FR3082948A1 - Procede de detection d'usure et/ou de dysfonctionnement de balais d'une machine electrique tournante - Google Patents
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Abstract
L'invention porte principalement sur un procédé de détection d'usure et/ou de dysfonctionnement de balais (90) d'une machine électrique tournante (1) comportant un circuit d'excitation (10), un stator (11) et un rotor (5), ledit circuit d'excitation (10) alimentant en courant d'excitation, à travers des balais (90) et un collecteur (9), une bobine d'excitation (8) dudit rotor (5), caractérisé en ce que ledit procédé comprend : - une étape de détermination de rapports cycliques maximums admissibles en fonction de variations de paramètres électriques qui dépendent de conditions de fonctionnement de la machine électrique tournante (1), - une étape de calcul d'un rapport cyclique moyen, - une étape de comparaison du rapport cyclique moyen avec un rapport cyclique maximal admissible sélectionné en fonction d'un point de fonctionnement de la machine électrique tournante, - une étape de génération d'un signal de défaut lorsque le rapport cyclique moyen devient supérieur au rapport cyclique maximal admissible.
Description
PROCÉDÉ DE DÉTECTION D'USURE ET/OU DE DYSFONCTIONNEMENT DE BALAIS D'UNE MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE
La présente invention porte sur un procédé de détection d'usure et/ou de dysfonctionnement de balais d'une machine électrique tournante. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les alternateurs, les alterno-démarreurs, les machines réversibles et les moteurs électriques équipant les véhicules automobiles.
Des considérations d'économie d'énergie et de réduction de la pollution, surtout en milieu urbain, conduisent les constructeurs de véhicules automobiles à équiper leurs modèles d'une fonctionnalité d'arrêt/relance automatique du moteur thermique, connue sous les termes anglais de Stop and Go ou Stop/Start.
Un système connu pour implémenter cette fonctionnalité d'arrêt/relance automatique du moteur thermique est un système à alterno-démarreur monté en lieu et place de l'alternateur classique et faisant appel à une machine électrique tournante réversible de type synchrone à rotor bobiné. Dans un tel système à alterno-démarreur, la machine est couplée mécaniquement par courroie au moteur thermique.
Dans un système à alterno-démarreur, la machine électrique tournante peut fonctionner en mode moteur électrique lors des phases de démarrage du moteur thermique ou en mode alternateur pour alimenter le réseau électrique du véhicule.
En mode moteur électrique, la machine doit délivrer un couple mécanique conséquent pour entraîner en rotation le moteur thermique et démarrer celuici. Le courant d'excitation alimentant la bobine d'excitation du rotor de la machine est sensiblement plus élevé qu'en mode alternateur et il en découle une usure plus rapide des balais.
Lorsque les balais sont en fin de vie, la résistance ohmique de contact entre les balais et les bagues de collecteur du rotor augmente sensiblement. Cette augmentation de la résistance ohmique de contact entraîne un échauffement supplémentaire qui peut se traduire par une détérioration de la machine au niveau du collecteur.
Le document WO2011/161348 enseigne la réalisation d'une fonction de détection d'usure des balais par comparaison entre un rapport cyclique moyen et un rapport cyclique maximum prédéterminé. Toutefois, un tel procédé ne permet pas d'assurer une protection de la machine contre les surchauffes qui ne sont pas dues à une perte complète de contact entre les balais et le collecteur du rotor.
En effet, lorsque la résistance entre le collecteur et les balais augmentent en raison de la présence de poussières entre les balais et le collecteur, ou d'un mauvais contact lié à un problème de ressort de balais ou à un blocage d'un balai, la chute de tension au niveau de la liaison balais/collecteur augmente, ce qui engendre une augmentation du rapport cyclique afin de maintenir le courant d'excitation au niveau souhaité. Toutefois, cette augmentation du rapport cyclique peut ne pas être suffisante pour dépasser le seuil prédéterminé.
En outre, le procédé décrit dans le document W02001/161348 prévoit une désactivation de la machine électrique en cas de dépassement du seuil prédéterminé, alors qu'une telle stratégie n'est pas adaptée en cas de dysfonctionnement momentané de la machine électrique dû par exemple à la présence de poussières sur le collecteur.
L'invention vise à remédier efficacement à au moins un des inconvénients précités en proposant un procédé de détection d'usure et/ou de dysfonctionnement de balais d'une machine électrique tournante comportant un circuit d'excitation, un stator et un rotor, ledit circuit d'excitation alimentant en courant d'excitation, à travers des balais et un collecteur, une bobine d'excitation dudit rotor, caractérisé en ce que ledit procédé comprend :
- une étape de détermination de rapports cycliques maximums admissibles en fonction de variations de paramètres électriques qui dépendent de conditions de fonctionnement de la machine électrique tournante,
- une étape de calcul d'un rapport cyclique moyen,
- une étape de comparaison du rapport cyclique moyen avec un rapport cyclique maximal admissible sélectionné en fonction d'un point de fonctionnement de la machine électrique tournante, et
- une étape de génération d'un signal de défaut lorsque le rapport cyclique moyen devient supérieur au rapport cyclique maximal admissible.
L'invention permet ainsi, grâce à la détermination de rapports cycliques maximums qui dépendent des conditions de fonctionnement de la machine électrique, de pouvoir détecter une usure des balais ainsi qu'un dysfonctionnement lié à un mauvais contact entre les balais et le collecteur. En outre, du fait de la détection plus précise de l'augmentation de résistance entre les balais et le collecteur, l'invention est également réactive et limite donc au maximum la durée de la surchauffe afin de préserver le bon fonctionnement de la machine électrique tournante.
Selon une mise en œuvre, les rapports cycliques maximums admissibles intègrent une marge de compensation.
Selon une mise en œuvre, les paramètres électriques qui dépendent de conditions de fonctionnement de la machine électrique tournante sont les suivants : une tension de sortie de la machine électrique tournante et/ou une résistance de la bobine d'excitation et/ou une chute de tension entre les balais et le collecteur.
Selon une mise en œuvre, la variation de la tension de sortie dépend d'une consigne émise par un calculateur moteur et/ou une charge électrique sur un réseau de bord.
Selon une mise en œuvre, une variation de la résistance de la bobine d'excitation dépend d'une tolérance initiale et d'une température du rotor.
Selon une mise en œuvre, une variation de la chute de tension entre les balais et le collecteur dépend d'une température du rotor, d'une vitesse de rotation de la machine électrique, d'un courant d'excitation et d'une durée d'excitation.
Selon une mise en œuvre, un calcul des rapports cycliques maximums admissibles est basé sur la relation suivante :
lexc=(UB+*DC%)/(Rexc+2Rbc)
- lexc étant le courant d'excitation parcourant la bobine d'excitation,
- UB+ étant une tension de sortie de la machine électrique,
- DC étant un rapport cyclique appliqué à la bobine d'excitation,
- Rexc étant une résistance de la bobine d'excitation et
- Rbc étant une résistance ohmique de contact entre un balai et une bague du collecteur.
Selon une mise en œuvre, le point de fonctionnement dépend d'un courant d'excitation et/ou d'une vitesse de rotation de la machine électrique tournante.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte une première étape de filtrage, notamment un filtrage de type passe bas, du rapport cyclique pour obtenir le rapport cyclique moyen.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte une deuxième étape de filtrage pour confirmer une valeur du rapport cyclique moyen sur une durée suffisante mais non excessive pour éviter une surchauffe de la machine électrique tournante.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte une étape de dégradation des performances de la machine électrique tournante lorsque le rapport cyclique moyen calculé devient supérieur au rapport cyclique maximal admissible.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte l'étape de limiter le rapport cyclique en fonction d'une vitesse de rotation de la machine électrique tournante.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte une étape de réhabilitation de performances de la machine électrique tournante lorsque le rapport cyclique moyen redevient inférieur au rapport cyclique maximal admissible.
Selon une mise en œuvre, l’invention concerne également un module logiciel destiné à mettre en œuvre un procédé de détection d'usure et/ou de dysfonctionnement de balais d'une machine électrique tournante, le module logiciel comportant :
- un moyen de détermination de rapports cycliques maximums admissibles en fonction de variations de paramètres électriques qui dépendent de conditions de fonctionnement de la machine électrique tournante,
- un moyen de calcul d'un rapport cyclique moyen,
- un moyen de comparaison du rapport cyclique moyen avec un rapport cyclique maximal admissible sélectionné en fonction d'un point de fonctionnement de la machine électrique tournante, et
- un moyen de génération d'un signal de défaut lorsque le rapport cyclique moyen devient supérieur au rapport cyclique maximal admissible.
Selon une mise en œuvre, l’invention concerne également une machine électrique tournante comportant le module logiciel tel que précédemment défini, un circuit d'excitation, un stator et un rotor, ledit circuit d'excitation alimentant en courant d'excitation, à travers des balais et un collecteur, une bobine d'excitation dudit rotor.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
- La figure 1 est une représentation schématique d'une machine électrique tournante couplée à un moteur thermique de véhicule dans lequel est mis en œuvre le procédé de l'invention de détection d'usure et/ou de dysfonctionnement des balais;
- La figure 2 est un schéma électrique au niveau de la connexion entre les balais et le collecteur du rotor;
- La figure 3 est une représentation graphique du rapport cyclique maximum observable en condition de fonctionnement normal et du rapport cyclique maximum admissible en fonction du courant d'excitation;
- La figure 4 représente un diagramme des étapes du procédé selon l'invention de détection d'usure et/ou de dysfonctionnement des balais.
La figure 1 montre une machine électrique tournante 1 couplé à un moteur thermique 2 dans un véhicule automobile. Cette machine 1 comprend une partie machine 3 couplée mécaniquement au moteur 2 au moyen d'une transmission 4 par courroie et poulies.
La partie machine 3 comporte un rotor 5 solidaire d'une poulie de sortie 6 montée en bout d'arbre 7. Le rotor 5 présente un inducteur 8 alimenté au moyen d'un collecteur tournant 9 par un circuit d'excitation 10. Des balais 90 sont en appui sur des bagues conductrices du collecteur tournant 9 et autorisent la fourniture par le circuit 10 d'un courant d'excitation à l'intention de l'inducteur 8. Le courant d'excitation alimentant l'inducteur 8 est un courant de type PWM (pour Pulse Width Modulation en anglais), c'est-àdire, un courant à modulation de largeur d'impulsion. L'inducteur 8 prend avantageusement la forme d'une bobine d'excitation.
La partie machine 3 comprend également un stator 11 muni d'enroulements de phases 11', ou induit, alimentés par un convertisseur AC/DC réversible
12. Un circuit de commande 13 pilote les circuits de puissance 14 de la machine 1, constitués par le convertisseur AC/DC réversible 12 et le circuit d'excitation 10, en fonction des informations fournies par un capteur de la position 15 du rotor 5 et de signaux de contrôle fournis, à travers une liaison 16, par un calculateur moteur (ECU) 17 du véhicule.
Le calculateur moteur 17 reçoit des paramètres de fonctionnement du moteur 2, et d'autres informations de contexte par un bus de communication de données 19 embarqué, par exemple de de type LIN ou CAN.
Le convertisseur AC/DC réversible 12 est typiquement formé d'un pont à transistors de type MOSFET qui, lorsque la machine 1 fonctionne en mode moteur, génère des impulsions de courant alimentant les enroulements de phases 11' de la machine, impulsions dont la fréquence et la largeur sont contrôlées par le circuit de commande 13. Le convertisseur AC/DC réversible 12 fonctionne en redresseur synchrone quand la machine 1 fonctionne en mode alternateur.
Le circuit de commande 13 comporte un module logiciel 130 destiné à détecter une usure et/ou un dysfonctionnement des balais 90. Le circuit d'excitation 10 régule la tension de sortie UB+ de la machine électrique de manière à stabiliser celle-ci à une valeur égale à une tension de consigne. La tension de consigne est ici fournie par le calculateur moteur 17 au circuit d'excitation 10, par l'intermédiaire de la liaison de communication 16 et du circuit de commande 13. En retour, un rapport cyclique DC appliqué au courant d'excitation de type PWM est transmis au calculateur moteur 17 pour information de l'état de charge effectif de la machine en mode alternateur.
Le module logiciel de détection d'usure balais 130 détecte la fin de vie et/ou un dysfonctionnement des balais 90 à partir d'un traitement effectué sur le rapport cyclique DC.
A cet effet, on détermine préalablement, pour différents points de fonctionnement de la machine 1, des rapports cycliques maximums admissibles DCmax_adm en fonction de variations de paramètres électriques qui dépendent de conditions de fonctionnement de la partie machine 3. Ces paramètres électriques sont la tension de sortie UB+ de la partie machine 3, une résistance Rexc de la bobine d'excitation 8, et une chute de tension Allexc entre les balais 90 et le collecteur 9. Les points de fonctionnement sont déterminés en fonction de valeurs de courant d'excitation et de vitesses de rotation de la partie machine 3.
Plus précisément, comme cela est visible sur la figure 2, la zone de connexion entre les balais 90 et le collecteur 9 du rotor peut être modélisée par les deux résistances ohmiques de contact Rbc entre les balais 90 et le collecteur 9 en série avec la résistance de la bobine d'excitation Rexc.
Les variations du rapport cyclique sont basées sur la relation suivante : lexc=(UB+*DC%)/(Rexc+2Rbc)
- lexc étant le courant d'excitation parcourant la bobine d'excitation 8,
- UB+ étant la tension de sortie de la partie machine 3,
- DC étant le rapport cyclique appliqué à la bobine d'excitation 8,
- Rexc étant la résistance de la bobine d'excitation 8, et
- Rbc étant une résistance ohmique de contact entre un balai 90 et une bague du collecteur 9.
On fournit ci-après un exemple de variation de paramètres pris en compte pour déterminer les rapports cycliques maximums admissibles DC_max_adm.
La variation de la tension UB+ de sortie de la partie machine 3 dépend d'une consigne émise par le calculateur moteur 17 et/ou une charge électrique sur le réseau de bord. La tension UB+ est par exemple comprise entre 11V et 16V, soit 11V<UB+<16V.
La variation de la résistance Rexc de la bobine d'excitation 8 dépend d'une tolérance initiale et d'une température du rotor 5. La résistance Rexc de la bobine d'excitation est par exemple comprise entre une valeur minimale Rexc_min égale à la valeur de la résistance d'excitation Rexc à 20°C moins 20% de cette valeur et un valeur maximale Rexc_max égale à la valeur de la résistance d'excitation Rexc à 20°C plus 50% de cette valeur, soit Rexc_min= Rexc20°C -20% < Rexc < Rexc_max = Rexc20°C +50%.
La variation de la chute de tension Uexc entre les balais 90 et le collecteur 9 dépend de la température du rotor 5, de la vitesse de rotation Wmel, du courant d'excitation lexc, et d'une durée d'utilisation. Cette variation de la chute de tension Uexc est comprise par exemple entre 0V et 2V, soit 0V<Uexc<2V.
Dans des conditions normales de fonctionnement, le rapport cyclique DC est compris entre une valeur minimale DCmin égale au rapport cyclique typique DCtyp moins 20% de cette valeur et le rapport cyclique typique DCtyp plus 50% de cette valeur, soit DCmin=DCtyp-20% <DC<DCmax=DCtyp +50%.
On obtient ainsi, pour différentes valeurs de courant d'excitation lexc et différentes vitesses de rotation Wmel de la machine, des valeurs de rapport cyclique maximum DCmax représentées par la courbe C1 visible sur la figure
3. Afin de pouvoir détecter la variation de la résistance de contact entre les balais 90 et le collecteur 9 en cas d'usure ou de dysfonctionnement des balais 90 lié notamment à la présence de poussière ou à d'autres défauts, les rapports cycliques maximums admissibles intègrent une marge de compensation M.
Cette marge M est par exemple comprise entre 15 et 25% et vaut de préférence 20%. On obtient alors la courbe de détection C2 correspondant à des rapports cycliques maximums admissibles DC_max_adm décalée vers le haut par rapport à la courbe C1 par l’ajout de la marge M aux rapports cycliques maximums DC_max en conditions normales de fonctionnement.
Les valeurs de rapports maximum admissibles DC_max_adm pourront être intégrées dans une cartographie C stockée dans le module 130 (cf. figure 1). Alternativement, les valeurs des rapports cycliques maximums admissibles DC_max_adm sont obtenues par la mise en œuvre d'un algorithme.
Lors de la mise en œuvre du procédé selon l'invention illustrée par la figure 4, le module 130 calcule, dans une étape 101, un rapport cyclique moyen DC_moy. Pour cela, le module 130 réalise par exemple un premier filtrage, notamment un filtrage de type passe bas, du rapport cyclique DC réel appliqué à la partie machine 3 pour obtenir le rapport cyclique moyen DC_moy. Le module 130 pourra réaliser un deuxième filtrage pour confirmer la valeur du rapport cyclique moyen DC_moy sur une durée suffisante mais non excessive pour éviter une surchauffe de la partie machine 3, par exemple une durée comprise entre 15 et 30 secondes.
Dans une étape 102, le module 130 détermine le rapport cyclique maximal admissible DC_max_adm en fonction du courant d'excitation lexc et/ou de la vitesse de rotation Wmel de la partie machine 3. Cette détermination se fait par exemple par extraction de la cartographie C.
Le module 130 compare, dans une étape 103, le rapport cyclique moyen DC_moy avec le rapport cyclique maximal admissible DC_max_adm extrait. Cette valeur DC_max_adm correspond à une valeur de la courbe C2.
Dans le cas où le rapport cyclique moyen DC_moy est inférieur au rapport maximal admissible DC_max_adm, c’est-à-dire qu'il se trouve dans la zone Z_fonct située sous la courbe C2 (cf. figure 3), le balai 90 est considéré comme étant dans un état fonctionnel. Un signal S_fonct correspondant est alors délivré par le module 130 dans une étape 104 vers le circuit de commande 13 et/ou le calculateur moteur 17.
Lorsque le rapport cyclique moyen DC_moy devient supérieur au rapport cyclique maximal admissible DC_max_adm, c’est-à-dire qu'il se trouve dans la zone Z_def située au-dessus de la courbe C2 (cf. figure 3), le balai 90 est considéré comme étant dans un état non fonctionnel. Un signal de défaut S_def est alors généré par le module 130 dans une étape 105 vers le circuit de commande 13 et/ou le calculateur moteur 17.
Le module 130 ou le calculateur moteur 17 auquel l'information aura été communiquée à travers la liaison de communication 16 pourra alors dégrader les performances de la partie machine 3. Suivant ce mode de fonctionnement dégradé M_deg, le rapport cyclique DC est limité en fonction de la vitesse de rotation Wmel de la partie machine 3.
Le tableau ci-dessous indique un exemple de limitation du rapport cyclique DC_lim appliqué en fonction d'une vitesse de rotation de la machine électrique 1 :
| Wmel (tr/min) | DCJim (%) |
| 1500 | 40 |
| 2000 | 33 |
| 3000 | 23 |
| 4000 | 23 |
| 6000 | 23 |
| 25000 | 23 |
Le module 130 pourra réhabiliter les performances de la partie machine 3, c’est-à-dire cesser d'appliquer les limitations au rapport cyclique, lorsque le rapport cyclique moyen DC_moy calculé redevient inférieur ou égal au rapport cyclique maximal admissible DC_max_adm (cf. étape 106). Afin d'éviter une entrée et une sortie intempestive dans le mode de fonctionnement dégradé M_deg, on applique une temporisation avant l'entrée dans le mode de fonctionnement dégradé. Une porte OU 107 gère les signaux issus générés à l'issue des étapes 104 et 106.
Les informations des signaux S_fonc et S_def pourront être stockées dans une mémoire non-volatile du circuit de commande 13 pour d'éventuelles opérations de service après-vente.
Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.
En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de 5 réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Procédé de détection d'usure et/ou de dysfonctionnement de balais (90) d'une machine électrique tournante (1) comportant un circuit d'excitation (10), un stator (11) et un rotor (5), ledit circuit d'excitation (10) alimentant en courant d'excitation, à travers des balais (90) et un collecteur (9), une bobine d'excitation (8) dudit rotor (5), caractérisé en ce que ledit procédé comprend :- une étape de détermination de rapports cycliques maximums admissibles (DC_max_adm) en fonction de variations de paramètres électriques qui dépendent de conditions de fonctionnement de la machine électrique tournante (1),- une étape de calcul d'un rapport cyclique moyen (DC_moy),- une étape de comparaison du rapport cyclique moyen (DC_moy) avec un rapport cyclique maximal admissible (DC_max_adm) sélectionné en fonction d'un point de fonctionnement de la machine électrique tournante, et- une étape de génération d'un signal de défaut (S_def) lorsque le rapport cyclique moyen (DC_moy) devient supérieur au rapport cyclique maximal admissible (DC_max_adm).
- 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rapports cycliques maximums admissibles (DC_max_adm) intègrent une marge de compensation (M).
- 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les paramètres électriques qui dépendent de conditions de fonctionnement de la machine électrique tournante (1) sont les suivants: une tension de sortie (UB+) de la machine électrique tournante et/ou une résistance (Rexc) de la bobine d'excitation (8) et/ou une chute de tension (Allexc) entre les balais (90) et le collecteur (9).
- 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la variation de la tension de sortie (UB+) dépend d'une consigne émise par un calculateur moteur et/ou une charge électrique sur un réseau de bord.
- 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'une variation de la résistance (Rexc) de la bobine d'excitation (8) dépend d'une tolérance initiale et d'une température du rotor (5).
- 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'une variation de la chute de tension (Allexc) entre les balais (90) et le collecteur (9) dépend d'une température du rotor (5), d'une vitesse de rotation (Wmel) de la machine électrique (1), d'un courant d'excitation (lexc) et d'une durée d'excitation.
- 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un calcul des rapports cycliques maximums admissibles (DC_max_adm) est basé sur la relation suivante :lexc=(UB+*DC%)/(Rexc+2Rbc)- lexc étant le courant d'excitation parcourant la bobine d'excitation (8),- UB+ étant une tension de sortie de la machine électrique (1),- DC étant un rapport cyclique appliqué à la bobine d'excitation (8),- Rexc étant une résistance de la bobine d'excitation (8) et- Rbc étant une résistance ohmique de contact entre un balai (90) et une bague du collecteur (9).
- 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le point de fonctionnement dépend d'un courant d'excitation (lexc) et/ou d'une vitesse de rotation (Wmel) de la machine électrique tournante.
- 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de dégradation de performances de la machine électrique tournante (1) lorsque le rapport cyclique moyen (DC_moy) calculé devient supérieur au rapport cyclique maximal admissible (DC_max_adm).
- 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de réhabilitation de performances de la machine électrique tournante (1) lorsque le rapport cyclique moyen (DC_moy) redevient inférieur au rapport cyclique maximal admissible (DC_max_adm).
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| FR3082948B1 (fr) | 2020-07-10 |
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