Brevet FR2522901A1 — publié le 19830909

La présente invention a trait aux systèmes de commande de machines à courant alternatif, et plus parti- culièrement aux systèmes de commande de machines à courant alternatif comportant un onduleur commandé en courant. Dans les applications des machines à courant alternatif o l'on souhaite avoir une régulation de la vitesse et du couple de la machine, on emploie des systè- mes de commande à ondbuleur De manière générale, un sys- tème de commande à onduleur comprend un onduleur courant continu/courant alternatif à fréquence variable alimenté par une source de courant continu, fournissant du courant à fréquence variable à une machine à courant alternatif soit synchrone, soit à induction De tels onduleurs ont le plus souvent une configuration comportant plusieurs paires de dispositifs de commutation, les dispositifs de commuta- tion de chaque paire étant couplés en série et chaque paire des dispositifs de commutation couplés en série branchée à une source de courant continu On relie à la jonction de chaque dispositif de commutation couplé en série une phase respective de la machine Du courant alternatif est fourni par l'onduleur à la machine quand les dispositifs de com- mutation de chaque paire sont alternativement et successi- vement rendus conducteurs. La présente invention a pour but de réaliser un système de commande simplifié que l'on puisse utiliser dans des applications demandant un réglage de la vitesse mais ne nécessitant pas une régulation précise du couple. Un autre objectif de la présente invention est la réalisation d'un système de commande qui permette d'ob- tenir un fonctionnement du moteur en présence d'une charge cyclique plus stable que celui que l'on a habituellement en fonctionnement en boucle ouverte avec un onduleur com- mandé en tension. La présente invention, sous une première forme, réalise une commande de moteur interposable entre une source d'énergie électrique et le stator d'un moteur à courant alternatif La commande de moteur comprend un onduleur commandé en courant comprenant des régulateurs de courant qui comparent des ondes sinusoïdales de référence produi- tes par un générateur d'ondes à un courant de ligne réel correspondant du moteur pour produire des signaux d'erreur. On compare ces signaux d'erreur à une bande d'hystérésis et l'on envoie des signaux modulés en largeur d'impulsion à l'onduleur pour maintenir les signaux d'erreur à l'inté- rieur de la bande d'hystérisis Une première boucle de commande maintient la valeur de la tension aux bornes du moteur quelles que soient les variations des conditions de charge On détermine le flux du moteur dans la pre- mière boucle de commande en intégrant la tension détectée à la sortie de l'onduleur Le flux du moteur est redressé et comparé à un flux de référence qui peut être constant, si l'on désire un fonctionnement avec un rapport tension/ fréquence constant pour obtenir un signal d'erreur On amplifie le signal d'erreur et on l'utilise pour commander l'entrée de courant de l'onduleur. Dans une autre réalisation de la présente inven- tion, on peut ajouter une deuxième boucle de commande d'en- trée pour stabiliser la fréquence du moteur On détermine la composante active du courant de ligne du moteur et des accroissements de cette composante active entraînent des brèves réductions de la fréquences de l'onduleur ce qui permet la stabilisation du rotor du moteur en cas d'oscil- lations de pompage. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une représentation en partie sché- matique, en partie fonctionnelle de la présente invention; figure 2, un diagramme de phase montrant la relation entre les tensions de ligne par rapport au neutre et le flux d'entrefer du moteur; et figure 3, les diagrammes-d'ondes des signaux d'entrée et de sortie du redresseur synchrone de la figure 1. La figure 1 décrit une commande de moteur à courant alternatif Un onduleur commandé en courant à lar- geur d'impulsion modulée 8 comprend un générateur d'ondes fournissant à chacun des trois régulateurs de courant 12, 14 et 16 des signaux sinusoïdaux de référence, ces signaux de référence étant en relation triphasée l'un avec l'autre L'amplitude et la fréquence des trois signaux sinusoïdaux engendrés par le générateur d'ondes varient en fonction d'un signal de commande de fréquence et d'un signal de commande d'amplitude appliqués au géné- rateur d'ondes Les régulateurs de courant 12, 14 et 16, en plus des entrées reliées au générateur d'ondes, ont chacun une entrée reliée à descapteurs de courant 18, 20 et 22, eux-mêmes reliés à la sortie de l'onduleur 24 Les régulateurs de courant fournissent des signaux à largeur d'impulsion modulée à l'onduleur 24 La source de courant continu 26 fournit du courant à l'onduleur La sortie de l'onduleur constituée de trois lignes A, B et C est reliée à l'enroulement du stator du moteur 28. Une première boucle de commande 30 possède un dispositif d'amplification différentielle 32 comprenant-une résistance 34 reliée à la borne d'entrée négative d'un amplificateur 36 et une résistance 38 reliée à la borne positive de cet amplificateur La tension de ligne A est appliquée à la résistance 34 et la tension de ligne B à la résistance 38 Une résistance 40 est branchée entre la borne positive de l'amplificateur 36 et la terre Une résistance de réaction 41 est branchée entre la sortie de l'amplificateur 36 et la borne d'entrée négative de cet amplificateur 36. Le signal de sortie de l'amplificateur diffé- rentiel qui est égal à la différence entre les tensions de ligne A et B est appliqué à l'entrée de l'intégrateur 42. L'intégrateur 42 comprend une résistance 44 branchée à son entrée L'autre extrémité de la résistance 44 est reliée à un amplificateur 46 Une résistance de réaction 48 et un condensateur de réaction 50 sont branchés entre l'entrée et la sortie de l'amplificateur 46 on fait passer le signal de sortie de l'intégrateur à travers un dispositif redres- seur et de filtrage 52 et le signal de sortie résultant est appliqué à la borne d'entrée négative d'une jonction de sommation 54 Un signal de consigne de flux T* est appliqué à la borne d'entrée positive de la jonction de sommation 54 La sortie de la jonction de sommation est reliée à un régulateur de flux 56 dont la sortie est reliée à l'entrée de commande d'amplitude du générateur d'ondes 10. Une deuxième boucle de commande 58 reçoit la tension de ligne C à une entrée d'un sectionneur-inverseur 62 On applique à l'autre entrée du sectionneur-inverseur 62 la tension de ligne C inversée par l'inverseur de signal 64 La sortie de l'intégrateur 42 est reliée à la borne d'entrée positive d'un comparateur 66 dont la borne d'entrée négative est mise à la masse La sortie du compa- rateur 66 commande le sectionneur-inverseur 62 On fait passer le signal de sortie redressé de façon synchrone du sectionneur-inverseur 62 dans un filtre passe-bas de lissage 68 qui, lui-même, est relié à un circuit 70 ayant une fonction de transfert ws/(s + ) qui fait disparaître la valeur en régime permanent du signal de sortie du fil- tre de lissage et laisse passer seulement les variations transitoires Un amplificateur à gain unité possède une résistance 72 de valeur R reliée à l'entrée de l'amplifi- cateur 73 Une résistance 74 de méme valeur R est branchée entre l'entrée et la sortie de l'amplificateur 73 On branche en série avec la résistance 72 à l'entrée de l'amplificateur à gain unité un condensateur 71 La sor- tie du circuit 70 est reliée à la borne d'entrée négative d'une jonction de sommation 76 Une autre réalisation de la fonction de transfert pourrait être un condensateur en série avec une résistance reliée à la terre, la sortie se trouvant alors entre la résistance et le condensateur. L'entrée positive de la jonction de sommation 76 reçoit une fréquence de consigne F* commandée par un opérateur Le signal d'erreur est appliqué à l'entrée de commande de fréquence du générateur d'ondes 10. On va maintenant décrire le fonctionnement du circuit de la figure 1 Le générateur d'ondes 10 fournit un signal sinusoïdal de référence à chaque régulateur de courant 12, 14 et 16 Ces signaux sinusoïdaux sont en relation triphasée l'un avec l'autre On compare le signal de référence fourni à chaque régulateur de courant à un signal de courant de ligne du moteur correspondant pour obtenir un signal d'erreur Le signal d'erreur est alors appliqué à un comparateur (non représenté) situé dans le régulateur de courant, et quand ce signal d'erreur setrouve hors d'une bande d'hystérésis prédéterminée de part et d'autre de cette bande, des signaux logiques " 1 " et "-l" sont émis. Le train des impulsions logiques "l" et "-1 " de chaque régulateur de courant forment les signaux de commutation modulée en largeur d'impulsion pour les phases respectives de l'onduleur Les signaux-de commutation de l'onduleur sont appliqués à un circuit de déclenchement qui commande les paires de commutateurs de l'onduleur, chaque paire étant associée à une phase du moteur Un signal logique "l", par exemple, associé à une paire de commutateurs de l'onduleur, ferme le commutateur supérieur, ouvre le commu- tateur inférieur et relie la source de courant continu à la phase correspondante du moteur Un signal logique "-l" du môme régulateur de courant ferme le commutateur inférieur, ouvre le commutateur supérieur et relie la source de cou- rant continu suivant une polarité inverse à la phase du moteur La commutation répétée des trois paires de commuta- teurs de l'onduleur a pour résultat la fourniture de courant triphasé au moteur, avec le courant fourni à chaque phase maintenu à l'intérieur de la bande d'hystérisis prédéter- minée correspondante Pour plus de détails en ce qui concerne le fonctionnement de l'onduleur on peut se réfé- rer à la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n O 080 479 intitulée: "Système de commande à onduleur à modulation en largeur d'impulsions commandé en courant transistorisé" et dont on trouvera une brève description ci-après: il s'agit d'un système de commande de machines à courant alternatif, comprenant une machine à courant alternatif et un onduleur dont la configuration comporte plusieurs paires de transistors avec les transistors de chaque paire couplés en série et chaque paire de transis- tors couplés en série reliée à une source de courant continu; ce système est commandé par le courant de l'ondu- leur On rend les transistors de chaque paire de transis- tors de l'onduleur alternativement conducteurs pour four- nir du courant alternatif à la sortie de l'onduleur en conformité avec un signal d'erreur de courant, proportion- nel à la différence de grandeur entre un courant de phase réel de l'onduleur et un signal sinusoïdal de référence, avec inversion de l'état de conduction des transistors de chaque paire chaque fois que le signal d'erreur du courant dépasse une limite inférieure ou supérieure d'hystérisis, ces limites varient selon le courant de phase réel de l'on- leur Pour commander la vitesse et le couple de la machine, on fait dépendre la tension de sortie de l'onduleur, res- pectivement, des variations en amplitude et en fréquence du signal sinusoidal de référence selon les consignes de l'opérateur On obtient le fonctionnement de commande optimal de l'onduleur en régulant l'amplitude et la fré- quence du signal sinusoïdal de référence selon un signal de réaction de couple de la machine et un signal de réac- tion de flux de la machine. Suivant la présente invention décrite figure 1, la première boucle de commande 30 contrôle la tension des lignes A et B L'amplificateur différentiel 32 donne la différence B-A et l'intégrateur 42 intègre cette diffé- rence pour obtenir le flux A-B De plus l'intégrateur 42 supprime l'ondulation de hachage et une grande partie du bruit présent dans le circuit Le signal de flux variable A-B est redressé, filtré et comparé à un niveau de flux de consigne Y* Le signal d'erreur résultant est appliqué à un régulateur de flux qui fournit des valeurs de sortie de niveau d'amplitude minimum et maximum avec un gain entre ces deux limites La valeur de niveau minimum empêche le fonctionnement à flux nul (si on utilise un moteur à induction) et la limite maximum est nécessaire pour éviter une surintensité à la sortie de l'onduleur. On utilise le signal de sortie du régulateur de flux pour commander le signal d'amplitude d'entrée du générateur d'ondes qui à son tour commande le courant de l'onduleur. Si le flux de consigne Y* est constant on peut alors obtenir un fonctionnement avec un rapport tension/ fréquence constant de premier ordre Quand la charge du moteur s'accroit et qu'on alimente le moteur avec un cou- rant constant, la tension du moteur tombe Cette tension diminuée est détectée par la première boucle de commande qui accroit l'amplitude du courant du moteur pour compen- ser et redonner à la tension sa valeur antérieure Egale- ment, quand la fréquence varie, l'intégrateur de la bou- cle de commande compense automatiquement les variations de fréquence puisque la tension doit s'accroître linéai- rement avec la vitesse Le fonctionnement de l'onduleur avec la première boucle de commande a des caractéristi- ques similaires à celles d'un système convertisseur de tension en boucle ouverte tout en maintenant les carac- tères inhérents à un système à impulsion modulée en lar- geur commandé en courant c'est-à-dire variation de la largeur des impulsions de commutation de l'onduleur pour maintenir le courant résiduel à un faible niveau et par là diminuer les pertes du moteur Le circuit de commande fonctionne sur n'importe quel moteur triphasé simplement en reliant les bornes de sortie de l'onduleur aux bornes du stator du moteur On peut aussi utiliser l'onduleur à modulation en largeur d'impulsion avec la première bou- cle de commande comme source de courant à tension tripha- sée constante Quand il est utilisé comme source de cou- rant, l'intégrateur de flux aura un gain unité et la cons- tante de temps de l'intégrateur 42 sera relativement plus grande que la constante de temps en fonctionnement en cir- cuit de commande. La deuxième boucle de commande 58 fonctionne pour stabiliser le moteur en cas d'oscillations du rotor ou oscillations de pompage Les oscillations du rotor pro- viennent des harmoniques présents à la sortie de l'ondu- leur qui provoquent des oscillations du couple, ce qui pose un problème surtout aux basses vitesses Pour un moteur conçu pour 60 Hz, par exemple, les pulsations de vitessedu moteur sont les plus sensibles pour une fréquence appliquée de 10 > Hz La seconde boucle de commande 58 détermine la composante active du courant du stator du moteur en appli- quant le courant de stator total de la lignée à une des deux bornes d'entrée d'un sectionneur-inverseur 62 et en appliquant le courant inversé de la ligne C à l'autre borne d'entrée La position du sectionneur 62 est déterminée par le comparateur 66 qui contrôle les passages à zéro du flux B-A en phase avec le courant de ligne. Pour la bonne marche de l'inverseur synchrone 62, il est nécessaire d'avoir un signal qui soit en phase avec la tension de ligne C du moteur En se référant main- tenant à la figure 2 montrant les relations de phase entre les tensions et les flux d'entrefer du moteur, on peut s'apercevoir que la différence entre la tension de ligne A (prise par rapport au neutre) et la tension de ligne B (prise par rapport au neutre) a pour résultat une tension de ligne à ligne de A-B La tension B-A est déphasée de par rapport à la tension C Le flux dû à la tension A-B est en phase avec la tension de phase C et avec la composante active du courant de ligne de la phase C. Le flux A-B est déterminé par le signal de sortie de l'intégrateur 42 de la première boucle de com- mande Quand le flux A-B est positif, le sectionneur 62 laisse passer le courant de ligne, quand le flux est néga- tif, le sectionneur 62 laisse passer le courant de ligne négatif de l'inverseur de signal 64 La figure 3 repré- sente les différentes ondes impliquées dans le redresse- ment synchrone La figure 3 A représente le signal de flux du comparateur, et la figure 3 B un courant en phase avec la tension (dans un moteur à induction généralement le courant est déphasé de 300 par rapport à la tension à pleine charge) ce qui signifie que la totalité du courant est un courant actif La figure 3 C représente le signal de sortie du sectionneur 62 fonctionnant en redresseur synchrone quand les conditions décrites figure 3 B prédo- minent La figure i D représente l'onde de courant pour une charge nulle avec un déphasage de 900 du courant par rapport à la tension Le courant de la figure 3 D n'a pas de composante active La figure 3 E représente le signal de sortie du sectionneur fonctionnant en redresseur synchrone quand les conditions décrites figure 3 D dominent. En fonctionnement réel le courant n'est pas une sinusoïde pure mais comprend des harmoniques qui réduisent la précision des déterminations du courant actif Cepen- dant quand on mesure de cette façon la composante active du courant, la précision est suffisante pour obtenir la stabilisation Le signal de sortie du sectionneur 62 est envoyé à travers un filtre de lissage L'onde résultante (figure 3 B) est un signal beaucoup plus grand à la sortie du filtre de lissage que l'onde de la figure 3 E Le courant actif est alors appliqué à un amplificateur à gain unité ayant une fonction de transfert ws/(s + w) o S est une variable complexe de la transformée de La Place et w une fonction de la fréquence de l'onde appliquée à l'am- plificateur La caractéristique de la fonction de trans- fert est de supprimer la composante de courant continu et de faire correspondre à des accroissements du courant actif d'entrée de la fonction de transfert des variations brusques et momentanées du signal de sortie de la fonction de transfert La sortie du circuit 70 est branchée pour agir comme une contre-réaction au signal de commande de fréquence Quand le courant augmente parce que la charge s'accroit sous l'effet de la première boucle de commande, la deuxième boucle de commande détecte l'accroissement de la composante active du courant et émet une brève impul- sion qui diminue momentanément la fréquence de commande du générateur d'ondes En abaissant la fréquence d'entrée du générateur on diminue brièvement et d'une faible quantité la vitesse du rotor, empêchant ainsi le moteur d'atteindre immédiatement le couple Abaisser brièvement la fréquence quand la charge augmente agit comme une contre-réaction stabilisant le rotor en cas d'oscilla- tions de pompage. REVENDICATIONS 1 Commande de moteur interposable entre une source d'énergie électrique ( 26) et le stator d'un moteur à courant alternatif polyphasé ( 28) pour commander la vitesse et le couple du moteur, caractérisée en ce qu'elle comprend: un onduleur ( 24) commandé en courant compor- tant un générateur d'ondes ( 10) qui fournit des signaux polyphasés de référence variant en fréquence et en amplitude en réponse à des signaux de commande d'ampli- tude et de fréquence respectivement, des moyens de réac- tion ( 18,20,22) pour réaliser des signaux proportionnels à chaque courant de ligne du moteur et des moyens régula- teurs de courant ( 12,14,16) pour comparer chaque signal de référence du générateur d'ondes ( 10) au signal de courant de ligne correspondant provenant des moyens de réaction ( 18,20,22), pour obtenir ainsi un signal d'erreur et les moyens de régulateurs de courant ( 12,14,16) compre- nant également des moyens pour comparer chaque signal d'erreur à une bande d'hystérisis pour fournir des signaux modulés en largeur d'impulsion à l'onduleur ( 24) pour que ces signaux d'erreur restent à l'intérieur de la bande d'hystérisis; et une première boucle de commande ( 30) pour maintenir la valeur de la tension du stator du moteur ( 28) lors de variations de charge comprenant un moyen d'inté- gration ( 42) pour fournir un signal proportionnel au flux du moteur ( 28) dû à la tension de sortie de l'onduleur ( 24), un moyen de redressement ( 52) pour redresser ce signal, un moyen de sommation ( 54) pour déterminer la différence entre le signal de sortie du moyen de redres- sement ( 52) et un signal de flux de consigne pour fournir un signal d'erreur, et un moyen de régulation de flux ( 56) fournissant un gain au signal d'erreur de flux, ce signal étant appliqué à l'entrée de la commande d'amplitude du générateur d'ondes ( 10). 2 Commande de moteur selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend: une deuxième boucle de commande ( 58) pour stabiliser la fréquence du rotor comprenant un moyen de détermination ( 66) de la composante active du courant, un moyen ( 70) pour fournir une brève impulsion de sortie en réponse à un accroissement de la composante active du courant du moteur, un moyen de sommation ( 76) pour déter- miner la différence entre le signal de sortie du moyen ( 70) fournissant une brève impulsion et un signal de fré- quence de consigne, ce signal de différence étant appli- qué à l'entrée de commande de fréquence du générateur d'on- des ( 10). 3 Commande selon la revendication 1, caracté- risée en ce qu'elle comprend: une deuxième boucle de commande ( 58) pour stabiliser la fréquence du moteur comprenant un moyen de redressement ( 62) pour redresser un troisième courant de sortie de l'onduleur ( 24) qui est en synchronisme avec les passages à zéro du flux produit par la différence entre les première et deuxième tensions de sortie de l'onduleur ( 24), un filtre de lissage ( 68) pour lisser le signal de sortie du moyen de redressement synchrone ( 62); et un moyen ( 70) pour fournir une brève impulsion en réponse à un accroissement de la composante active du troisième courant de sortie de l'onduleur ( 24), cette impulsion agissant comme un signal de contre-réaction sur la commande de fréquence. 4 Commande de moteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le moyen ( 70) pour fournir une brève impulsion comprend un amplificateur opérationnel à gain unité ( 73) et un condensateur ( 71) en série avec la borne d'entrée de l'amplificateur ( 73).