Brevet FR2461398A1 — publié le 19810130

La présente invention concerne un procédé et un appa- reil pour commander l'alimentation d'un moteur électrique. Il est connu de fournir de l'énergie à un moteur élec- trique à partir d'une source de courant continu, telle qu'une batterie d'accumulateur, par l'intermédiaire d'un interrupteur électronique tel qu'un thyristor. L'interrupteur peut être successivement fermé et ouvert à une cadence élevée de manière à appliquer des impulsions de courant au moteur, le rapport cyclique des impulsions déterminant l'ac- célaration et la vitesse du moteur. Un procédé connu pour commander un moteur de traction à courant continu du type série consiste à faire varier le rapport cyclique des impulsions et par conséquent la tension efficace appliquée au moteur en réponse à un signal d'ordre produit par une pédale d'ac- célarateur et représentant l'accélération désirée pour le moteur. Un système limitant le courant maximal du moteur ou la puissance de sortie maximale du moteur est souvent prévu pour éviter que des dommages soient causés au moteur ou aux composants entraînés par ce dernier Un tel système de limitation est décrit dans le brevet américain No 3 914 671 et ce système permet de fixer une valeur maximale pour le rapport cyclique, et ce pour une valeur donnée du courant du moteur. Ce système de limitation empêche ainsi automatiquement que l'on puisse sélectionner un rapport cyclique entraînant dans le moteur un courant dépassant les limites admissibles. Un tel système de limitation peut être utilisé à la fois avec des moteurs série et des moteurs shunt. Il est bien connu que la vitesse maximale d'un moteur électrique série peut être effectivement accrue en réduisant le cou- rant à traversl'enroulement d'excitation et en diminuant par consé- quent le champ d'excitation du moteur produit. Conventionnellement ceci a été réalisé en dérivant une proportion du courant d'induit le long d'un circuit de courant parallèle à l'enroulement d'excitation. Un tel circuit d'affaiblissement du champ d'excitation est décrit dans le brevet anglais N0 1 136 253. Bien que, comme il a été indiqué ci-dessus, il soit connu depuis longtemps de prévoir des circuits de commande dans les- quels le rapport cycliquedesimpulsiom et l'intensité du champ d'excita- tion sont modifiés automatiquement pour éviter une surcharge du mo- teur ou un emballement de la vitesse, ces circuits de commande ne pré- sentent pas une commande interdépendante directe du rapport cyclique 246139 8 et de l'intensité du champ, sauf dans des conditions de limitation. A titre d'exemple d'une telle condition de limitation, avec le circuit décrit dans le brevet anglais N0 1 136 253, la réduction du champ a lieu lorsque le rapport cyclique des impulsions atteint son maximum et qu'un accroissement additionnel de la vitesse est demandé. Il est devenu de plus en plus important d'améliorer le rendement des systèmes électriques et en particulier ceux des moteurs alimentés par des batteries. On s'est maintenant rendu compte que les pertes d'énergie entraînées par ces systèmes dépendent dans une certaine mesure de la relation existant entre le rapport cyclique des impulsions et l'intensité du champ. Il en est ainsi parce que les pertes d'énergie dans le champ augmentent relativement rapidement avec un accroissement de l'intensité du champ tandis que les pertes d'énergie dues aux résis- tances de la batterie et du moteur diminuent relativement progressive- ment avec l'accroissement de l'intensité du champ. Pour une exigence donnée en matière de puissance de sortie d'un moteur, on peut sélection- ner une gamme de relations entre le rapport cyclique et l'intensité du champ. En sélectionnant la relation qui réduit au minimum les pertes d'énergie, on peut accroître le rendement global du système. Suivant l'invention ce procédé pour commander l'alimen- tation d'un moteur électrique dans lequel des impulsions de courant sont appliquées au moteur à partir d'une source d'énergie électrique, le rapport cyclique des impulsions et l'intensité du champ d'excitation du moteur étant commandés de manière à déterminer la vitesse de sortie et le couple du moteur, est caractérisé en ce qu'on établit une informa- tion représentant la vitesse du moteur et le couple désiré devant être fourni par ce moteur à cette vitesse, on détermine une information qui représente l'intensité du champ du moteur et le rapport cyclique des impulsions nécessaires pour fournir le couple désiré à la vitesse éta- blie, de telle façon que les pertes d'énergie soient réduites au mini- mum, et on commande l'intensité du champ d'excitation du moteur et le rapport cyclique des impulsions conformément à ladite information dé- terminée. L'invention a également pour objet un appareil pour commander l'alimentation d'un moteur électrique, comprenant des moyens pour appliquer des impulsions de courant au moteur à partir d'une sour- ce d'énergie électrique et des moyens pour commander le rapport cy- clique des impulsions et l'intensité du champ d'excitation du moteur 246139 8 de manière à déterminer la vitesse de sortie et le couple du moteur, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour fournir une infor- mation représentant la vitesse du moteur et le couple devant être développé par ce moteur à cette vitesse, et des moyens sont également prévus pour déterminer une information représentant le rapport cycli- que des impulsions et l'intensité du champ d'excitation du moteur nécessaires pour fournir le couple demandé à la vitesse donnée, de telle façon que les pertes d'énergie soient réduites au minimum, ces moyens de commande étant actifs pour commander l'intensité du champ d'excitation du moteur et le rapport cyclique des impulsions conformé- ment à ladite information déterminée. De préférence la vitesse du moteur et les exigences en matière de couple sont surveillées à des intervalles prédétermi- nés de manière à permettre un ajustement périodique du rapport cyclique et de l'intensité du champ. Un microprocesseur peut être prévu pour déterminer la relation la plus efficace entre le rapport cyclique des impulsions et l'intensité du champ. Le microprocesseur peut être programmé de manière à calculer l'information nécessaire à partir de l'information relative à la vitesse donnée du moteur et au couple et également à partir des caractéristiques connues du moteur. Suivant une variante le microprocesseur peut être programmé de manière à pouvoir lire une information calculée antérieurement et stockée dans une mé- moire, chaque adresse de mémoire correspondant à une vitesse du moteur et une exigence en matière de couple particulières. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est un schéma électrique d'un circuit de commande d'un moteur électrique série suivant l'invention. La figure 2 est un diagramme illustrant des courbes la qui représentent la variation de/vitesse du moteur de la figure 1 en fonction du temps, pour une série de différents réglages de la pédale d'accélérateur. La figure 3 est un diagramme illustrant des courbes qui représentent la variation des pertes d'énergie, en fonction de l'intensité du champ, pour le moteur de la figure 1, ces pertes résul- tant des divers facteurs. La figure 4 est un schéma électrique d'un circuit d'affaiblissement du champ qui peut être utilisé dans les formes d'exé- cution de l'invention. Si on se référe à la figure l,on voit que le circuit illustré comprend un moteur série comportant un induit 1 et un enrou- lement d'excitation 2 connectés aux bornes d'une batterie 3. Un inter- rupteur à courant continu 4, branché en série avec le moteur, est com- mandé de manière à être soit ouvert soit fermé, et ce par des impulsions provenant d'un contrôleur 5. Un circuit d'affaiblissement du champ 6 peut être commandé par le contrôleur 5 pour dériver, à l'écart de l'en- roulement d'excitation 2, une partie du courant passant à travers l'in- duit du moteur. Le contrôleur 5 répond au signal de sortie d'une pédale d'accélérateur 7 actionnée par l'opérateur, ce signal de sortie exi- geant un couple de sortie du moteur qui diminue lorsque la vitesse aug- mente, et il répond également au signal de sortie d'un tachymètre 8. Le contrôleur est également connecté à une mémoire fixe programmable 9, comme il sera décrit plus loin. La connaissance de la vitesse du moteur permet de dé- terminer la valeur du couple du moteur. Le contrôleur 5 détermine le rapport entre l'intensité du champ et le rapport cyclique des impul- sions. La mémoire 9 contient une information précalculée qui est relative à la relation la plus efficace entre le rapport cyclique des impulsions et l'intensité du champ, pour diverses vitesses du moteur et divers couples désirés, l'obtention de cette information est décrite ci-dessous. Par exemple l'accélérateur 7 peut être agencé de ma- nière à émettre l'un quelconque de dix signaux de demande en fonction de la position de la pédale et la vitesse du moteur peut être divisée en dix gammes. La mémoire possède alors cent adresses, chacune de ces adresses correspondant à une condition position de pédale/gamme de vitesse. Le contrôleur 5 comprend un microprocesseur qui déter- mine quel est celui des dix blocs de la mémoire qui est indiqué par la pédale d'accélérateur. Le microprocesseur est apte à mesurer pério- diquement la vitesse du moteur à partir du tachymètre 8 et à extraire l'information contenue dans l'adresse de mémoire correspondant spéci- fiquement aux exigences déterminées en matière de vitesse et de couple, et à commander l'interrupteur 4 et le circuit d'affaiblissement du champ 6 conformément à l'information extraite. Si on se référe maintenant à la figure 2, on y voit un diagramme donnant la variation de la vitesse en fonction du temps pour le moteur de la figure 1. La courbe en trait plein 10 représente les performances du moteur à partir de l'arrêt avec un premier signal de sortie d'accélérateur constant, les courbes en tirets 11 et 12 repré- sentant les performances pour deux signaux de sortie différents de la pédale d'accélérateur. La pente de ces courbes représente l'accéléra- tion. Naturellement en pratique la pédale d'accélérateur est déplacée souvent pendant une séquence de conduite mais à un instant donné, si la vitesse et le réglage de la pédale sont connus, l'exigence en matière d'accélération peut être déduite de la pente de la courbe cor- respondant à la position de la pédale à cette vitesse. Ainsi le signal de sortie de la pédale d'accélérateur représente une accélération de- mandée autrement dit une puissance de sortie du moteur P qui est égale au couple T multiplié par la vitesse S. On a donc P = TS (1) La puissance de sortie P est égale au courant d'induit du moteur Ia multiplié par la tension d'induit V. La tension V est égale à la tension constante de la batterie Vb multipliée par le rap- port cyclique des impulsions D. Autrement dit on a DVbI.= TS (2) Pour une position de pédale d'accélérateur et une vitesse données le produit TS doit être une constante car autrement le moteur ne remplirait pas les performances requises. On a par conséquent V bDIa = constante (3) On peut faire varier le rapport cyclique D par une commande appropriée de l'interrupteur 4. On peut également faire varier le courant d'induit I par une commande appropriée du circuit d'affaiblissement du champ 6. Ainsi l'interrupteur 4 et le circuit 6 peuvent être commandés de manière à obtenir le rendement maximal tout en maintenant les performances désirées du moteur. Les pertes d'énergie P dues à la résistance R de la r b batterie et à la résistances R du moteur sont proportionnelles au carré de l'intensité du courant. Le courant passe continuellement à travers le moteur, par l'intermédiaire de la diode en dérivation quiest représentée sur la figure 1, mais il passe à travers la batterie uni- 246 139 8 quement lorsque l'interrupteur 4 est fermé. On a par conséquent Pr = I (R + DRb) (4) Les pertes d'énergie Pf dues au champ du moteur dépen- dent de constantes du moteur mais dans une première approximation elles sont proportionnelles au carré des ampères-tours A. On a ainsi P. = (constante) A2 (5) La valeur de l'expression(5)augmente relativement ra- pidement lorsque le courant d'excitation s'accroît, pour une puissance de sortie constante. La valeur de l'expression (4) diminue rapidement jusqu'à ce que la saturation soit atteinte: elle décroît ensuite rela- tivement lentement lorsque le courant d'excitation augmente, pour une puissance de sortie constante. Si on se réfère maintenant à la figure 3, on peut voir que les courbes 13 et 14 représentent respectivement la variation des pertes d'énergie, en fonction de l'intensité du champ exprimée en ampères-tours, dues au champ du moteur et aux résistances de la batterie et du moteur pour une puissance de sortie et une vitesse demandées déterminées. La courbe 15 représente la somme des courbes 13 et 14. On peut voir que la courbe 15 définit une perte d'éner- gie minimale pour une intensité de champ intermédaire F.. Par consé- quent pour la puissance de sortie et la vitesse demandées l'intensité du champ doit être établie à F. et le rapport cyclique des impulsions doit être réglé au niveau D approprié à la puissance de sortie deman- dée. Ainsi si on se réfère de nouveau à la figure 1, l'adresse de mémoire relative à la vitesse et à la puissance de sortie auxquelles la figure 3 se rapporte, doit contenir l'information: "établir l'in- tensité du champ à la valeur Fi et le rapport cyclique des impulsions à la valeur D." Le contrôleur utilise alors cette information pour assurer le rendement de fonctionnement maximal désiré. Si on se réfère maintenant à la figure 4, on y voit un autre schéma d'une portion du circuit de la figure 1, les compo- sants 4 et 6 étant illustrés d'une manière plus détaillée. - L'interrupteur 4 est constitué par un thyristor à la gâchette duquel sont appliquées, d'une manière connue,les impulsions de commande. Le circuit produisant les impulsions appliquées à la gâchette du thyristor peut être, par exemple, du type décrit dans le brevet-américain 3 914 661. Le circuit d'affaiblissement du champ comprend un transistor 16 en série avec une résistance 17. La base de ce transis- tor reçoit une série d'impulsions tellesque le transistor soit commuté alternativement à l'état conducteur et à l'état non conducteur. L'impé- dance moyenne du circuit d'affaiblissement du champ constitué par le transistor 16 et la résistance 17 peut être commandée de manière à être réduite à un minimum défini par la valeur de la résistance 17, et ce en commandant le rapport cyclique des impulsions appliquées à la base du transistor 16. Dans la forme d'exécution de l'invention décrite ci- dessus le système fonctionne en mesurant la vitesse, en considérant l'établissement de la courbe de variation de la vitesse en fonction du temps suivant la position dans laquelle a été enfoncée la pédale d'accé- lérateur, en déterminant, à partir de cette courbe, leoùple approprié à la vitesse et- à la position de la pédale, et en sélectionnant ensuite le rapport cyclique des impulsions et l'intensité du champ appropriés. D'autres schémas de fonctionnement sontnaturellement possibles. Par exemple il est possible de mesurer directement le couple, de considérer une courbe de variation du couple en fonction du temps sélectionnée par la position dans laquelle la pédale d'accélérateur a été enfoncée (l'in- tégrale de cette courbe étant égale à la vitesse), en déterminant la vitesse à partir de ladite courbe et en sélectionnant ensuite le rapport cyclique et l'intensité du champ appropriés. La forme d'exécution de l'invention qui a été décrite comprend un moteur série dans lequel un circuit est prévu pour com- mander l'intensité du champ en dérivant une partie du courant à l'écart de l'enroulement d'excitation en série, et pour commander le courant d'induit en ajustant le rapport cyclique d'impulsions de courant appli- quées au moteur. Cependant l'invention peut également s'appliquer à des moteurs shunt dans lesquels l'enroulement inducteur est excité séparé- ment, les courants d'induit et d'inducteur étant commandés séparément par les circuits respectifs commandant le rapport cyclique d'impulsions de courant appliquée à l'induitetàl'inducber.En outre l'invention peut aussi s'appliquer aux moteurs compounds qui comprennent à la fois des enroulements d'excitation en série et à excitation séparée. Dans le cas de moteurs compounds la commande du champ peut être effectuée simplement par une commande appropriée des enroulements excités sépa- rément et on peut considérer qu'une telle disposition est celle qui est la plus efficace. 24 6 139 8 REVENDICATIONS 1. Procédé pour commander l'alimentation d'un moteur électrique dans lequel des impulsions de courant sont appliquées au moteur à partir d'une source d'énergie électrique, le rapport cyclique des impul- - sions et l'intensité du champ d'excitation du moteur étant commandés de manière à déterminer la vitesse de sortie et le couple du moteur, caractérisé en ce qu'on établit une information représentant la vitesse du moteur et le couple désiré devant être fourni par ce moteur à cette vitesse, on détermine une information qui représente l'intensité du champ du moteur et le rapport cyclique des impulsions nécessaires pour fournir le couple désiré à la vitesse établie, de telle façon que les pertes d'énergie soient réduites au minimum, et on commande l'intensité du champ d'excitation du moteur et le rap- port cyclique des impulsions conformément à ladite information déterminée. 2. Appareil pour commander l'alimentation d'un moteur électrique, comprenant des moyens pour appliquer des impulsions de courant au moteur à partir d'une source d'énergie électrique et des moyens pour commander le rapport cyclique des impulsions et l'intensité du champ d'excitation du moteur de manière à déterminer la vites- se de sortie et le couple du moteur, caractérisé en ce que des moyens (8, 7) sont prévus pour fournir une information représen- tant la vitesse du moteur et le couple devant être développé par ce moteur à cette vitesse, et des moyens (5,9)sont également pré- vus pour déterminer une information représentant le rapport cy- clique des impulsions et l'intensité du champ d'excitation du moteur nécessaires pour fournir le couple demandé à la vitesse donnée, de telle façon que les pertes d'énergie soient réduites au minimum, ces moyens de commande étant actifs pour commander l'in- tensité du champ d'excitation du moteur et le rapport cyclique des impulsions conformément à ladite information déterminée. 3. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il com- porte des moyens (5) pour surveiller, à des intervalles prédéter- minés, la vitesse du moteur et les exigences en matière de couple, et des moyens répondant à ces moyens de surveillance pour effec- tuer des réglages périodiques du rapport cyclique des impulsions et de l'intensité du champ. 24 6139 8 4. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, carac- térisé en ce qu'il comporte un microprocesseur pour déterminer la relation la plus efficace entre le rapport cyclique et l'intensité du champ. 5. Appareil suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le micro- processeur est programmé de manière à calculer l'information néces- saire à partir de l'information obtenue relative à la vitesse du moteur et au couple et à partir également des caractéristiques connues du moteur. 6. Appareil suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le microprocesseur est programmé de manière à lire une information pré- calculée laquelle est emmagasinée dans une mémoire (9), chaque adres- se de mémoire correspondant à une vitesse du moteur et à une exigen- ce en matière de couple particulières.