase current. It is therefore a question of transforming the direct current into three-phase current by means of an inverter by limiting the losses by switching.
Les figures la, lb, le, ld, 2a et 2b montrent le principe de fonctionnement d’un onduleur en général. L'onduleur reçoit en entrée la tension Vb d’une source de courant continue telle que la batterie, comme illustré par la figure le.Figures la, lb, le, ld, 2a and 2b show the operating principle of an inverter in general. The inverter receives as input the voltage Vb from a DC power source such as the battery, as shown in FIG.
La figure la présente une première tension de contrôle sous la forme d’une succession de triangles. Chaque triangle est formé d'une pente qui amène la tension de 0 à son maximum, suivie d'un segment vertical qui correspond à la chute brutale de la tension à 0. S'il y a 10 000 triangles par seconde dans la première tension de contrôle, on dira que la fréquence de l’onduleur (ou fréquence de commutation ou fréquence de hachage) est de 10 kHz.FIG. 1a presents a first control voltage in the form of a succession of triangles. Each triangle is formed by a slope that brings the voltage from 0 to its maximum, followed by a vertical segment that corresponds to the sudden drop of the voltage to 0. If there are 10,000 triangles per second in the first voltage control, we will say that the frequency of the inverter (or switching frequency or hash frequency) is 10 kHz.
La figure la présente une deuxième tension de contrôle sous la forme d'une tension variable et précisément sinusoïdale ; sur la figure 2a, cette tension se présente comme un pallier bas suivi d’un pallier haut. La valeur de la deuxième tension de contrôle à un moment donné détermine la durée de l’impulsion déclenchée à ce moment-là ou, de manière géométrique, sa largeur.Figure la shows a second control voltage in the form of a variable voltage and precisely sinusoidal; in Figure 2a, this voltage is a low step followed by a high step. The value of the second control voltage at a given moment determines the duration of the pulse triggered at that time or, geometrically, its width.
Lorsque la première tension de contrôle est à son maximum, le courant passe. Il passe pour une durée déterminée par la valeur de la deuxième tension de contrôle à ce moment-là mais en tout état de cause inférieure à la période de la première tension de contrôle.When the first control voltage is at its maximum, the current flows. It passes for a duration determined by the value of the second control voltage at that time but in any case less than the period of the first control voltage.
La figure lb représente la tension Vb ainsi « hachée » ou modulée par la largeur des impulsions (modulation de type PWM). L’onduleur construit une tension dont la valeur instantanée est la valeur moyenne de la tension hachée sur un intervalle de temps donné. Si la deuxième tension de contrôle est sinusoïdale, on obtient ainsi une tension sinusoïdale. En déphasant la deuxième tension de contrôle, on obtient une tension de sortie déphasée d’autant. On peut ainsi construire un signal triphasé comme illustré à la figure ld.FIG. 1b represents the voltage Vb thus "minced" or modulated by the width of the pulses (PWM type modulation). The inverter builds a voltage whose instantaneous value is the average value of the chopped voltage over a given time interval. If the second control voltage is sinusoidal, a sinusoidal voltage is obtained. By phase-shifting the second control voltage, an output voltage that is out of phase by the same amount is obtained. It is thus possible to construct a three-phase signal as illustrated in FIG.
On réalise classiquement l’onduleur à base de transistors de type transistors bipolaires à grille isolée (en anglais insulated gâte bipolar transistor, IGBT], les plus aptes dans l'art antérieur à fonctionner à des fréquences de l’ordre de 10 kHz.The inverter is conventionally made of insulated gate bipolar transistor (IGBT) transistors, the most suitable in the prior art for operating at frequencies of the order of 10 kHz.
La réduction de la fréquence de commutation à 5 kHz permet de réduire les pertes relatives à cette commutation de l’ordre de 50%. L’application d'une fréquence de commutation de 5kHz permet de contrôler le compresseur entre 0 et 4000 tours par minute (rpm). L'effet de cette application tel que montré sur les figures 3a et 3b est que la température de l’onduleur est au moins de 5°C inférieure à la température observée avec une fréquence de commutation de 10 kHz. De plus, le contrôle du compresseur à une fréquence de commutation de 5 kHz ne produit pas de nuisances sonores additionnelles.Reducing the switching frequency to 5 kHz makes it possible to reduce the losses relating to this switching by around 50%. The application of a switching frequency of 5 kHz makes it possible to control the compressor between 0 and 4000 revolutions per minute (rpm). The effect of this application as shown in Figures 3a and 3b is that the temperature of the inverter is at least 5 ° C lower than the observed temperature with a switching frequency of 10 kHz. In addition, control of the compressor at a switching frequency of 5 kHz does not produce additional noise.
Selon le premier aspect de l’invention, on applique la PWM sinusoïdale à la fréquence de commutation de 5 kHz pour toute température et une vitesse du rotor allant jusqu’à 3000 rpm. L’invention peut être utilisée dans une machine synchrone alimentée en courant continu pour transformer ce courant en courant d'excitation triphasé. Une telle machine synchrone peut avantageusement être montée dans le compresseur d'un système de climatisation pour les véhicules automobiles. La machine synchrone engendre alors moins de nuisances sonores que les machines conformes à l’état de l’art et subira moins de pertes par commutation ce qui contribue à améliorer la performance du compresseur. La réduction de la consommation de puissance du compresseur est illustrée par la figure 4.According to the first aspect of the invention, the sinusoidal PWM is applied at the switching frequency of 5 kHz for any temperature and a rotor speed of up to 3000 rpm. The invention can be used in a synchronous machine supplied with direct current to transform this current into a three-phase excitation current. Such a synchronous machine can advantageously be mounted in the compressor of an air conditioning system for motor vehicles. The synchronous machine then generates less noise than state-of-the-art machines and will suffer fewer switching losses which contributes to improving the performance of the compressor. The reduction in compressor power consumption is illustrated in Figure 4.
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- 2016-03-24 FR FR1652523A patent/FR3049409B1/en active Active
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