Brevet FR2542944A1 — publié le 19840921

Procédé et disvositif de commande d'un moteur asynchrone à vitesse variable alimenté par un commutateur de courant L'invention concerne un procédé et un dispositif de commande d'un moteur asynchrone à vitesse variable alimenté par un commutateur de courant. L'utilisation à vitesse variable d'un moteur asynchrone fait appel à une alimentation en courant alternatif à fréquence variable, généralement obtenue par des onduleurs autonomes, qui sont des convertisseurs continu-alternatif. Il existe deux types d'onduleurs: les onduleurs de tension et les onduleurs de courant, qui génèrent, à partir respecti- vement d'une tension et d'un courant continus, une tension et un courant périodiques à fréquence variable L'intérêt des onduleurs de courant est bien connu: en particulier, ils font appel à des semi-conducteurs de puissance moins rapides, et à moins de condensateurs, que les onduleurs de tension De plus, le circuit électrique est, de par son principe, plus sûr en cas de défaut d'allumage des semi-conducteurs car le courant est limité par le générateur de courant continu. Pour alimenter un onduleur de courant, égale- ment appelé commutateur de courant, on utilise comme généra- teur de courant continu soit un dispositif à pont redresseur commandé P (fig 1), soit un dispositif à hacheur H (Fig 2) suivant que le réseau est respectivement alternatif ou conti- nu, associé à un système de filtrage constitué par une induc- tance de lissage Ld. Le générateur de courant continu (pont redres- seur ou hacheur, associé à l'inductance) doit être réversible afin de permettre à la machine de fonctionner soit en moteur (traction) soit en génératrice asynchrone (freinage) Dans ce cas, si le réseau est alternatif, le pont utilisé doit être complet Si le réseau est continu, le hacheur est utilisé en abaisseur de tension en traction, ou en élévateur de tension en freinage par récupération d'énergie vers le réseau. L'onduleur ou commutateur de courant C, est un convertisseur à semiconducteurs commandés, transformant le courant continu Id fourni par le générateur de courant en un courant alternatif alimentant le moteur asynchrone M Sa fré- quence et sa phase de fonctionnement sont réglées par la commande de l'allumage des semi-conducteurs. L'onde de courant délivrée par ce commutateur, sur chaque phase, est indiquée figure 3 dans le cas d'un mo- teur triphasé Elle est du type 1/3 2/3, l'amplitude maxima- le étant Id. Divers procédés existent pour commander cette chaîne composée du générateur de courant continu, du commuta- teur de courant et du moteur asynchrone Les deux plus classi- ques sont les suivantes: commande à flux imposé dans le moteur, connue aussi sous le terme de commande à U/F constant; commande à fréquence glissée imposée, la fréquence glissée étant égale à la différence entre la fréquence stator et la fréquence rotor. Ce deuxième procédé possède de nombreux avanta- ges, en revanche sa réalisation pratique est difficile: d'une part il faut utiliser des capteurs de vitesse précis pour mesurer la différence entre la fréquence stator et la fréquence rotor, c'est-à-dire entre deux grandeurs très voisi- nes; d'autre part il faut apporter une correction à la mesure afin d'obtenir le couple demandé, en raison des variations de résistance du rotor en fonction de la température Ce dernier point implique donc un capteur de température à implanter dans le moteur. La présente invention a pour but de proposer un procédé de commande de moteurs asynchrones présentant tous les avantages d'une commande à fréquence glissée imposée, tout en évitant ses difficultés de réalisation. L'invention a pour objet un procédé de comman- de d'un moteur asynchrone à vitesse variable, alimenté en courant alternatif par un commutateur de courant à partir du courant continu fourni par un générateur de courant continu, caractérisé en ce que-, pour le réglage du couple et/ou du glissement, on utilise comme grandeur de consigne, pour cha- que phase du moteur,l'angle interne de déphasage entre le fondamental de la tension(e) aux bornes de l'inductance magné- tisante(Lm Iet le fondamental du courant (is) de stator. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: Pour le réglage du couple électromécanique sur l'arbre du moteur, on utilise en outre comme grandeur de consigne la valeur du courant continu Id fourni par le géné rateur de courant continu au commutateur de courant Pour le fonctionnement du moteur asynchrone en moteur, la valeur de l'angle interne est comprise entre 0 et 900, limites exclues; Pour le fonctionnement du moteur asynchrone en générateur, la valeur de l'angle interne est comprise entre 900 et 1800, limites exclues; Le contr 8 le de l'angle interne est assuré par le contrôle du retard d'allumage des semi-conducteurs com- mandés du commutateur de courant; Les références de départ des retards d'allu- mage des semi-conducteurs commandés du commutateur de courant sont établis au moyen de capteurs de mesure de grandeurs électriques du moteur telles que la tension ou le flux pour chaque phase du moteur; Les durées des retards d'allumage des semi- conducteurs commandés du commutateur de courant sont établies, par calcul à partir des valeurs de l'angle interne et de-la fréquence de stator. L'invention a également pour objet un disposi- tif de commande d'un moteur asynchrone à vitesse variable, alimenté en courant alternatif par un commutateur de courant, à partir du courant continu fourni par un générateur de cou- rant continu, caractérisé en ce qu'il comporte: des moyens d'établissement de la valeur de consigne de l'angle interne de déphasage entre le fondamental de la tension (e) aux bornes de l'inductance magnétisante (Lm) de chaque phase du moteur et le fondamental du courant (is) de stator; des moyens de mesure de grandeurs électriques du moteur telles que la tension ou le flux pour chaque phase du moteur; des moyens de mesure de la fréquence (fs) de stator; des moyens de calcul du retard d'allumage des semi-conducteurs commandés du commutateur de courant, à partir des valeurs de la fréquence (fs) de stator et de l'angle interne; et des moyens de comman- de d'allumage retardé des semi-conducteurs du commutateur de courant. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: Les moyens de mesure de grandeurs électri- ques du moteur sont des capteurs de tension ou de flux; Les moyens de commande d'allumage retardé des semi-conducteurs du commutateur de courant sont des comp- teurs recevant d'une part une information de départ du retard d'allumage, d'autre part une information de durée du retard d'allumage, et délivrant à l'expiration de cette durée une information de commande d'allumage. A titre d'exemple, on a représenté au dessin annexé: Figure 1 un schéma symbolique d'un disposi- tif connu d'alimentation d'un moteur asynchrone par un ondu- leur à partir d'un réseau alternatif'; Figure-2: un schéma symbolique d'un dispositif- connu d'alimentation d'un moteur asynchrone par un onduleur à partir d'un réseau continu; Figure 3: une représentation de l'onde de courant délivrée par un commutateur de courant à chaque phase d'un moteur asynchrone dans le cas des Figures 1 et 2. Figure 4: un schéma électrique équivalent à chaque phase d'un moteur asynchrone Figure 5: un schéma de principe du procédé de commande selon l'invention; *Figure 6: un schéma symbolique du circuit de commande selon l'invention du commutateur de courant alimentant le moteur asynchrone; Figure 7: un schéma électrique simplifié d'un commutateur de courant pour la commande d'un moteur asyn- chrone. En se reportant au dessin, on peut voir, Fig 1 et 2, que le moteur asynchrone M de type triphasé par exemple, est alimenté par un commutateur de courant C en courant alternatif sur ses trois phases R, S, T Le commuta- teur de courant assure la conversion en alternatif du courant continu Id en provenance du générateur de courant continu. Ce courant Id est le courant filtré par l'inductance de lis- sage Ld. Il est fourni par un pont redresseur P (fig 1) à partir d'un réseau alternatif, ou par un hacheur H (fig 2) à partir d'un réseau continu. Selon la figure 3, on voit que l'amplitude maximale du courant transmis à chaque phase R, S, T du moteur asynchrone est égale à Id, valeur du courant fourni par le générateur de courant continu P (Fig 1) ou H(Fig 2) associé à l'inductance de lissage Ld. La figure 4 représente le schéma équivalent par phase du moteur asynchrone, entre les points N (neutre) et T (de phase T), par exemple Il est composé de la résistance Rs et de l'inductance Ls du stator, de l'inductance magnétisante Lm, de l'inductance équivalente Lr et de la résistance équiva- lente Rr du rotor en fonction du glissement g Les référen- g ces is et ir représentent les courants de stator et de rotor équivalents par phase, im représente le courant magnétisant et (e) la tension aux bornes de l'inductance magnétisante Lm (mutuelle inductance entre les bobinages de stator et de rotor). La figure 4 permet de définir une certaine grandeur appelée'hngle interne ifi" C'est une grandeur fonda- mentale dans le procédé de commande faisant l'objet de la présente invention Soit is la valeur de l'onde fondamentale (harmonique 1) du courant dans une phase de stator Soit (e) la valeur de l'onde fondamentale (harmonique 1) de la ten- sion apparaissant aux bornes de l'inductance magnétisante dans la même phase. On appelle %fi l'angle de déphasage entre ce courant is et cette tension (e). Toutes les grandeurs fondamentales de la ma- chine peuvent s'exprimer en fonction de cet angle interne 'i, en particulier: fréquence glissée = f stator f rotor = Rr ( 1) 21 (Lr + Lm) tg i Couple électromécanique = Cm = k Lm Id sin 2 "i ( 2) Id étant la valeur du courant fourni au commutateur de cou- rant par le générateur de courant, et k une constante. L'équation ( 1) montre bien l'équivalence entre une commande à fréquence glissée imposée, et une commande à angle interne 'i imposé, lorsque la résistance Rr est cons- tante, car les deux grandeurs "fréquence glissée" et "angle interne" sont liées par une équation unique. Cependant, le pilotage direct de l'angle 'fipour obtenir un couple Cm, permet de s'affranchir de la variation de la résistance Rr du rotor en fonction de la température. Enfin, pour asservir la fréquence glissée, il n'est plus nécessaire de mesurer les fréquences de stator et de rotor, et donc d'utiliser un capteur de vitesse. L'équation ( 2) montre que pour obtenir un cou- ple électromécanique donné sur l'arbre de la machine, il suffit d'imposer une valeur au courant Id et une valeur à l'anglef fi. Ces deux variables sont indépendantes l'une de l'autre. De plus, pour une certaine loi d'angle ii impo- sée, on peut faire varier facilement le couple qui n'est plus fonction que du carré de courant Id. Selon l'invention, le moteur asynchrone M peut fonctionner aussi bien en moteur qu'en générateur. Si l'angle interne est compris entre O' et 90 , limites exclues, le couple électromécanique est positif et le moteur M fonctionne en moteur, c'est-à-dire en traction Si l'angle interne est compris entre 900 et 180 , limites exclues, le couple est négatif et le moteur M fonctionne en générateur, c'est-à-dire en freinage. Le courant Id (Fig 1 et 2) ne change pas de sens, mais la tension moyenne à l'entrée du commutateur de courant s'inverse. La présente invention consiste à piloter la chaîne électrique constituée par le générateur de courant con- tinu (H ou P) et le commutateur de courant continu C en impo- sant comme valeurs de consigne d'une part l'angle interne qi et d'au- tre part le courant continu Id C'est ce principe qui est illustré sur la Fig 5 o la consigne d'angle interne est appliquée à un circuit 1 de réglage de l'angle interne qui commande le commutateur de courant C. De même, la consigne de courant Id est appli- quëe à un circuit 2 d'asservissement du courant Id qui commande le générateur de courant continu H ou P lui-même alimenté par le réseau Le courant Id est appliqué par le générateur H ou, P au commutateur de courant C qui alimente le-moteur M Le moteur M à son tour fournit un couple électromécanique défini par la formule ( 2) en fonction de Id et de l'angle interne. L'asservissement du courant Id, par exemple par -régulation de courant en boucle fermée, fait partie de l'état de la technique et n'est pas décrit plus avant. Le circuit 1 de la Figure 5 est détaillé sur la figure 6 Sur cette figure 6 sont symbolises en 3 des capteurs de tension ou de flux pour chacune des phases du moteur M, en 4 des interfaces assurant des corrections even- tuelles, en 5 des circuits de génération de références tempo- relles définissant pour chaque semi-conducteur commandé du commutateur de courant C l'instant to théorique d'allumage, c'est-à-dire l'instant de départ du retard d'allumage qui va être appliqué à chaque semi-conducteur A partir de ces instants to, respectivement tol à to 6 dans l'exemple décrit, le circuit 6 détermine la fréquence fs de stator pour l'appli- quer au circuit 7 de calcul du retard d'allumage. Le circuit 8 élabore la valeur de l'angle inter- ne Si en fonction de paramètres choisis du système d'entraîne- ment à vitesse variable du moteur asynchrone M Il reçoit une information de fréquence fs de stator, ou une information de vitesse, linéaire ou de rotation, ou une information relative à un autre paramètre de fonctionnement, et les ordres de trac- tion ou de freinage en 9 A titre d'illustration, la représen- tation d'une loi de variation de l'angle interne en fonction de la vitesse de rotation est portée dans le cadre 8 D'autres lois peuvent également être utilisées L'élaboration de la valeur Yi peut être réalisée par un circuit électronique numé- rique ou analogique Dans ce dernier cas, des interfaces sont nécessaires pour fournir la valeur numérique de 'fi nécessaire au calcul du retard dans le circuit 7 Le circuit 8 d'élabora- tion de l'angle interne applique au circuit de calcul 7 la valeur numérique NL. En fonction de la fréquence fs de stator et de l'angle interne fi, le circuit 7 définit, par une loi in- terne programmée, correspondant à une relation mathématique bien définie dans laquelle interviennent les caractéristiques électrotechniques de l'ensemble du commutateur de courant C et du moteur M, la valeur du retard 4 t à appliquer à la comman- de d'allumage de chacun des semi-conducteurs commandés du com- mutateur de courant L'allumage séquentiel de ces semi-conduc- teurs assure la commutation du courant Id d'une phase du mo- teur M à l'autre. Sur la figure 7, est représenté le schéma d'un commutateur de courant classique associé à un moteur asynchro- ne M Les selfs, capacités et diodes du commutateur de courant sont représentées de façon classique. i 5 Les semi-conducteurs commandés sont symbolisés par des thvristors Tl à T 6, mais peuvent être constitués par des soupapes électriques quelconques, par exemole par des transistors, ou des thyristors à commande d' extinction par la gachette (GTO) avec des schémas adaptés en conséquence. Dans l'exemple de réalisation représenté, le moteur asynchrone M est triphasé Les schémas des figures 6 et 7 sont facilement transposables aux cas de moteurs ayant un nombre de phases diffèrent de 3. En revenant à la figure 6, on voit que les ins- tants to d'allumage théorique d'une part, et les valeurs du retard d'allumage At à appliquer à chaque semi-conducteur commandé d'autre part, sont appliqués à une série de compteurs 9 à 14, un pour chaque semi-conducteur commandé du commuta- teur de courant Chaque compteur reçoit par ailleurs des im- pulsions d'horloge IH, qui sont admises et comptées pour dé- finir la durée At Le fonctionnement du circuit de la figure 6 s'analyse de la manière suivante: à partir des capteurs 3 qui mesurent chacun par exemple une tension du moteur corri- gée de la chute de tension interne au stator, lescircuits 5 délivrent des impulsions aux instants to de référence de pha- se, correspondant aux différents bras du commutateur de cou- rant munis chacun d'un semi-conducteur commandé Ces instants de référence correspondent-par exemple aux passages-par zéro dans le sens croissant de la tension, ou du flux, dans l'inductance magnétisante de la phase correspondante du stator. Ils constituent des références périodiques temporelles de la phase de tension interne aux bornes de l'inductance magnéti- sante. Chacune de ces impulsions, aux instants to, enclenche un compteur 9-14 qui va compter les impulsions d'hor- loge IH en nombre correspondant à la valeur du retard À t d'al- lumage défini par le circuit de calcul 7. Dans l'exemple décrit, on utilise des compteurs 9 14, mais ils peuvent être remplacés par tout autre système permettant de donner un signal de sortie décalé de At par rapport au signal d'entrée to. A la fin de la durée de comptage correspondant au retard dt, le compteur délivre à sa sortie une impulsion d'allumage du semi-conducteur Tl à T 6 (Fig 7) correspondant au compteur C'est l'allumage retardé de ce semiconducteur qui va permettre la commutation du courant d'une phase du moteur à la suivante, à un instant tel que le déphasage entre le fondamental du courant et le fondamental de la tension aux bornes de l'inductance magnétisante soit égal à l'angle inter- ne ci Chacun des compteurs est individuellement pro- grammé avant chaque allumage, à la valeur de ce retard calculé t afin d'obtenir l'angle Ji souhaité Cette valeur Ait est donc fonction de 'ti et de la fréquence fs de stator Cette fré- quence est simplement mesurée par la période correspondant au temps écoulé entre deux impulsions de référence à deux instants to consécutifs. L'angle fi est fixé selon les caractéristiques et/ou les performances que l'on désire obtenir du système à vitesse variable Ce peut être par exemple l'optimisation du fonctionnement du système dans toute la plage de vitesse et/ou tout autre loi du pilotage plus ou moins élaborée. Dans le cas particulier cité à titre d'exemple d'une motrice fonctionnant en traction, on cherche souvent à réaliser une caractéristique effort-vitesse F(v) ayant l'allu- re d'une portion d'hyperbole comme celle représentée dans le cadre 8 (Fig 6) Dans ce cas, la relation ( 2) montre que si le courant Id est maintenu constant, qi sera fixé en fonction de la vitesse du véhicule par la loi suivante: a) De O à Vd (vitesse de base ou de définition), le système fonctionnant à flux et à couple constant, 4 i sera maintenu constant (premier segment perpendiculaire à l'axe des ordonnées). b) De Vd à Vmax (vitesse maximale), le système fonctionnant à puissance constante,ti suivra une loi à allure hyperbolique en fonction de la vitesse. Mais il est évidemment possible de fixer d'au- tres lois de variation de Vi. On peut, pour tenir compte des limites d'adhé- rence, choisir une loi linéaire décroissante pour F (donc pour sin 2 Si) entre O et Vd. On peut aussi ne pas maintenir Id constant et faire varier simultanément Id et Si tout en réalisant les caractéristiques déjà évoquées de l'effort en fonction de la vitesse. Le procédé peut bien entendu être utilisé pour d'autres applications, en particulier pour des systèmes d'en- tra nement industriels correspondant à des lois différentes du couple en fonction de la vitesse. Dans le cadre de l'invention, une des propriétés caractéristiques de l'angle interne 'fi est qu'il est compris, à KIT près, entre O et 900 lorsque le moteur fonctionne effec- tivement en moteur (en traction par exemple), et entre 900 et 1800 lorsque le moteur fonctionne en génératrice (en freinage). Dans ces gammes de valeurs de l'angle interne, les limites doivent être exclues car elles correspondent à un couple nul ( 00, 900 et 1800). De préférence, et dans les conditions normales de fonctionne- ment, l'angle interne est compris entre quelques degrés et 450 pour le fonctionnement en moteur Dans le cas du fonctionne- ment en génératrice, l'angle interne est de préférence compris entre 1350 et une valeur inférieure de quelques degrés à la valeur 1800. La mise en oeuvre du procédé selon l'invention est très bien adaptée aux technologies numériques, soit à * 11 partir de circuits logiques câblés, soit à partir de logiques programmées On peut utiliser par exemple un microprocesseur, ce qui simplifie le matériel et permet de programmer ou de modifier des lois d'angle interne 'fi complexes, en fonction des applications proposées. 12 2542944 R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé de commande d'un moteur asynchrone à vitesse variable, alimenté en courant alternatif par un commutateur de courant à partir du courant continu fourni par un générateur de courant continu, caractérisé en ce que, pour le réglage du couple électromécanique et/ou du glissement, on utilise comme grandeur de consigne, pour chaque phase du moteur, l'angle interne de déphasage entre le fondamental de la tension (e) aux bornes de l'inductance magnétisante (Lm) et le fondamental du courant (is) de stator. 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que, pour le réglage du couple électromécanique sur l'arbre du moteur, on utilise en outre comme grandeur de con- signe la valeur du courant continu (Id) fourni par le généra- teur de courant continu au commutateur de courant. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour le fonctionnement du moteur asynchrone en moteur, la valeur de l'angle interne est compri- se entre O' et 900, limites exclues. 4 Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour le fonctionnement du moteur asynchrone en générateur, la valeur de l'angle interne est com- prise entre 900 et 1800, limites exclues. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le contrôle de l'angle interne est assuré par le contrôle du retard d'allumage des semi-conducteurs comman- dés du commutateur de courant. 6 Procédé selon la revendication 5, caracté- risé en ce que les références de départ des retards d'allu- mage des semi-conducteurs commandés du commutateur de courant sont établies au moyen de capteurs de mesure de grandeurs électriques du moteur telles que la tension ou le flux pour chaque phase du moteur. 7 Procédé selon la revendication 7, carac- térisé en ce que les durées des retards d'allumages des semi- conducteurs commandés du commutateur de courant sont établies par calcul à partir des valeurs de l'angle interne et de la fréquence de stator. 8 Dispositif de commande d'un moteur asyn- chrone à vitesse variable (M), alimenté en courant alternatif par un commutateur de courant (C), à partir du courant conti- nu (Id) fourni par un générateur de courant continu (P,H), caractérisé en ce qu'il comporte: un circuit d'asservissement ( 2) du courant continu (Id), agissant sur le générateur de courant continu (P, H); et un circuit ( 1) de réglage de l'an- gle interne de déphasage entre le fondamental de la tension (e) aux bornes de l'inductance magnétisante (Lm) de chaque phase du moteur et le fondamental du courant (is) de stator, agissant sur le commutateur de courant (C). 9 Dispositif de commande d'un moteur asyn- chrone à vitesse variable, alimenté en courant alternatif par un commutateur de courant, à partir du courant continu fourni par un générateur de courant continu, caractérisé en ce qu'il comporte: des moyens d'établissement de la valeur de consigne de l'angle interne de déphasage entre le fondamen- tal de la tension (e) aux bornes de l'inductance magnétisante (Lm) de chaque phase du moteur et le fondamental du courant (is) de stator; des moyens de mesure de grandeurs électriques du moteur telles que la tension ou le flux pour chaque phase du moteur; des moyens de mesure de la fréquence (fs) de stator; des moyens de calcul du retard d'allumage des semi- conducteurs commandés du commutateur de courant, à partir des valeurs de la fréquence (fs) de stator et de l'angle interne; et des moyens de commande d'allumage retardé des semi-conducteurs du commutateur de courant. 10 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de mesure de grandeurs élec- triques du moteur sont des capteurs de tension ou de flux. 11 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de commande d'allumage retar- dé des semi-conducteurs du commutateur de courant sont des compteurs recevant d'une part une information de départ du retard d'allumage, d'autre part une information de durée du retard d'allumage, et délivrant à l'expiration de cette durée une information de commande d'allumage.