WO2015001279A2 - Procédé de commande d'un convertisseur de tension continu/alternatif - Google Patents

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WO2015001279A2
WO2015001279A2 PCT/FR2014/051736 FR2014051736W WO2015001279A2 WO 2015001279 A2 WO2015001279 A2 WO 2015001279A2 FR 2014051736 W FR2014051736 W FR 2014051736W WO 2015001279 A2 WO2015001279 A2 WO 2015001279A2
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voltage converter
image
electric machine
electric
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Antoine BRUYERE
Pierre-Alexandre CHAUVENET
Bruno Condamin
Original Assignee
Valeo Systemes De Controle Moteur
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/0003—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H02P21/0021—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control using different modes of control depending on a parameter, e.g. the speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/08—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor

Definitions

  • the present invention relates to the control of a DC / AC voltage converter interposed between a DC bus and the electric stator winding of an electric machine.
  • the continuous bus makes it possible, for example, to exchange electrical energy with an electrical energy storage unit.
  • the invention applies in particular to the control of a voltage converter
  • AC / DC link interposed between a DC bus and the electric stator winding of an electric machine for propelling an electric or hybrid vehicle.
  • the invention aims to meet this need.
  • this difference is compared with at least one predefined value, and according to the result of this comparison, the DC / AC voltage converter is controlled by applying to it one of a normal control mode and an auxiliary control mode .
  • the auxiliary control mode is applied, for example, when the difference is greater than the predefined value or values.
  • electrical quantities associated with the DC / AC voltage converter are used to construct an image of a mechanical quantity associated with the electric machine.
  • an image of the mechanical quantity is easily available, an image that would be more difficult to obtain using only mechanical quantities.
  • the above method thus makes it possible to obtain in a simple and effective manner information as to the operation of the electric machine. This information can quickly detect an anomaly affecting the electric machine, so that the DC / AC voltage converter previously controlled in a normal control mode can be controlled according to a different auxiliary control mode.
  • This auxiliary control mode can be maintained as long as a predetermined condition is not satisfied, for example as long as the difference between the value of the mechanical quantity of the electric machine and the value of the image of said magnitude remains above the preset value.
  • the normal control mode may allow the electrical machine to operate according to the performance initially provided, that is to say, in particular to provide the expected torque or speed.
  • the auxiliary control mode may allow a progressive or instant stop of the electric machine, or a continuation of its operation but in reduced performance compared to those in the normal control mode, for example to allow it to propel a vehicle on a certain distance at a reduced speed.
  • the preset value can be a percentage of the value of the mechanical quantity. This preset value may be constant or vary depending on the speed of the electric machine. For example, when the speed of the electric machine is less than 1000 rpm, especially less than 500 rpm, the auxiliary control mode can be applied to the DC / AC voltage converter when the difference is greater than the value. predefined which is for example equal to 30% of the value of the mechanical quantity.
  • the auxiliary control mode can be applied to the DC / AC voltage converter.
  • the difference is greater than the predefined value which is then for example equal to 10% of the mechanical value value.
  • the auxiliary control mode may comprise several successive submodes, and several predefined values may be successively considered.
  • a first auxiliary control sub-mode When the difference is greater than a first predefined value, a first auxiliary control sub-mode may consist of operating the electric machine in reduced performance compared to the normal control mode, and when the difference becomes greater than a second predefined value, greater than the first preset value, a second auxiliary control sub-mode may consist of stopping the electric machine.
  • the image of said mechanical quantity can be obtained as a function of the electric current flowing over the DC bus and of the voltage measured across the DC bus. We can use the current on the DC interface of the converter and the voltage across this DC interface to obtain this image. Obtaining this image therefore requires only a small number of sensors since a single ammeter and a single voltmeter may suffice.
  • access to the continuous bus for measurements is simple. Continuous bus access can also work directly with the active power, simplifying control.
  • the image of said mechanical quantity can be obtained as a function of a parameter, constant or variable, reflecting the efficiency of the conversion of electrical energy into mechanical energy in the electric machine. Depending on the speed of the electric machine, for example, different values are used for this output parameter.
  • Obtaining the image for example implements a mathematical equation involving the current traveling on the DC bus, the voltage across the bus and said performance parameter.
  • the mechanical quantity is the torque supplied by the electric machine and the difference between:
  • the setpoint value for the torque is for example established by the engine control unit (ECU) in the case of a vehicle.
  • ECU engine control unit
  • the mechanical quantity is the active power supplied by the electric machine and the difference between:
  • the value of the active power P supplied by the electric machine is for example obtained using the following equation: F * ⁇
  • the electric winding of the stator can be polyphase, in particular three-phase.
  • the auxiliary control may consist of short-circuiting at least one of the phases of this stator electrical winding, or even several phases of this electric stator winding, or even all phases of this stator electrical winding.
  • the different phases of the stator winding may not be electrically connected to each other.
  • Examples of phases electrically connected to each other are the phases connected in star or polygonal, which corresponds to the triangle connection in the three-phase case.
  • the converter may comprise a plurality of arms connected in parallel, each arm comprising two controllable switching cells, in series and separated by a midpoint, the arms being paired according to H bridges. Each terminal of each phase of the electric winding stator can then be connected to a midpoint of an arm of the
  • Each switching cell may include a bidirectional current switch.
  • This switch uses for example a field effect transistor, bipolar, or IGBT type.
  • the electric machine can be rotating and it can be a synchronous machine, including permanent magnet rotor. Alternatively, it may be a linear electric machine.
  • the electric machine serves for example to propel an electric or hybrid vehicle.
  • the electric machine has for example a nominal power of between 10 W and 10 MW, for example between 3 kW and 200 kW.
  • the DC bus can be connected to an electrical energy storage unit.
  • the electrical energy storage unit has, for example, a nominal voltage of between 60 V and 600 V, in particular between 200 V and 400 V.
  • This electrical energy storage unit may comprise one or more batteries or any other type of battery.
  • means for storing electrical energy for example supercapacitors.
  • the electrical energy storage unit is for example formed by batteries in series, in parallel or parallel branches of batteries in series.
  • the DC bus may be connected directly to the electrical energy storage unit or via a DC / DC voltage converter, optionally including a plurality of interleaved branches.
  • the charge of the electrical energy storage unit may be permitted by means of a power supply line that can be connected via a connector to an external electrical network.
  • the supply line may comprise a number of conductors equal to the number of phases of the stator electrical winding and each conductor may have an end connected to an intermediate point of a phase of the stator electrical winding.
  • the intermediate point of said phase may be a midpoint for said phase.
  • the electricity grid can be an industrial grid managed by an operator. This is for example an electrical network providing a voltage at a frequency of 50 Hz or 60 Hz. It can be a single-phase network providing a voltage of between 120 V and 240 V or a polyphase network. , for example three-phase, in particular of a three-phase network providing a voltage of between 208 V and 416 V.
  • the subject of the invention is also a device for controlling a DC / AC voltage converter for implementing the above method, the device being configured for:
  • control device may be integrated with or separate from the engine control unit (ECU).
  • ECU engine control unit
  • the difference considered between the value of said mechanical quantity and the value of said image may or may not be understood as a difference in absolute value.
  • the difference considered can be either JF - rjsoi F - ⁇
  • the difference considered can be either
  • FIG. 1 schematically represents a set example in which the method according to the invention can be implemented
  • FIG. 2 schematically represents another example of an assembly in which the method according to the invention can be implemented
  • FIG. 3 represents examples of means making it possible to implement an exemplary method according to the invention.
  • FIG. 1 shows an example of an assembly 1 in which the method according to the invention can be implemented.
  • This set 1 comprises a DC / AC voltage converter 2 and a control device 3 of this converter 2.
  • the DC / AC voltage converter 2 belongs to an electric circuit 4 further comprising:
  • the DC / AC voltage converter 2 is in this example disposed between the electrical energy storage unit 5 and the electric winding 6 so as to allow an exchange of electrical energy between the latter.
  • the electric machine is in the example considered used to drive a hybrid or electric vehicle. This is for example a synchronous motor with permanent magnets.
  • the electric machine has for example a nominal power between 10W and 10 MW, being in particular between 100W and 200kW.
  • the stator electrical winding 6 is three-phase.
  • the control device 3 may comprise any type of integrated circuit, for example one or more microcontrollers or one or more programmable logic circuits (FPGAs).
  • FPGAs programmable logic circuits
  • the controller 3 may be integrated with or separate from the engine control unit (ECU) of the vehicle. In the latter case, the control device 3 communicates with the engine control unit via a link which is for example a synchronous full duplex serial link, such as SPI.
  • ECU engine control unit
  • SPI synchronous full duplex serial link
  • the electrical energy storage unit 5 may be a battery, a super-capacitor or any assembly of batteries or supercapacitors. This is for example several parallel branches of batteries in series.
  • the electrical energy storage unit 5 may have a nominal voltage of between 60 V and 800 V, in particular between 200 V and 400 V or between 600 V and 800 V.
  • the electrical energy storage unit 5 is directly connected to the converter 2 by means of a continuous bus 9.
  • a capacitor 7 can be connected in parallel with the electrical energy storage unit 5.
  • the electrical circuit 4 may comprise a connector 8 capable of being connected to an industrial electrical network delivering a voltage at 50 Hz or 60 Hz.
  • This connector 8 is for example connected, via a filter 10 configured to eliminate electromagnetic interference, at an intermediate point 11 of each phase 12 of the electric winding 6 of the stator. This is for example a midpoint 11 for the phases, as taught in the application WO 2010/057893.
  • the converter 2 converts the DC voltage across the electrical energy storage unit 5 into a three-phase alternating voltage supplying the stator electrical winding 6 to allow the vehicle to be propelled.
  • the converter 2 can convert the AC voltage supplied by the network and passing through the stator electrical winding 6 into a DC voltage supplying the electrical energy storage unit 5, to allow charging thereof.
  • the connector 8 is then connected to a terminal of the electrical network.
  • the converter 2 here comprises three H-bridges 20, each H-bridge being formed by two arms connected in parallel between the terminals of the electrical energy storage unit 5. Each arm has in this example two controllable switching cells 21 reversible and mounted in series.
  • a switching cell 21 is for example formed by the antiparallel assembly of a transistor and a diode, the latter being optionally the intrinsic diode of the transistor.
  • the transistor can be field effect, IGBT or bipolar type.
  • the switching cells 21 are controlled by the device 3, as will be described later.
  • the circuit 4 is devoid of a DC / DC voltage converter interposed between the electrical energy storage unit 5 and the DC / AC voltage converter 2.
  • FIG. 2 represents an assembly 1 according to a second exemplary implementation of the invention.
  • This set 1 differs from that which has just been described with reference to FIG. 1 in that the electric circuit 4 further comprises a DC / DC voltage converter 25 interposed between the capacitor 7 and the storage unit of FIG. electrical energy 5, that is to say that the converter 25 is also disposed between said unit 5 and the DC / AC voltage converter 2.
  • the DC bus 9 is then interposed between the DC / DC voltage converter 25 and the DC converter.
  • DC / AC voltage converter 2 DC / AC voltage converter 2.
  • the DC / DC voltage converter 25 makes it possible to adapt the value of the voltage at the terminals of the electrical energy storage unit 5 to the value of the voltage able to supply the stator electrical winding 6, and vice versa.
  • This converter 25 is here interlaced, comprising several branches. Each branch includes in this example: an arm connected in parallel with the capacitor 7 and comprising two switching cells 27 in series controllable and separated by a midpoint 28,
  • a coil 29 having one end connected to the midpoint 28 of the arm and the other end connected to the positive high voltage terminal of the electrical energy storage unit 5.
  • the number of branches of the converter 25 is equal to the number of arms of the converter 2, that is to say six, and the branches are matched, the coil 29 of a branch of a pair 30 being in magnetic coupling with the coil 29 of the other branch of said pair 30.
  • the switching cells 21 of the voltage converter are identical to the switching cells 21 of the voltage converter.
  • control device 3 receives information relating to electrical quantities of the DC / AC voltage converter 2 and information relating to one or more mechanical quantities of the rotating electrical machine.
  • an ammeter 40 makes it possible to measure the current flowing through the DC bus 9, and a voltmeter 41 makes it possible to measure the voltage across the DC bus 9.
  • the electrical quantities considered are the current and the voltage on the DC bus.
  • the ammeter is for example obtained using a Hall effect sensor, for example the MLX91206 chip marketed by MELEXIS R.
  • a speed sensor 43 makes it possible to measure the speed of rotation of the rotating electrical machine.
  • the control device 3 is for example configured to control the DC / AC voltage converter 2, that is to say more precisely its switching cells 21, by controlling the torque supplied by the rotating electrical machine.
  • control device 3 determines for example the difference between the set value ⁇ for this torque, which is in particular supplied by the engine control unit, and the value of a torque image ⁇ 'which is obtained in the example in question using the electrical quantities mentioned above.
  • control device 3 can also involve a parameter ⁇ reflecting the efficiency of the conversion of mechanical energy into electrical energy in the rotating electrical machine.
  • the value of the image T is in this case obtained using the following equation: Ue, and ⁇ respectively denoting the voltage measured by the voltmeter 41, the current measured by the ammeter 40, and the measured speed of the electric machine.
  • This difference is then used to decide whether or not to change the control mode of the DC / AC voltage converter 2, for example to switch from a normal control mode to an auxiliary control mode.
  • the device of command 3 can switch from a normal control mode to an auxiliary control mode.
  • a predefined value which is here a given percentage% ⁇ of said setpoint value
  • control device 3 can act on each H bridge of the converter 2 by applying duty cycle values to the switches of the switching cells 21 of said H bridge in order to respond to the torque setpoint to propel the vehicle according to the expected performance.
  • auxiliary control mode all or some of the phases of the stator electrical winding 6 are short-circuited. In the example considered, this amounts to acting for at least one phase on the state of the switching cells 21 of the H bridge associated with said phase, so as to short-circuit the two terminals of said phase.
  • the value of% ⁇ is not unique but may vary depending on the speed of the rotating electrical machine.
  • Several values of% ⁇ can be stored in a register of the control device 3 and each of these values can be associated with a speed range of the rotating electrical machine.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Procédé de commande d'un convertisseur de tension continu/alternatif (2) interposé entre un bus continu (9) et l'enroulement électrique de stator (6) d'une machine électrique, procédé dans lequel: -on détermine l'écart entre la valeur d'une grandeur mécanique (Γ) de la machine électrique et la valeur d'une image (Γ') de ladite grandeur, cette image (Γ') étant obtenue à l'aide de grandeurs électriques (Ie, Ue) du convertisseur de tension continu/alternatif (2) et, -on compare cet écart avec au moins une valeur prédéfinie (%Γ), et selon le résultat de cette comparaison, on commande le convertisseur de tension continu/alternatif (2) en lui appliquant l'un d'un mode de commande normal et d'un mode de commande auxiliaire.

Description

Procédé de commande d'un convertisseur de tension continu/alternatif
La présente invention concerne la commande d'un convertisseur de tension continu/alternatif interposé entre un bus continu et l'enroulement électrique de stator d'une machine électrique. Le bus continu permet par exemple d'échanger de l'énergie électrique avec une unité de stockage d'énergie électrique.
L'invention s'applique notamment à la commande d'un convertisseur de tension
continu/alternatif interposé entre un bus continu et l'enroulement électrique de stator d'une machine électrique servant à propulser un véhicule électrique ou hybride.
Il est nécessaire de s'assurer qu'une ou plusieurs anomalies susceptibles de se produire lorsque de l'énergie électrique transite dans le convertisseur de tension continu/alternatif n'affecteront pas le fonctionnement de la machine électrique.
En cas d'application à un véhicule électrique ou hybride, il est par exemple nécessaire de s'assurer que de telles anomalies, lorsqu'elles se produisent lors d'un roulage du véhicule, n'affecteront pas la sécurité des utilisateurs du véhicule ou d'autres personnes en modifiant brutalement le régime du moteur électrique.
Il existe donc un besoin pour pouvoir disposer de façon simple d'informations suffisamment précises sur le fonctionnement de la machine électrique, de manière à ajuster la commande du convertisseur de tension continu/alternatif pour éviter les inconvénients précités.
L'invention a pour but de répondre à ce besoin.
Elle y parvient, selon l'un de ses aspects, à l'aide d'un procédé de commande d'un
convertisseur de tension continu/alternatif interposé entre un bus continu et l'enroulement électrique de stator d'une machine électrique, procédé dans lequel :
- on détermine l'écart entre la valeur d'une grandeur mécanique de la machine électrique et la valeur d'une image de ladite grandeur, cette image étant obtenue à l'aide de grandeurs électriques du convertisseur de tension continu/alternatif et,
- on compare cet écart avec au moins une valeur prédéfinie, et selon le résultat de cette comparaison, on commande le convertisseur de tension continu/alternatif en lui appliquant l'un d'un mode de commande normal et d'un mode de commande auxiliaire.
Le mode de commande auxiliaire est par exemple appliqué lorsque l'écart est supérieur à la ou les valeurs prédéfinies
Selon le procédé ci-dessus, on utilise ainsi des grandeurs électriques associées au convertisseur de tension continu/alternatif pour construire une image d'une grandeur mécanique associée à la machine électrique. En choisissant des grandeurs électriques mesurables simplement, on dispose de façon simple d'une image de la grandeur mécanique, image qui serait plus difficile à obtenir en n'utilisant que des grandeurs mécaniques. Le procédé ci-dessus permet ainsi d'obtenir de façon simple et efficace une information quant au fonctionnement de la machine électrique. Cette information peut permettre de détecter rapidement une anomalie affectant la machine électrique, de sorte que le convertisseur de tension continu/alternatif jusqu'alors commandé selon un mode de commande normal peut être commandé selon un mode de commande auxiliaire différent.
Ce mode de commande auxiliaire peut être maintenu aussi longtemps qu'une condition prédéterminée n'est pas satisfaite, par exemple aussi longtemps que l'écart entre la valeur de la grandeur mécanique de la machine électrique et la valeur de l'image de ladite grandeur reste supérieur à la valeur prédéfinie.
Le mode de commande normal peut permettre à la machine électrique de fonctionner selon les performances prévues initialement, c'est-à-dire notamment de fournir le couple ou la vitesse prévues.
Le mode de commande auxiliaire peut permettre un arrêt progressif ou instantané de la machine électrique, ou une poursuite de son fonctionnement mais selon des performances réduites par rapport à celles selon le mode de commande normal, par exemple pour lui permettre de propulser un véhicule sur une certaine distance à une vitesse réduite.
La valeur prédéfinie peut correspondre à un pourcentage de la valeur de la grandeur mécanique. Cette valeur prédéfinie peut être constante ou varier en fonction du régime de la machine électrique. Par exemple, lorsque la vitesse de la machine électrique est inférieure à 1000 tr/min, notamment inférieure à 500 tr/min, le mode de commande auxiliaire peut être appliqué au convertisseur de tension continu/alternatif lorsque l'écart est supérieur à la valeur prédéfinie qui est alors par exemple égale à 30% de la valeur de la grandeur mécanique.
Lorsque la vitesse de la machine électrique est comprise entre 500 tr/min et 10 000 tr/min, notamment comprise entre 1000 tr/min et 10 000 tr/min, le mode de commande auxiliaire peut être appliqué au convertisseur de tension continu/alternatif lorsque l'écart est supérieur à la valeur prédéfinie qui est alors par exemple égale à 10% de la valeur de grandeur mécanique.
Dans tout ce qui précède, le mode de commande auxiliaire peut comprendre plusieurs sous- modes successifs, et plusieurs valeurs prédéfinies peuvent être successivement considérées.
Lorsque l'écart est supérieur à une première valeur prédéfinie, un premier sous-mode de commande auxiliaire peut consister à faire fonctionner la machine électrique selon des performances réduites par rapport au mode de commande normal, et lorsque l'écart devient supérieur à une deuxième valeur prédéfinie, supérieure à la première valeur prédéfinie, un deuxième sous-mode de commande auxiliaire peut consister à arrêter la machine électrique. L'image de ladite grandeur mécanique peut être obtenue en fonction du courant électrique parcourant le bus continu et de la tension mesurée aux bornes du bus continu. On peut ainsi utiliser le courant sur l'interface continue du convertisseur et la tension aux bornes de cette interface continue pour obtenir cette image. L'obtention de cette image ne nécessite ainsi qu'un nombre réduit de capteurs puisqu'un seul ampèremètre et un seul voltmètre peuvent suffire. En outre, l'accès au bus continu pour y effectuer des mesures est simple. L'accès au bus continu peut par ailleurs permettre de travailler directement avec la puissance active, simplifiant ainsi la commande.
L'image de ladite grandeur mécanique peut être obtenue en fonction d'un paramètre, constant ou variable, traduisant le rendement de la conversion d'énergie électrique en énergie mécanique dans la machine électrique. Selon la vitesse de la machine électrique, on utilise par exemple différentes valeurs pour ce paramètre de rendement.
L'obtention de l'image met par exemple en œuvre une équation mathématique impliquant le courant parcourant le bus continu, la tension aux bornes de ce bus et ledit paramètre de rendement.
Selon un premier exemple de mise en œuvre de l'invention, la grandeur mécanique est le couple fourni par la machine électrique et l'on détermine l'écart entre :
- la valeur de consigne pour ce couple, et
- la valeur de l'image de ce couple obtenue à l'aide de grandeurs électriques du convertisseur de tension continu/alternatif, et notamment de la vitesse mesurée de la machine électrique.
La valeur de consigne pour le couple est par exemple établie par l'unité de contrôle moteur (ECU) dans le cas d'un véhicule.
La valeur de l'image Γ' du couple est par exemple obtenue à l'aide de l'équation suivante :
Ue, le, Ω et η désignant respectivement la tension aux bornes du bus continu, le courant parcourant le bus continu, la vitesse mesurée de la machine électrique et le paramètre de rendement.
Selon un deuxième exemple de mise en œuvre de l'invention, la grandeur mécanique est la puissance active fournie par la machine électrique et l'on détermine l'écart entre :
- le produit de la valeur de consigne pour le couple fourni par la machine électrique et de la vitesse mesurée de ladite machine, et
-la valeur de l'image de cette puissance obtenue à l'aide de grandeurs électriques du convertisseur de tension continu/alternatif.
Avec les mêmes notations que ci-dessus :
- la valeur de la puissance active P fournie par la machine électrique est par exemple obtenue à l'aide de l'équation suivante : F * Ù
Γ étant ici la valeur de la consigne pour le couple,
- la valeur de l'image P' de cette puissance active est par exemple obtenue à l'aide de l'équation suivante :
P' = * Us * le
L'enroulement électrique de stator peut être polyphasé, notamment triphasé. Dans ce cas, la commande auxiliaire peut consister à mettre en court-circuit au moins une des phases de cet enroulement électrique de stator, voire plusieurs phases de cet enroulement électrique de stator, voire la totalité des phases de cet enroulement électrique de stator.
Les différentes phases de l'enroulement électrique de stator peuvent ne pas électriquement connectées entre elles. Des exemples de phases connectées électriquement entre elles, sont les phases connectées en étoile ou en polygonal, ce qui correspond à la connexion en triangle dans le cas triphasé.
Le convertisseur peut comprendre une pluralité de bras montés en parallèle, chaque bras comprenant deux cellules de commutation commandables, en série et séparées par un point milieu, les bras étant appariés selon des ponts en H. Chaque borne de chaque phase de l'enroulement électrique de stator peut alors être reliée à un point milieu d'un bras du
convertisseur de tension continu/alternatif.
Chaque cellule de commutation peut comprendre un interrupteur bidirectionnel en courant. Cet interrupteur utilise par exemple un transistor à effet de champ, bipolaire, ou de type IGBT.
La machine électrique peut être tournante et elle peut être une machine synchrone, notamment à rotor à aimants permanents. En variante, il peut s'agir d'une machine électrique linéaire.
La machine électrique sert par exemple à propulser un véhicule électrique ou hybride. La machine électrique a par exemple une puissance nominale comprise entre 10 W et 10 MW, par exemple entre 3 kW et 200 kW.
Le bus continu peut être relié à une unité de stockage d'énergie électrique. L'unité de stockage d'énergie électrique présente par exemple une tension nominale comprise entre 60 V et 600 V, notamment entre 200 V et 400 V. Cette unité de stockage d'énergie électrique peut comprendre une ou plusieurs batteries ou tout autre type de moyen de stockage d'énergie électrique, par exemple des supercondensateurs. L'unité de stockage d'énergie électrique est par exemple formée par des batteries en série, en parallèle ou des branches en parallèle de batteries en série.
Le bus continu peut être relié directement à l'unité de stockage d'énergie électrique ou par l'intermédiaire d'un convertisseur de tension continu/continu, comprenant le cas échéant plusieurs branches entrelacées. La charge de l'unité de stockage d'énergie électrique peut être permise grâce à une ligne d'alimentation apte à être reliée via un connecteur à un réseau électrique externe. La ligne d'alimentation peut comprendre un nombre de conducteurs égal au nombre de phases de l'enroulement électrique de stator et chaque conducteur peut avoir une extrémité reliée à un point intermédiaire d'une phase de l'enroulement électrique de stator. Le point intermédiaire de ladite phase peut être un point milieu pour ladite phase.
Le réseau électrique peut être un réseau électrique industriel géré par un opérateur. Il s'agit par exemple d'un réseau électrique fournissant une tension à une fréquence de 50 Hz ou 60 Hz. Il peut s'agir d'un réseau monophasé fournissant une tension comprise entre 120 V et 240 V ou d'un réseau polyphasé, par exemple triphasé, notamment d'un réseau triphasé fournissant une tension comprise entre 208 V et 416 V.
L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un dispositif de commande d'un convertisseur de tension continu/alternatif pour la mise en œuvre du procédé ci-dessus, le dispositif étant configuré pour :
- déterminer à partir de grandeurs électriques dudit convertisseur une image d'une grandeur mécanique de la machine électrique,
- déterminer l'écart entre la valeur de ladite grandeur mécanique et la valeur de ladite image, et
- comparer cet écart avec au moins une valeur prédéfinie, et selon le résultat de cette comparaison, commander le convertisseur de tension continu/alternatif en lui appliquant l'un d'un mode de commande normal et d'un mode de commande auxiliaire.
Dans le cas d'une application à un véhicule électrique ou hybride, le dispositif de commande peut être intégré à l'unité de contrôle moteur (ECU) ou être distinct de celle-ci.
Tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus en rapport avec le procédé s'appliquent au dispositif ci-dessus.
Dans tout ce qui précède, l'écart considéré entre la valeur de ladite grandeur mécanique et la valeur de ladite image peut s'entendre ou non comme un écart en valeur absolue. Autrement dit, par exemple dans le cas où la grandeur mécanique est le couple fourni par la machine électrique, et en conservant les notations ci-dessus, l'écart considéré peut être soit JF - rjsoiî F— Γ
Par exemple dans le cas où la grandeur mécanique est la puissance active fournie par la machine électrique, toujours avec les notations utilisées ci-dessus, l'écart considéré peut être soit
Figure imgf000007_0001
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple non limitatif de mise en œuvre de celle-ci et à l'examen du dessin annexé sur lequel : -la figure 1 représente de façon schématique un exemple d'ensemble dans lequel le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre, - la figure 2 représente de façon schématique un autre exemple d'ensemble dans lequel le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre, et
-la figure 3 représente des exemples de moyens permettant la mise en œuvre d'un exemple de procédé selon l'invention.
On a représenté à la figure 1 un exemple d'ensemble 1 dans lequel peut être mis en œuvre le procédé selon l'invention. Cet ensemble 1 comprend un convertisseur de tension continu/alternatif 2 et un dispositif de commande 3 de ce convertisseur 2.
Dans l'exemple de la figure 1, le convertisseur de tension continu/alternatif 2 appartient à un circuit électrique 4 comprenant en outre :
- une unité de stockage d'énergie électrique 5, et
- un enroulement électrique 6 de stator d'une machine électrique.
Le convertisseur de tension continu/alternatif 2 est dans cet exemple disposé entre l'unité de stockage d'énergie électrique 5 et l'enroulement électrique 6 de manière à permettre un échange d'énergie électrique entre ces derniers.
La machine électrique est dans l'exemple considéré utilisée pour entraîner un véhicule hybride ou électrique. Il s'agit par exemple d'un moteur synchrone à aimants permanents. La machine électrique présente par exemple une puissance nominale comprise entre 10W et 10 MW, étant notamment comprise entre 100W et 200kW. Dans cet exemple, l'enroulement électrique 6 de stator est triphasé.
Le dispositif de commande 3 peut comprendre tout type de circuit intégré, par exemple un ou plusieurs microcontrôleurs ou un ou plusieurs circuits logiques programmables (FPGA en anglais).
Le dispositif de commande 3 peut être intégré à l'unité de contrôle moteur (ECU) du véhicule ou être distincte de celle-ci. Dans ce dernier cas, le dispositif de commande 3 communique avec l'unité de contrôle moteur par le biais d'une liaison qui est par exemple une liaison série synchrone full duplex, telle que SPI.
L'unité de stockage d'énergie électrique 5 peut être une batterie, un super-condensateur ou tout assemblage de batteries ou de super-condensateurs. Il s'agit par exemple de plusieurs branches en parallèle de batteries en série. L'unité de stockage d'énergie électrique 5 peut avoir une tension nominale comprise entre 60 V et 800 V, notamment entre 200 V et 400 V ou entre 600 V et 800 V.
L'unité de stockage d'énergie électrique 5 est dans l'exemple décrit directement reliée au convertisseur 2 au moyen d'un bus continu 9.
Un condensateur 7 peut être monté en parallèle de l'unité de stockage d'énergie électrique 5. Comme représenté sur la figure 1 , le circuit électrique 4 peut comprendre un connecteur 8 apte à être branché à un réseau électrique industriel délivrant une tension à 50 Hz ou 60 Hz.
Ce connecteur 8 est par exemple relié, via un filtre 10 configuré pour éliminer les interférences électromagnétiques, à un point intermédiaire 11 de chaque phase 12 de l'enroulement électrique 6 de stator. Il s'agit par exemple d'un point milieu 11 pour les phases, comme enseigné dans la demande WO 2010/057893.
Le convertisseur 2 convertit dans cet exemple la tension continue aux bornes de l'unité de stockage d'énergie électrique 5 en une tension alternative triphasée alimentant l'enroulement électrique 6 de stator, pour permettre la propulsion du véhicule.
Inversement, le convertisseur 2 peut convertir la tension alternative fournie par le réseau et transitant par l'enroulement électrique 6 de stator en une tension continue alimentant l'unité de stockage d'énergie électrique 5, pour permettre la charge de celle-ci. Le connecteur 8 est alors connecté à une borne du réseau électrique.
Le convertisseur 2 comprend ici trois ponts en H 20, chaque pont en H étant formé par deux bras montés en parallèle entre les bornes de l'unité de stockage d'énergie électrique 5. Chaque bras présente dans cet exemple deux cellules de commutation commandables 21 réversibles et montées en série. Une cellule de commutation 21 est par exemple formée par le montage en antiparallèle d'un transistor et d'une diode, cette dernière étant le cas échéant la diode intrinsèque du transistor. Le transistor peut être à effet de champ, de type IGBT ou bipolaire.
Les cellules de commutation 21 sont commandées par le dispositif 3, comme cela sera décrit par la suite.
Dans l'exemple de la figure 1, le circuit 4 est dépourvu de convertisseur de tension continu/continu interposé entre l'unité de stockage d'énergie électrique 5 et le convertisseur de tension continu/alternatif 2.
La figure 2 représente un ensemble 1 selon un deuxième exemple de mise en œuvre de l'invention. Cet ensemble 1 diffère de celle qui vient d'être décrit en référence à la figure 1 par le fait que le circuit électrique 4 comprend en outre un convertisseur de tension continu/continu 25 interposé entre le condensateur 7 et l'unité de stockage d'énergie électrique 5, c'est-à-dire que le convertisseur 25 est également disposé entre ladite unité 5 et le convertisseur de tension continu/alternatif 2. Le bus continu 9 est alors interposé entre le convertisseur de tension continu/continu 25 et le convertisseur de tension continu/alternatif 2.
Le convertisseur de tension continu/continu 25 permet d'adapter la valeur de la tension aux bornes de l'unité de stockage d'énergie électrique 5 à la valeur de la tension apte à alimenter l'enroulement électrique 6 de stator, et réciproquement. Ce convertisseur 25 est ici entrelacé, comprenant plusieurs branches. Chaque branche comprend dans cet exemple: - un bras monté en parallèle du condensateur 7 et comprenant deux cellules de commutation 27 en série commandables et séparées par un point milieu 28,
- une bobine 29 ayant une extrémité reliée au point milieu 28 du bras et l'autre extrémité reliée à la borne positive haute tension de l'unité de stockage d'énergie électrique 5.
Dans l'exemple considéré, le nombre de branches du convertisseur 25 est égal au nombre de bras du convertisseur 2, c'est-à-dire six, et les branches sont appariées, la bobine 29 d'une branche d'une paire 30 étant en couplage magnétique avec la bobine 29 de l'autre branche de ladite paire 30.
Dans cet exemple, les cellules de commutation 21 du convertisseur de tension
continu/alternatif 2, ainsi le cas échéant que les cellules de commutation 27 du convertisseur de tension continu/continu 25, sont commandées par le dispositif de commande 3.
Comme représenté sur la figure 3, le dispositif de commande 3 reçoit des informations relatives à des grandeurs électriques du convertisseur de tension continu/alternatif 2 et des informations relatives à une ou plusieurs grandeurs mécaniques de la machine électrique tournante.
Dans l'exemple décrit, un ampèremètre 40 permet de mesurer le courant parcourant le bus continu 9, et un voltmètre 41 permet de mesurer la tension aux bornes du bus continu 9. Les grandeurs électriques considérées sont dans cet exemple le courant et la tension sur l'interface continue du convertisseur 2. L'ampèremètre est par exemple obtenu à l'aide d'un capteur à effet Hall, par exemple la puce MLX91206 commercialisé par la société MELEXISR.
Un capteur de vitesse 43 permet dans l'exemple considéré de mesurer la vitesse de rotation de la machine électrique tournante.
Le dispositif de commande 3 est par exemple configuré pour commander le convertisseur de tension continu/alternatif 2, c'est-à-dire plus précisément ses cellules de commutation 21, en contrôlant le couple fourni par la machine électrique tournante.
Pour ce faire, le dispositif de commande 3 détermine par exemple l'écart entre la valeur de consigne Γ pour ce couple, qui lui est notamment fournie par l'unité de contrôle moteur, et la valeur d'une image Γ' de couple qui est obtenue dans l'exemple considéré à l'aide des grandeurs électriques mentionnées ci-dessus.
Pour obtenir la valeur de l'image Γ', le dispositif de commande 3 peut également faire intervenir un paramètre η traduisant le rendement de la conversion d'énergie mécanique en énergie électrique dans la machine électrique tournante.
La valeur de l'image T'est dans le cas présent obtenue à l'aide de l'équation suivante : Ue, le et Ω désignant respectivement la tension mesurée par le voltmètre 41 , le courant mesuré par l'ampèremètre 40, et la vitesse mesurée de la machine électrique.
La valeur de cet écart est ensuite utilisée pour décider ou non de modifier le mode de commande du convertisseur de tension continu/alternatif 2, par exemple pour passer d'un mode de commande normal à un mode de commande auxiliaire.
Lorsque la valeur de l'écart entre la valeur de l'image du couple Γ' et la valeur de consigne Γ pour ce couple est supérieure à une valeur prédéfinie qui est ici un pourcentage donné %Γ de ladite valeur de consigne, le dispositif de commande 3 peut passer d'un mode de commande normal à un mode de commande auxiliaire. Le test ci-dessous est par exemple utilisé par le dispositif de commande 3 :
; Π - Π > %Γ
Selon un exemple de mode de commande normal, le dispositif de commande 3 peut agir sur chaque pont en H 20 du convertisseur 2 en appliquant des valeurs de rapport cyclique aux interrupteurs des cellules de commutation 21 dudit pont en H 20 de manière à répondre à la consigne de couple permettant de propulser le véhicule selon les performances attendues.
Selon un exemple de mode de commande auxiliaire, tout ou partie des phases de l'enroulement électrique de stator 6 est court-circuité. Dans l'exemple considéré, cela revient à agir pour au moins une phase sur l'état des cellules de commutation 21 du pont en H 20 associé à ladite phase, de manière à mettre en court-circuit les deux bornes de ladite phase.
Le cas échéant, la valeur de %Γ n'est pas unique mais peut varier selon le régime de la machine électrique tournante. Plusieurs valeurs de %Γ peuvent être stockées dans un registre du dispositif de commande 3 et chacune de ces valeurs peut être associée à une plage de vitesse de la machine électrique tournante.
L'invention n'est pas limitée à l'exemple qui vient d'être décrit.
En particulier, d'autres grandeurs mécaniques associées à la machine électrique tournante que le couple fourni par cette dernière peuvent être utilisées pour commander le convertisseur de tension continu/alternatif 2, par exemple la puissance active fournie par la machine électrique.
L'expression « comprenant un » doit être comprise comme synonyme de l'expression
« comprenant au moins un », sauf lorsque le contraire est spécifié.

Claims

Revendications
1. Procédé de commande d'un convertisseur de tension continu/alternatif (2) interposé entre un bus continu (9) et l'enroulement électrique de stator (6) d'une machine électrique, procédé dans lequel :
- on détermine l'écart entre la valeur d'une grandeur mécanique (Γ) de la machine électrique et la valeur d'une image (Γ') de ladite grandeur, cette image (Γ') étant obtenue à l'aide de grandeurs électriques (le, Ue) du convertisseur de tension continu/alternatif (2) et,
- on compare cet écart avec au moins une valeur prédéfinie (%Γ), et selon le résultat de cette comparaison, on commande le convertisseur de tension continu/alternatif (2) en lui appliquant l'un d'un mode de commande normal et d'un mode de commande auxiliaire.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'image (Γ') de ladite grandeur mécanique (Γ) est obtenue en fonction du courant électrique (le) parcourant le bus continu (9) et de la tension (Ue) mesurée aux bornes du bus continu (9).
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'image (Γ') de ladite grandeur mécanique (Γ) est obtenue en fonction d'un paramètre (η) traduisant le rendement de la conversion d'énergie électrique en énergie mécanique dans la machine électrique.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la grandeur mécanique est le couple (Γ) fourni par la machine électrique et dans lequel on détermine l'écart entre:
- la valeur de consigne pour ce couple (Γ), et
- la valeur de l'image (Γ') de ce couple obtenue à l'aide de grandeurs électriques (le, Ue) du convertisseur de tension continu/alternatif (2).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la grandeur mécanique est la puissance active fournie par la machine électrique et dans lequel on détermine l'écart entre : - le produit de la valeur de consigne pour le couple (Γ) fourni par la machine électrique et de la vitesse (Ω) mesurée de ladite machine, et
-la valeur de l'image de cette puissance active obtenue à l'aide de grandeurs électriques (le, Ue) du convertisseur de tension continu/alternatif (2).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'enroulement électrique de stator (6) est polyphasé, notamment triphasé.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel les différentes phases de l'enroulement électrique de stator (6) ne sont pas électriquement connectées entre elles.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique est une machine synchrone, notamment à aimants permanents.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique sert à propulser un véhicule électrique ou hybride.
10. Dispositif de commande (3) d'un convertisseur de tension continu/alternatif (2) pour la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, le dispositif (3) étant configuré pour :
- déterminer à partir de grandeurs électriques (le, Ue) dudit convertisseur (2) une image (Γ') d'une grandeur mécanique (Γ) de la machine électrique,
- déterminer l'écart entre la valeur de ladite grandeur mécanique (Γ) et la valeur de ladite image (Γ), et
- comparer cet écart avec au moins une valeur prédéfinie (%Γ) et, selon le résultat de cette comparaison, commander le convertisseur de tension continu/alternatif (2) en lui appliquant l'un d'un mode de commande normal et d'un mode de commande auxiliaire.
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