FR3083385A1 - Machine electrique tournante munie d'un capteur de courant et d'un module de diagnostic - Google Patents
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Abstract
L'invention porte principalement sur une machine électrique tournante (10) comportant: - un rotor (12) muni d'un bobinage rotorique (13), - un stator (11) muni d'un bobinage (14) comportant plusieurs phases, - un convertisseur (16) comportant des composants de redressement (17) auxquels sont connectées les phases du stator (11), - un régulateur de tension (24) apte à adapter un courant d'excitation (lexc) appliqué au bobinage rotorique (13) en fonction d'un écart entre une tension de sortie (Ualt) et une tension de référence, caractérisée en ce que ladite machine électrique tournante (10) comporte en outre: - au moins un capteur de courant (27) disposé en sortie de la machine électrique tournante (10) ou sur au moins une phase de la machine électrique tournante (10), et - un module de diagnostic (30) apte à détecter un dysfonctionnement de la machine électrique tournante (10) à partir d'une mesure de courant issue du capteur de courant (27).
Description
MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE MUNIE D'UN CAPTEUR DE COURANT ET D'UN MODULE DE DIAGNOSTIC
La présente invention porte sur une machine électrique tournante munie d'un capteur de courant et d'un module de diagnostic. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les alternateurs et les alternodémarreurs équipant les véhicules automobiles.
De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent deux parties coaxiales à savoir un rotor et un stator entourant le corps du rotor. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre de rotor menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, comme décrit par exemple dans les documents EP0803962 et W002/093717, ou d'un moteur électrique comme décrit par exemple dans le document EP0831580. La machine électrique tournante pourra être réversible comme décrit par exemple dans les documents WO01 /69762, W02004/040738, W02006/129030 et FR3005900. Une telle machine électrique tournante réversible synchrone est appelé alterno-démarreur.
En mode alternateur, la machine électrique transforme de l’énergie mécanique en énergie électrique pour notamment alimenter des consommateurs et/ou recharger une batterie.
Afin de réduire sensiblement les émissions de particules polluantes dans les cycles d’homologations ou hors des cycles, c'est à dire dans la vraie vie de roulage du véhicule automobile, la machine électrique fonctionne en mode alternateur, notamment lors des phases de freinage récupératif qui sont très fréquentes. La machine électrique et ses sous-composants sont ainsi sollicités à leur limite de fonctionnement.
Il existe donc le besoin d'implémenter des protections afin de maximiser les performances de la machine électrique tout en conservant un niveau élevé de fiabilité.
L'invention vise à combler ce besoin en proposant une machine électrique tournante comportant:
- un rotor muni d'un bobinage rotorique,
- un stator muni d'un bobinage comportant plusieurs phases,
- un convertisseur comportant des composants de redressement auxquels sont connectées les phases du stator,
- un régulateur de tension apte à adapter un courant d'excitation appliqué au bobinage rotorique en fonction d'un écart entre une tension de sortie de la machine électrique tournante et une tension de référence, caractérisée en ce que ladite machine électrique tournante comporte en outre:
- au moins un capteur de courant disposé en sortie de la machine électrique tournante ou sur au moins une phase de la machine électrique tournante, et
- un module de diagnostic apte à détecter un dysfonctionnement de la machine électrique tournante à partir d'une mesure de courant issue du capteur de courant.
L’invention permet ainsi, grâce à l'utilisation du capteur de courant et du module de diagnostic, de détecter et d’informer le contrôle moteur d’une éventuelle défaillance et/ou d'une dérive des performances de la machine électrique tournante.
Selon une réalisation, le module de diagnostic est intégré au régulateur.
Selon une réalisation, le module de diagnostic est un module externe par rapport au régulateur.
Selon une réalisation, le module de diagnostic est apte à estimer, via une loi de variation d'une chute de tension aux bornes d'un composant de redressement, une température de jonction de ce composant de redressement.
Selon une réalisation, le module de diagnostic est apte à limiter cette température de jonction pour protéger ce composant de redressement.
Selon une réalisation, le module de diagnostic est apte à détecter une défaillance sur une phase de la machine électrique tournante à partir de la mesure de courant issue du capteur de courant.
Selon une réalisation, le module de diagnostic est apte à déterminer un rendement théorique de la machine électrique tournante et à le comparer avec un rendement de référence pour en déduire une éventuelle dérive représentative d'une dégradation de performances de la machine électrique tournante.
Selon une réalisation, le module de diagnostic est apte à mesurer une ondulation d'un courant de sortie de la machine électrique tournante et à détecter une défaillance de la machine électrique tournante dans le cas où une variation de courant sur une période du courant de sortie dépasse une valeur de référence.
Selon une réalisation, le module de diagnostic est apte à établir un diagnostic de fonctionnement de la machine électrique tournante à partir de mesures de courant de sortie de la machine électrique tournante et de mesures du courant d'excitation.
Selon une réalisation, le module de diagnostic est apte à détecter une dérive de performances d'un composant de redressement à partir d'une mesure d'une chute de tension à un courant donné dudit composant de redressement.
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 1a est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation de l'invention ayant un capteur de courant de sortie de l'alternateur et un module de diagnostic intégré dans le régulateur;
- La figure 1b est une représentation schématique d'une variante de réalisation à module de diagnostic externe;
- La figure 2a est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation de l'invention ayant un capteur de courant de phases de l'alternateur et un module de diagnostic intégré dans le régulateur;
- La figure 2b est une représentation schématique d'une variante de réalisation à module de diagnostic externe;
- La figure 3 est une représentation graphique d'une cartographie permettant de déterminer un couple à partir d'une vitesse de rotation de la machine pour un courant d'excitation donné;
- La figure 4 est une représentation graphique d'une variation du courant de sortie dont la mesure à l'aide du capteur de courant selon l'invention permet de détecter un dysfonctionnement de la machine électrique;
- La figure 5 est une représentation graphique des courbes mesurée et attendue obtenues dans le plan courant alternateur/courant d'excitation permettant de détecter un dysfonctionnement de la machine électrique;
- La figure 6 est une représentation schématique d'une tension de phase permettant de déterminer la chute de tension d'un composant de redressement à l'état passant;
- La figure 7 est une loi de variation stockée dans le régulateur ou le module de diagnostic externe permettant de déterminer la température d'un composant de redressement de forme diode;
- La figure 8 est une représentation graphique illustrant la détection par le module de diagnostic d'une dérive de performance pouvant être détectée par mesure d'une tension et d'un courant d'un composant de redressement.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.
Les figures 1a et 1b représentent de façon schématique une machine électrique tournante 10, sous la forme d'un alternateur, comportant un stator 11 et un rotor 12 muni d'un bobinage 13. Le rotor 12 est apte à générer un flux magnétique interagissant avec le stator 11.
Le stator 11 comprend un bobinage 14 ayant plusieurs phases Ph1-PhN reliées à un convertisseur AC/DC 16. Sur les figues, on a représenté de façon non limitative un stator 11 à trois phases Ph1-Ph3 à titre d'exemple. En effet, il est clair que le stator 11 pourra comporter plus généralement N phases, N étant un nombre entier. N pourra par exemple valoir 3 pour un stator triphasé, 5 pour un stator pentaphasé, 6 pour un stator hexaphasé, 7 pour un stator heptaphasé, etc... ou être un nombre entier quelconque.
Le convertisseur AC/DC 16 est typiquement formé par des composants de redressement 17 représentés ici par des diodes mais pouvant également prendre la forme de transistors de type MOSFET. Dans ce cas, le convertisseur AC/DC 16 est réversible afin de transformer la tension continue de la batterie 19 en une tension alternative alimentant les phases du bobinage Ph1-PhN pour faire fonctionner la machine en mode moteur.
Lors d'un fonctionnement de l'alternateur 10, la tension de sortie Ualt mesurée entre la borne B+ et la masse peut être délivrée à la batterie 19 par le stator 11 par l'intermédiaire du convertisseur 16. Plus précisément, des forces électromotrices sont présentes dans chacune des phases Ph1-PhN du bobinage du stator 11 et sont traitées par le convertisseur 16 pour générer la tension de sortie Ualt.
De même, un courant de sortie lait peut être délivré à la batterie 19 et aux charges électriques 22 par le stator 11 après un traitement par le convertisseur 16. Les charges électriques 22 sont en l'occurrence connectées en parallèle de la batterie 19.
L'alternateur 10 comporte également un régulateur 24 permettant d'asservir la tension de sortie Ualt à une tension de référence fournie généralement par un calculateur moteur 25 du véhicule. A cet effet, le régulateur 24 adapte un courant d'excitation lexc appliqué, par modulation à largeur d'impulsion, au bobinage rotorique 13 en fonction d'un écart entre la tension de sortie Ualt de l'alternateur 10 et la tension de référence.
En outre, un capteur de courant 27 pourra être disposé en sortie de l'alternateur 10 au niveau de la borne B+, tel que cela est montré sur les figures 1a et 1b. En variante, un capteur de courant 27 est disposé sur au moins phase Ph1-PhN de l'alternateur 10. Dans l'exemple représenté, on utilise un capteur 27 par phase, mais on pourra en variante utiliser un capteur 27 sur une seule phase et déduire les signaux des autres phases à partir des mesures de ce capteur. Un capteur 27 pourra prendre la forme d'un capteur à effet Hall ou d'un capteur à résistance dit de type shunt en anglais.
Un module de diagnostic 30 est apte à détecter un dysfonctionnement de l'alternateur 10 à partir de la mesure de courant issue d'au moins un capteur de courant 27.
Le module de diagnostic 30 pourra être intégré au régulateur 24, tel que cela est représenté sur les figures 1a et 2a. Dans ce cas, le régulateur 24 communique les informations relatives au fonctionnement de l'alternateur 10 au calculateur moteur 25 via un bus de communication de type LIN ou CAN par exemple.
Alternativement, le module de diagnostic 30 est un module externe, tel que montré sur les figures 1b et 2b. Cela permet de faciliter la réalisation du régulateur 24 qui présente alors moins de fonctionnalités intégrées. Dans ce cas, on prévoit une communication entre le régulateur 24 et le module de diagnostic 30, entre le régulateur 24 et le calculateur moteur 25, et une communication entre le module de diagnostic 30 et le calculateur moteur 25. Ces communications pourront être établies également via un bus de communication de type LIN ou CAN.
Le module de diagnostic 30 est apte à déterminer un rendement théorique n de l'alternateur 10 à partir de la formule suivante: n = Pelec/Pmeca = (Ualt x lait) / (CxO),
- Pelec étant la puissance électrique de l'alternateur et Pmeca étant la puissance mécanique de l'alternateur,
- Ualt étant la tension de sortie de l'alternateur 10 mesurée par le régulateur 24,
- lait étant le courant de sortie de l'alternateur 10 mesuré par le capteur de courant 27,
- Ω étant la vitesse de rotation déterminée à l'aide de la fréquence d'une phase appliquée en entrée du régulateur 24,
- C étant le couple de l’alternateur 10 résultant d’une cartographie de mesure réalisée au préalable en laboratoire et intégrée dans le module de diagnostic 30 ou le régulateur 24. Cette cartographie dont une représentation graphique est donnée en figure 3 permet de fournir la donnée de couple C pour le calcul de rendement n à partir de la vitesse de rotation Ω de l'alternateur 10 et d'un courant d'excitation lexc appliqué au rotor 12.
Le rendement théorique n est ensuite comparé avec un rendement de référence pour en déduire une éventuelle dérive représentative d'une dégradation de performances de l'alternateur 10.
Comme on peut le voir sur la figure 4, le module de diagnostic 30 est apte à mesurer une ondulation d'un courant de sortie Alalt de l'alternateur 10 et à détecter une défaillance dans le cas où une variation de courant Alalt sur une période du courant de sortie dépasse une valeur de référence. En particulier, si sur une période correspondant à la commutation de chaque composant de redressement 17, l'ondulation de courant Alalt devient supérieure à une valeur de référence, le module de diagnostic 30 émet un signal d'alerte à destination du calculateur moteur 25.
Comme on peut le voir sur la figure 5, le module de diagnostic 30 est également apte à établir un diagnostic de fonctionnement de l'alternateur 10 à partir de mesures de courant de sortie lait de l'alternateur 10 et de mesures du courant d'excitation lexc. A cet effet, on compare l'écart entre la courbe mesurée Cmes obtenue à partir de plusieurs mesures des courants lait et lexc et la courbe attendue Cth stockée en mémoire du module de diagnostic 30 ou du calculateur moteur 25. En cas d'écart trop important, le module 30 émet un signal d'alerte à destination du calculateur moteur 25.
Par ailleurs, il est possible d’estimer la température de jonction du composant en corrélant la mesure de courant ld_mes et la mesure de tension Vd_mes effectuées sur le composant de redressement 17, prenant la forme d'une diode ou d'un transistor de type MOSFET.
En effet, il est possible de connaître la tension Vd du composant de redressement 17 à l'état passant lors d'une alternance négative de la tension de phase U_Ph (cf. figure 6) ainsi que le courant Id correspondant.
A partir de ces deux valeurs, une loi de variation d'une chute de tension aux bornes d'un composant de redressement 17 de forme diode en fonction de la température représentée en figure 7, permet d’estimer une température T de jonction du composant. Cette loi de variation pourra être stockée dans le module de diagnostic 30 ou le régulateur 24.
Le module de diagnostic 30 pourra ensuite limiter cette température T de jonction pour protéger le composant 17, notamment en limitant un courant de sortie lait de l'alternateur 10 afin de fournir un maximum de puissance disponible au véhicule tout en conservant une température maximum admissible au niveau des jonctions des composants 17.
Le module de diagnostic 30 pourra également détecter une dérive de performances d'un composant de redressement 17 à partir d'une mesure d'une chute de tension Vd_mes à un courant donné ld_mes.
Par exemple, si le couple courant ld_mes / tension Vd_mes présente un écart E trop important avec la valeur de la courbe attendue Cref pour une température donnée, le module de diagnostic 30 en déduit que les performances du composant 17 sont dégradées.
Le module de diagnostic 30 alerte alors le calculateur moteur 25 d'un changement d'état d'un ou de plusieurs composants 17 via l'envoi d'un message d'alerte correspondant sur le bus de communication du véhicule.
Les mesures utilisées par le module de diagnostic 30 pourront être effectuées si le moteur thermique et ses composants présentent un équilibre thermique à température ambiante. Par exemple, un ordre de mesure peut être envoyé par le calculateur moteur 25 lorsque la température ambiante et la température du moteur sont très proches avec un écart par exemple de l'ordre de plus ou moins 5°C. En outre, une communication de cette température pourrait être envisagée au régulateur 24 ou au module de diagnostic 30 afin de comparer la température de la puce du régulateur 24 et s’assurer d’un état thermique stabilisé et refroidi.
Ainsi, dès l’allumage du moteur thermique et la génération de courant de l'alternateur 10, le module de diagnostic 30 pourrait lancer un diagnostic de l’état des composants de redressement 17.
L'invention pourra également être mise en oeuvre avec un alterno-démarreur ou une machine électrique fonctionnant uniquement en mode moteur.
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. Machine électrique tournante (10) comportant:- un rotor (12) muni d'un bobinage rotorique (13),- un stator (11) muni d'un bobinage (14) comportant plusieurs phases (Ph1-PhN),- un convertisseur (16) comportant des composants de redressement (17) auxquels sont connectées les phases (Ph1-PhN) du stator (11),- un régulateur de tension (24) apte à adapter un courant d'excitation (lexc) appliqué au bobinage rotorique (13) en fonction d'un écart entre une tension de sortie (Ualt) de la machine électrique tournante (10) et une tension de référence, caractérisée en ce que ladite machine électrique tournante (10) comporte en outre:- au moins un capteur de courant (27) disposé en sortie de la machine électrique tournante (10) ou sur au moins une phase (Ph1-PhN) de la machine électrique tournante (10), et- un module de diagnostic (30) apte à détecter un dysfonctionnement de la machine électrique tournante (10) à partir d'une mesure de courant issue du capteur de courant (27).
- 2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que le module de diagnostic (30) est intégré au régulateur (24).
- 3. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que le module de diagnostic (30) est un module externe par rapport au régulateur (24).
- 4. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le module de diagnostic (30) est apte à estimer, via une loi de variation d'une chute de tension aux bornes d'un composant de redressement (17), une température de jonction de ce composant de redressement (17).
- 5. Machine électrique tournante selon la revendication 4, caractérisée en ce que le module de diagnostic (30) est apte à limiter cette température de jonction pour protéger ce composant de redressement (17).
- 6. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le module de diagnostic (30) est apte à détecter une défaillance sur une phase de la machine électrique tournante (10) à partir de la mesure de courant issue du capteur de courant (27).
- 7. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le module de diagnostic (30) est apte à déterminer un rendement théorique (n) de la machine électrique tournante (10) et à le comparer avec un rendement de référence pour en déduire une éventuelle dérive représentative d'une dégradation de performances de la machine électrique tournante (10).
- 8. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le module de diagnostic (30) est apte à mesurer une ondulation d'un courant de sortie (Alalt) de la machine électrique tournante (10) et à détecter une défaillance de la machine électrique tournante (10) dans le cas où une variation de courant (Alalt) sur une période du courant de sortie dépasse une valeur de référence.
- 9. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le module de diagnostic (30) est apte à établir un diagnostic de fonctionnement de la machine électrique tournante (10) à partir de mesures de courant de sortie (lait) de la machine électrique tournante (10) et de mesures du courant d'excitation (lexc).
- 10. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le module de diagnostic (30) est apte à détecter une dérive de performances d'un composant de redressement (17) à partir d'une mesure d'une chute de tension (Vd) à un courant donné (Id) dudit composant de redressement (17).
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