Brevet FR2304211A1 — publié le 19761008

La pressente invention concerne les generateurs de courant realises à î'aide d'un pont redresseur (gttarateur unidirectionnel) ou de deux ponts redresseurs tête-bêche (generateur bidirectionnel) a redresseurs commandes associés 8 une boucle de régulation de courant, afin de conferer au système des perfor ances dynamiques independantes du uode de conduction du pont redresseur. Ces generateurs de courant sont très utilises dans les systèmes electrosecaniques. Ils constituent souvent une boucle de régulation interne d'un sys teia plus cosplese, tel, par exemple, qu'un variateur de vitesse. Comme les performances d'un système de commande à boucles multiples sont limitées par les perforasnces de la boucle interne, il est nécessaire de réaliser des régulations de courant ayant des caractéristiques dynamiques excellentes sur toute leur plage de fonctionnement. I1 est bien connu que l'utilisation d'un régulateur classique '9roportionnel Intégral" dans un générateur de courant å pont redresseur a thyristors ne permet pas l'obtention de bonnes performances lorsque le courant a travers le pont est haché, c'est-è-dire lorsque l'onde de courant est constituée d'impulsions de durée variable.Les performances transitoires sont variables a cause de la variation des caractéristiques dynamiques d'un pont redresseur en fonction du ode de conduction des thyristors et plus précisément en fonction du rapport cyclique de l'onde de courant, défini comme étant le rapport entre la durée des impulsions de courant et la période de l'onde de courant débitée par le pont redresseur. En effet, une étude des caractéristiques du procédé montre que le gain en boucle ouverte dtun systeme de régulation de courant est constant en régime de conduction continue mais variable en fonction du rapport cyclique de l'onde de courant en régime de conduction discontinue.Cette variation suit approximativement une loi exponentielle décroissante telle que le gain en boucle ouverte du srsteoe peut être considérablement plus faible en régime de courant haché qu'en reime de courant continu. Ainsi, un régulateur bien ajusté pour un régime de conduction continue donnera des performances dynamiques d'autant plus mauvaises en conduction discontinues que le rapport cyclique de l'onde de courant sera petit. Âetuellement, pour realiser des générateurs de courant doués de bonnes performances transitoires, on utilise des ponts redresseurs tête-bêche à thyristors avec circulation d'un courant de court-circuit, limité par des selfs, entre deux ponts dits à "courant de circulation". Ces dispositifs sont d'un prix de revient élevé, en particulier à cause des selfs de limitation de courant, et d'un encombrement important, et ils donnent des performances qui ne sont pas pleinement satisfaisantes. Oû a défini suivar la présente invention, une disposition de commande adaptative spécifique qui permet la réalisation de générateurs de courant ayant des performances dynamiques quasi-indépendantes du mode de conduction du pont redresseur à thyristors, meme Si celui-ci n'est pas du type "à courant de circulation". Cette disposition de commande comporte un régulateur adaptatif adjoint à un régulateur classique "Pro-- tionnel Intégral" qui peut nota ent être celui actuellement utilisé dans ce type de générateurs. Le régulateur adaptatif est utilisable sur un générateur à ponts triphasés ou à ponts monophasés quelle que soit la frequence du réseau d'alimentation. Ce régulateur adaptatif comporte un bloc de calcul qui synthétise, à partir de la mesure du courant débité par le générateur de courant et de la valeur désirée de ce courant, un signal de correction qui est additionné au signal de sortie du régulateur "Proportionnel Intégral" afin de former le signal d'entrée du bloc de commande des portes des redresseurs commandés constituant le pont redresseur. Ce bloc de calcul réalise, à partir de la forme de l'onde de courant à la sortie du générateur, une estimation des paramètres dynamiques du procédé constitué par le bloc de commande des portes des redresseurs commandés, le ou les ponts redresseurs du générateur et la charge alimentée par ce générateur. Cette estimation permet de piloter en temps réel un modèle ajustable de ce procédé qui fournit une mesure de la valeur du courant généré par le ou les ponts redresseurs avec une anticipation moyenne d'une période de la tension redressée (soit 1Oms pour un réseau monophasé 50 Hz ou 3,33ms pour un réseau triphasé 50Hz). Cette estimation prédictive de la valeur du courant généré est comparée à la valeur désirée de ce courant afin de définir un signal d'erreur. Ce signal d'erreur est pondéré par un gain piloté en fonction de la valeur estimée des paramètres dynamiques du procédé afin de former un signal qui est additionné avec le signal de sortie du régulateur classique "Proportionnel Intégral" pour définir le signal d'entrée du bloc de commande des portes des redresseurs commandes. l'invention a, de manière plus précise, pour objet une disposition de commande d'un générateur de courant qui comporte des redresseurs commandés et qui fournit à une charge des impulsions de courant de durée tc et de période T, comprenant un régulateur proportionnel et intégral qui reçoit un signal d'écart constitue par la différence entre un signal de référence de courant et un signal de mesure du courant à la sortie du générateur et qui émet un signal de sortie envoyé sur un bloc de commande des portes des redresseurs commandés, caractérisée en ce qu'elle comporte aussi un régulateur adaptif qui émet un signal de correction et un additionneur qui ajoute ce signal de correction au signal de sortie du régulateur proportionnel et intégral pour former le signal d'entrée dudit bloc de commande, et en ce que ce régulateur adaptatif comprend un bloc de calcul non linéaire qui reçoit le signal de mesure non filtrée du courant à la sortie du générateur et calcule, d'après ce signal de mesure, un signal de gain de la forme : tT un multiplieur qui reçoit le signal d'entrée dudit bloc de commande et ledit signal de gain et fournit en multipliant ces deux signaux un signal d'estimation prédictive de la valeur du courant généré, un comparateur qui compare ce signal d'estimation prédictive et le signal de référence de courant et produit un signal d'erreur, et un diviseur qui divise ce signal d'erreur par le signal de gain et fournit le signal de correction. Cette disposition assure l'obtention de performances dynamiques constantes quel que soit le rapport cyclique de l'onde du courant généré, donc quel que soit le point de fonctionnement du générateur de courant. De plus, pour un générateur bidirectionnel, dans le but de diminuer au maximum le temps de réponse du dispositif lors d'un changement de sens du courant généré, cwest- -dire lors dlun changement du pont redresseur qui est conducteur, on peut adjoindre à la disposition de commande, un dispositif dit de "prépositionnement". Le rôle de ce dispositif est de fournir un signal d'anplitude ajustable dont le signe est défini par le signe du signal de référence de courant et qui est ajouté au signal de sortie dudit additionneur de la dis position de commande. L'amplitude de ce signal est déterminée pour compenser exactement la zone morte qui existe sur la tension de commande de portes afin que l'intégrateur du régulateur "Proportionnel Intégral" n'ait pas à faire ce travail, d'où une diminution du temps de réponse lors d'un changement de sens du courant débité, Ce dispositif de prépositionnement est réalisé en reliant la sortie dudit additionneur à une entrée d'un-deuxi & e additionneur dont une autre entrée est reliée à un circuit élaborant un signal dit de prépositionnement, d'amplitude ajustable et de meme signe que la référence de courant, et dont la sortie est reliée à l'entrée du bloc de commande des portes. D'autres caractéristiques de l'invention et des modes de réalisation de celle-ci ressortiront de la description qui va être donnée à l'aide des figures schématiques jointes. La figure 1 représente le schéma de principe classique d'un générateur de courant du type considéré. La figure 2 montre un schéma analogue dans lequel on a introduit la dis position de commande selon l'invention. Les figures 3 et 4 montrent la forme de l'onde du courant généré par un pont de redresseurs commandés, respectivement dans le cas d'une conduction discontinue et dans le cas d'une conduction continue. ta figure 5 montre la structure générale d'un générateur -de courant conforme a l'inx en wior. La figure 6 représente la caractéristique de transfert d'un élément constitutif du bloc de calcul. La figure 7 donne le schéma electronique d'un élément constituf du bloc de calcul. La figure 8 représente l'évolutic du signal de gain pour une onde de courant de rapport cyclique tc/T constant. La figure 9 représente un schéma sous forme analogique d'une disposition de commande adaptative concorme à l'invention. Les figures 10 et 11 donnent un exemple de variation du courant généré I en fonction du temps t, permettant de comparer les performances transitoires d'un générateur de courant utilisant des ponts à redresseurs commandés lors d'un changement instantané du signe du signal de référence de courant, obtenues d'une part avec un régulateur classique "Proportionnel Intégral" et d'autre part avec la disposition adaptative objet de l'invention. La figue 12 représente l n schéma d'un dispositif de prepositior.nement de la disposition de commande. La figure 13 définit la caractéristique de transfert d'un élément non linéaire du dispositif de nrrpositionnement. La figure 14 montre la forme générale de la caractéristique statique définissant la variation du courant fourni par le générateur en fonction de la tension d'entrée du bloc de commande des portes des redresseurs commandés du pont redresseur, Les figures 15 et 16 représentent des variations dans le temlrBs du courant fourni par un générateur a une charge constituée par un moteur à courant continu, et de la vitesse de ce moteur respectivement dans Ime commande selon l'invention et dans une commande classique. Le scnc;.u de la figure 1 représente la structure bien connue des géné- rateurs de ourant utilisant dex ponts tête-bêche à thyristors 1 et du bloc de commande 2 des portes de ces thyristors, l1électronique de commande pouvant être "linéaire" (l'angle de retard à l'allumage des thyristors est une fonction linéaire de la tension de commande 3) ou "linéarisée" (l'angle de retard à l'allumage des thyristors est une fonction Arc sin de cette tension de commande). Le pont redresseur 1 débite dans une charge électrique 4, généralement du type inductive.Afin de constituer un générateur de courant, on asservit le courant 5 débité dans la charge 4 à suivre une référence de courant 6 en mettant en oeuvre un régulateur 7 et une boucle de contre-réaction utilisant un signal 8, obtenu grâce a un capteur 9 de mesure du courant débité dans la charge 4. Généralement, le régulateur 7 est du type "Propcrionnel Intégral" à paramètres constants. Comme on le voit sur la figure 2, l'invention ajoute un régulateur adap tatif 10 qui peut être adjoint à un système de commande classique afin de lui conférer des performances transitoires indépendantes du mode de conduction du pont redresseur. Ce régulateur adaptatif reçoit le signal 8 de mesure non filtrée du courant débité dans la charge 4, la référence de courant 6, ainsi que le signal d'entrée il du bloc de onde 2, afin de synthétiser un signal de correction 12 qui est additionné, dans un additionneur 13, au signal 3 de sortie du régulateur "Proportionnel Intégral" 7, afin de constituer un signal d'entrée il assurant des performances transitoires indépendantes du mode de conduction du pont redresseur 1.En effet, le courant 5 traversant la charge 4 peut être du type discontinu de rapport cyclique Tc/T con- on l'a représenté sur la figure 3, ou continu comme représenté sur la figure 4, selon la valeur moyenne désirée fixée par la référence de courant 6. I1 est bien connu que le générateur de courant classique représenté sur la figure I ne permet pas l'obtention de performances dynamiques acceptables quel que soit le type de conduction du pont, et, pour un régime de conduction discontinue, quel que doit le rapport cyclique tc/T de l'onde de courant.Cela est du au fait que le gain dynamique K qui caractérise la fonction de transfert existant entre le signal 8 de mesure du courant et la tension de commande 3 est, en première approximation, une fonction exponentielle du rapport cyclique tc/T de la forme : K = A(l-e - tc/T) où A est un gain constant. En prenant en compte le temps tB de blocage du pont redresseur (tg = T - tc) on peut montrer que le gain K est approximativement une fonction décroissante de tB de la forme K @ A (l - tB/T) = A tc/T En conséquence, le gain X est d'autant plus faible que le temps de conduction tc est petit donc que le temps de blocage tB est grand. Ainsi, un régu- lateur classique ne peut assurer des performances dynamiques constantes lorsque tc varie. La figure 5 fait apparaître la constitution du régulateur adaptatif 10. Ce régulateur comprend un bloc de calcul non linéaire 14 qui élabore, à partir du signal 8 de la mesure non filtrée du courant dans la charge 4, une estimation du rapport cyclique de l'onde de courant 5 et qui calcule selon le formule pré- cédemment donnée la valeur du gain K du procédé correspond-lut à ce rapport cyclique. Le signal 15 de sortie du bloc 14 est le mesure du gain K. Ce signal de gain 15 multiplie le signal 11 darus un multiplieur @ @ @@@tie duquel on obtientun signal 17 d'estimation prédictive de la valeur à courant généré puisque @ ou @@@@@@@@@@ du retard par introduit par l@ @@@@@@@ @@@@@ à @@@ @ @ @@@ comparateur 18 le signal 6 de référence @@ courant à @@ avec le signal 17 d'estimation du courant* on définit un signal d'erreur 19 qui est une anticipation de l'erreur. Ce signal d'erreur 19 est amplifié par un amplificateur 20, puis divisé dans un diviseur 21 par la valeur du signal 15 afin de former le signal de correction 12. Grâce au diviseur 21, le gain de boucle de régulation constituée par les signaux 11, 17, 19, 12 est constant puisque, si l'on multiplie le gain par K dans le multiplieur 16, on le multiplie ensuite par 1/K dans le diviseur 21. Ainsi, les caractéristiques de cette boucle de régulation sont indépendantes de la valeur du rapport cyclique de l'onde de courant. Le bloc de calcul 14, qui génère les signaux 15 à partir, du signal de mesure courant 8, se compose d'un dispositif d'entrée 22 à caractéristique "tout ou rien" avec seuil, qui produit en 23 un signal en créneauxd d'amplitude calibrée mais tel que la largeur des créneaux soit égale au temps de conduction tc, et d'un dispositif 24 dont la fonction de transfert est définie par la relation donnée précédemmententre K et tB/T qui reçoit le signal 23 et fournit le signal de gain 15. La figure 6 représente la caractéristique du dispositif d'entrée 22, E étant le signal d'entrée 8 et S le signal de sortie 23. Une zone morte (-c, +c) permet de s'affranchir des difficultés qui pourraient provenir d'une mauvaise définition du signal 8 de mesure du courant autour de zéro La figure 7 représente un schéma de réalisation du dispositif 24 constitué d'une diode Si en serte avec une résistance 25 en parallèle avec une capacité 26, le signal 15 étant préleve aux bornes de la capacité. En effet, l'équation liant le gain K au temps de blocage tB du pont redresseur est approximativement l'équation de décharge d'une capacité.Ainsi, si le circuit 24 est attaqué par le signal en créneaux 23, le signal 15 sera tel que représenté sur la figure 8 et la valeur de t sera donnée par la tension Vc aux bornes de la capacite 26 au bout du temps tB > si la constante de temps du circuit "résistance 25, capacité 26" est choisie égale à T (10ms pour un pont monophasé 50 Hz, 3,33ms pour un pont triphaçé 50 Hz). La diode 27 permet l'initialisation du bloc de calcul à la tension nominale 9e cadrage Vmax durant tc. La rigure 9 représente un des schémas électroniques possibles de l'ensemble de commande constitué par les régulateurs 7 et 10 ainsi que les divers sommateurs mis en oeu- fia de générer le signal d'action 11 à partir des signaux de mesure du c rnilL' TO? filtrée 8 et de référence de courant 6 selon la description précédente. On a figuré lp voie 28 à gain proportionnel et la Joie 29 a gain intégral du rguSate r 7 Le dispositif d'entrée 22 se eompose d'amplificateurs 30, 31 à très grands gains avec un système de diodes 32, 33 donnant des créneaux de même signe. Un comparateur 34 compare le signal en créneaux fourni par les amplificateurs 30, 31 à une référence réglée par un potentiomètre 35, de manière à introduire un seuil. Les autres organes de ce schéma ont déjà été mentionnés préCédemment. Les qualités de ltorgane de commande adaptative ressortent des figures 10 et 11 qui permettent de comparer les réponses transitoires d'un générateur de courant utilisant un régulateur classique "Proportionnel Intégral" et celles obtenues si l'on utilise l'organe de commande adaptative. On constate que pour un signal 6 de référence de courant, changeant instantanément de signe, la commande adaptative assure un changement de sens du courant généré I beaucoup plus rapide que celui obtenu avec un régulateur 'tProportionnel Intégral" classique. Afin d'améliorer les performances transitoires lors d'un changement de sens du courant généré, donc lors d'un changement du pont conducteur, il est possible de "prépositionner" la disposition de commande à l'aide du schéma représenté sur la figure 12. Afin de former le signal d'action 11, on ajoute au n signal somme des signaux 3 et 12 sortant de l'additionneur 13 un signal de prépositionnement 36 obtenu à partir du signal de référence de courant 6. L'amplitude du signal 36 est indépendante de la valeur du signal 6 alors que le signe de 36 est identique au signe de 6. Ce signal 36 est obtenu par l'intermédiaire d'un bloc non linéaire 37 et d'un amplificateur à gain ajustable 38 et il arrive sur une entrée d'un deuxième additionneur 39 recevant le signal de sortie de l'additionneur 13 et fournissant, en sortie, le signal 11. Ce dispositif permet de faire rapidement l'importante variation du signal action Il nécessaire lors des changements de pont conducteur sans que l'intégrateur de la voie 29 du régulateur 7 ait à évoluer sensiblement La figure 13 représente la caractéristique du bloc non-linéaire 37, S désignant la sortie de ce bloc et E l'entrée. Cette caracteristique du type relais est doué d'un hystérésis afin d'éviter les battements lors du passage par zéro du signal d'entrée 6. La figure 14 représente la caractéristique statique du procedé où Uc est le signal d'action il et I le courant généré 5. Connaissant cette caractéristique pour un générateur donné 1, on peut déterminer le gain k de l'amplifi- cateur 38 qui devra être tel que la tension de sortie de l'amplificateur 38 soit égale à la tension Uc d'entrée du bloc de commande des portes des redresseurs o qui correspond au début de la conduction. Uc = S K uco =Sm.K S étant l'amplitude du signal de sortie du bloc 37. L'utilisation du régulateur de courant adaptatif, objet de l'invention, dans @@@@@@@ @@@@ afin de réaliser la boucle d'asservissement du courant d'induit permet d'améliorer sensiblement les performances du variateur. Les figures 15 et 16 montrent les réponses transitoires de la vitesse N d'un moteur électrique à courant continu dans le cas de la mise en oeuvre d'une régulation de courant d'induit classique à régulateur "Proportionnel-Intégral" (figure 16) et dans le cas de la mise en oeuvre de ' commande adaptative (figure 15). Lorsque l'on utilise la commande adaptative de courant, les réponses transitoires de la boucle de régulation de courant d'induit I sont sensiblement constantes, même lors d'un changement du pont redresseur conducteur ; en conséquence, les réponses transitoires de la vitesse du moteur sont quasi identiques pour une accélération ou pour une décélération, ce qui n'est pas vrai si l'on utilise un régulateur "Proportionnel Intégral" classique. REVENDICATIONS 1/ Disposition de commande d'un générateur de courant qui comporte des redresseurs commandés et qui fournit à une charge des impulsions de courant de durée tc et de période T, comprenant un régulateur proportionnel et intégral qui reçoit un signal d'écart constitué par la différence entre un signal de référence de courant et un signal de mesure du courant à la sortie du générateur et qui émet un signal de sortie envoyé sur un bloc de commande des portes des redresseurs commandés, caractériséeen ce qu'elle comporte aussi un régulateur adaptatif (10) qui émet un signal de correction (12) et un additionneur (13) qui ajoute ce signal de correction (12) au signal (3) de sortie du régulateur proportionnel et intégral (7) pour former le signal d'entrée (11) dudit bloc de commande (2), et en ce que ce régulateur adaptatif comprend un bloc de calcul non linéaire (14) qui reçoit le signal (8) de mesure non filtrée du courant à la sortie du générateur et calcule, d'après ce signal de mesure, un signal de gain (15) de la forme : Tc/T , un multiplieur (16) qui reçoit le signal (11) d'entrée dudit bloc de ce lande et leditSsignal de gain (15) et fournit en multipliant ces deux signaux un signal (17) d'estimation prédictive de la valeur du courant généré, un comparateur (18) qui compare ce signal d'estimation prédictive (17) et le signal (6) de référence de courant et produit un signal d'erreur (19) et un diviseur (21) qui divise ce signal d'erreur (19) par le signal de gain (15) et fournit le signal de correction (12). 2/ Disposition de commande selon la revendication 1, dans laquelle le bloc de calcul non linéaire (14) comprend un dispositif d'entrée (22) à caractéristique "tout ou rienu avec un seuil, qui reçoit le signal (8) de mesure non filtrée du courant à la sortie du générateur et qui fournit un signal (23) en créneaux d'amplitude calibrée et de largeur égale à la durée tc des impulsions du courant a la sortie du générateur, caractérisée en ce que ledit dispositif d'entrée (22) est suivi d'un montage (24) en série d'une diode (27) avec une résistance (25) et une capacité (26) en'parallèle dont la constante de temps est égale à la période T du courant à la sortie du générateur, ledit signal de gain (15) étant prélevé aux bornes de la capacité (26). 3/ Disposition de commande selon ltune des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit additionneur (13) est suivi d'un deuxième additionneur (39? qui ajoute au signal sortant dudit additionneur (13) uu signal de prépositionnement (36) d'amplitude ajustable et de même signe que le signal de référence de courant (6). 4/ Disposition de commande selon la revendication 3, saracteri+ en ce que le signal de prépositionnement (36) est produit par le montage n série dtun comparateur à hystérésis (37) recevant le signal de référence de courant (6) et @@@@ @@ @@@@@@@@@@@ @@@ ajustable (38) qui donne une tension de sortie dlam- plitude égale à l'amplitude de la tension à l'entrée dudit bloc de commande (2) correspondant au début de la conduction des redresseurs commandés du générateur (1).