Brevet FR2595885A1 — publié le 19870918

- i - 2595885 PROCEDE DE COMMANDE D'UN ONDULEUR A MODULATION DE LARGEUR PAR IMPULSIONS, ASSOCIE A UN MOTEUR A N PHASES ET DISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE DU PROCEDE. La présente invention concerne un procédé de co mmande d'un onduleur à modulation de largeur par impulsions, à N bras, associé à un moteur à N phases connectées en étoile avec neutre non relié, permettant de réduire 10 la puissance dissipée dans ses interrupteurs de puissance. Un onduleur à modulation de largeur par impulsions (M.L.I.) a pour but de com mander un moteur à N phases ou enroulements en créant un champ tournant à partir de N courants périodiques. Il est constitué par N 15 groupes de 2 interrupteurs qui alimentent, par des créneaux de tension modulés en largeur, les phases du moteur. Un asservissement de courant sur chacune des phases permet de reconstituer N courants déphasés de 3600/N. Lors de la commande de ces interrupteurs, la puissance dissipée dans chacun d'eux correspond à la so m me des pertes de conduction et 20 des pertes de commutation. Les pertes de conduction correspondent au produit de la tension résiduelle de conduction de l'interrupteur par le courant le traversant. Les pertes de con m utation correspondent à l' énergie perdue à chaque co mmutation en raison des te m ps d'ouverture et de fermeture des interrupteurs. Le but du procédé de commande de l'onduleur selon l'invention est de réduire cette puissance dissipée en supprimant les pertes de commutation dans l'interrupteur alimentant l'enroulement du moteur o circule le courant maximum. Cette réduction est obtenue en maintenant cet 30 interrupteur en conduction permanente de telle sorte qu'il ne subsiste que les pertes de conduction. Le courant dans la phase correspondante du moteur est alors régulé à l'aide des N-1 autres phases, la so mme des N courants étant nulle dans une machine connectée en étoile et dont le neutre n'est pas relié. Pour cela, l'objet de l'invention est tout d'abord un procédé de con mande d'un onduleur M.L.I., à N bras, associé à un moteur, réalisant la détection de l'enroulement du moteur dans lequel le courant est maximum et maintenant en conduction l'un des deux interrupteurs de l'onduleur, associé à cet enroulement du moteur. Plus précisé m ent, l'objet de l'invention est un procédé de co n mande d'un onduleur M.L.I. à N bras, associé à un moteur, comportant les étapes a et b suivantes a)- établissement des N courants à faire passer dans les N enroulements du moteur; b)- établisse m ent des signaux de conduction de chacun des deux 15 interrupteurs haut et bas de l'onduleur associés à chaque enroulement du moteur, suivant une stratégie de découpage par impulsions modulées en largeur; caractérisé en ce qu'il comnporte les étapes supplémentaires c, d et e suivantes c)- détection de l'enroulement du moteur dans lequel la valeur absolue du courant instantané est maximale; d)- validation du procédé de com mande en fonction des. caractéristiques 25 électriques du moteur et de son mode de fonctionnement; e)- m aintien en conduction de l'interrupteur haut ou bas de l' onduleur associé à l'enroulement du moteur o circule le courant maximum, le cobrant circulant dans cette phase est alors régulé par les N-1 autres 30 bras. L'objet de l'invention est aussi un dispositif de co m mande mettant en oeuvre le procédé ci-dessus, appliqué à un moteur synchrone. D' autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description des exemples de réalisation non limitatifs illustrés par les figures suivantes: -3 - la figure 1: un sché ma synoptique d'un dispositif de commande d'un onduleur triphasé selon l'invention; - les figures 2a et 2b: les variations en fonction du temps des courants de référence devant passer dans les trois enroulements d'un moteur synchrone, associé à un onduleur triphasé, pour une vitesse constante et un couple constant appliqué au rotor; - la figure 3a les variations en fonetion du tem ps des courants passant dans les phases d'un moteur synchrone associé à un onduleur triphasé com mandé selon 1' invention, lors d'un cycle de freinage puis d' accélération; - la figure 3b: les signaux de conduction des interrupteurs de l' onduleur 15 o15 nm mandé selon l'invention - la figure 4: un mode de réalisation non limitatif d'un dispositif de com mande selon l'invention. Comme énoncé précédemment, et dans l'exemple non limitatif d'un onduleur triphasé, le procédé de commande d'un onduleur triphasé, associé à un moteur synchrone 1 à trois phases ou enroulements L1, L2 et L3 consiste tout d' abord à partir de la consigne de courant I à lui appliquer et de moyens 2, à établir trois courants IR1, IR2 et IR3 à faire passer 25 dans les trois enroulements L1, L2 et L3 du moteur 1. Pour cela, le dispositif de mise en oeuvre du procédé comporte tout d'abord, comme le montre la figure 1, les moyens 2 d'établissement des courants. De façon classique, ces moyens 2 consistent à établir trois courants IR 1 IR2 et IR3 simusoldaux, dans l'exemple choisi, fonction de l'angle 0 du rotor, à 30 amplitude constante A et déphasés deux à deux de 2 i/N soit 2 1/3, puis à multiplier l'amplitude A de ces courants par la consigne de courant I. En sortie des m oyens 2, on obtient les trois courants suivants: IR1 = AI Sin O IR?2 = AI Sin ( O + 2î/3) IR3 = AI Sin ( O + 41T/3) Le dispositif de commande comporte ensuite des moyens 3 d'établissement des signaux de conduction C Hi et C Bi - i étant un entier variant de 1 à 3 respectivement de chacun des deux interrupteurs haut THi et bas TBi 10 de 1' onduleur, associés à chaque enroulement Li du nr oteur. Dans 1' exe m ple choisi, ehaque interrupteur est constitué par un transistor. Pour chaque enroulement Li du moteur, ces moyens 3 sont constitués par des moyens 4 de modulation de largeur à fréquence fixe, qui reçoivent en entrée la différence entre le courant IMi réellement mesuré dans 15 l'enroulement Li et le courant de référence IRi et qui sont connectés en sortie, chacun, à des moyens 5 qui éliminent les impulsions multiples à l'intérieur d'une période de modulation. Entre chacun des moyens 5, réalisés par exemple par une bascule du type RS, et chaque interrupteur de 1' onduleur est placé un circuit d'interface 6. Les signaux de 20 conduction des transistors ont la forme d'impulsions rectangulaires de largeur variable. Pour commander selon la stratégie de l'invention, le dispositif com porte de plus des moyens 7 de détection de 1' enroulement Li du moteur dans 25 lequel la valeur absolue du courant instantané de référence est maximale. Cette détection est réalisée à partir du signe des courants dans les différentes phases du moteur co mme le montre la figure 1. Il comporte également des moyens 8 de validation du procédé de com mande pour moteur synchrone, effectuant la comparaison de la valeur absolue de la 30 consigne de courant | I avec un seuil minimum IL déterminé et la com paraison de la valeur absolue de la vitesse du rotor v | avec un seuil maximum vS déterminé quand le moteur est en freinage. En dessous d'une valeur limite IL du courant, le procédé de comn mande ne peut pas s'appliquer car le rapport -cyclique de conduction devient inférieur au 35 temps d'ouverture et de fermeture des interrupteurs. Lorsque le moteur fonctionne un alternateur, c'est-à-dire est en freinage, le procédé ne peut -5 s'appliquer que lorsque la force électro m otrice du moteur est inférieure à la chute de tension ohmique dans les phases soit en dessous d'une vitesse limite vS. Les moyens de détection 7 et de l'enroulement Li du moteur o le courant est maximum et les moyens de validation 8 du procédé sont connectés aux entrées des m oyens 9 destiner à maintenir en conduction l'interrupteur de l'onduleur associé à cet enroulement Li. Ces moyens 9 reçoivent donc en entrée d'une part les informations sur l'enroulement du 10 moteur o circule le courant maximum, délivrés par les moyens de détection 7 et d'autre part les signaux de validation issus des moyens 8. Les moyens 9 envoient une infor m ation de maintien en conduction à l'interrupteur de 1' onduleur lorsque les conditions: i I | > IL et en cas de freinage | v | co m m ande. La figure 2a représente la variation sur une période T, en fonction du 25 temps, des courants de référence IR1 à IR3 devant passer dans les enroulements d'un moteur triphasé synchrone à vitesse et couple constants. On constate que ces trois courants sim usoldaux, sur chaque sixième de période T/6, sont tels qu'un seul n'a pas le même signe que les autres et c'est précisément celui dont l'amplitude en valeur absolue 30 | IRîi est maximale (figure 2b). Sur la figure 2a est représenté en trait fort le courant dans l'r enroulement Li du moteur associé à l'interrupteur de 1' onduleur forcé en conduction. Le choix des interrupteurs haut THi ou bas TBi forcés en conduction est réalisé suivant la phase des courants. 259588S -- 6 -Les pertes de comn mutation maximales "de l'interrupteur ne sont plus situées au point o le courant est maximum dans la phase, mais pour un courant IM. /3/2 (point A). Le gradiant de courant en ce point est important, ce qui minimise la durée de dissipation de l'énergie lors de la rotation du n oteur. Sur la figure 3a sont représentées les variations en fonction du te m ps des courants IM passant dans les enroulements d'un moteur synchrone triphasé co m mandé selon la stratégie de l'invention lors d'un cycle de freinage 10 puis d'accélération et sur la figure 3b sont représentés les signaux de conduction C Hi et C Bi, i variant de 1 à 3, des transistors haut et bas d'un onduleur triphasé, respectivement pour les enroulements L1 à L3. Dans la partie 1 du diagram me entre les instants To et T1, la com mande des interrupteurs se fait selon une stratégie triphasée classique, les critères de validation du procédé de co m mande n' étant pas respectés, c' est-à-dire qu' alternative ment tous les interrupteurs conduisent et sont bloqués. Dans la partie B est appliquée la stratégie selon l'invention, c'est-à-dire que sont maintenus en conduction les interrupteurs haut T-iT ou bas TBi associés à l'enroulement Li o circule le courant maximum. 20 Ainsi, entre les instants T1 et T2 o le courant IM2 est maximum et de signe positif, dans l'enroulement L2 (figure 3a), l'interrupteur haut TH2 est en conduction et l'interrupteur bas TB2 est bloqué; entre les instants T2 et T3, le courant IM3 est maximum en valeur absolue mais de signe négatif de sorte que l'interrupteur haut TH3 est bloqué et l'interrupteur 25 bas TB3 conduit. La figure 4 montre un mode de réalisation particulier mais non limitatif d'un dispositif de commande selon l'invention, toujours dans le cas d'un onduleur triphasé. Dans ce mode de réalisation, le dispositif comn porte un processeur 11, équipé d'un convertisseur 10 analogique numérique, remplissant à la fois la fonction de détection de l' enroulement du n oteur dans lequel circule le courant maximum et la fonction de validation du procédé de 35 -7 commande. Le convertisseur analogique numérique 10, connecté à l'entrée du processeur 11, reçoit d'une part les valeurs des courants circulant dans au m oins deux phases du moteur, ou bien la position angulaire du rotor donnée par un capteur de position (12) et d' autre part la valeur de la consigne de courant I appliquée au moteur et la valeur de la vitesse de rotation du rotor. Ce convertisseur transforme ces données analogiques en informations binaires qu'il transmet au processeur. Ce dernier transmet ensuite les signaux de mise en conduction aux interrupteurs suivant le procédé de com mande selon l'invention. 10 REVEN DICATIONS 1. Drcédé de co-n. ande d'un onduleur à n'du1ation de largeur par impulsions à N bras - N entier supérieur à deux -, associé à un moteur connecté en étoRle avee neutre non relié, con portant les étapes a et b suivantes -)- établiîseient Jes '! courants (IRi), i enter ariant de 1 à t, à faire 10 passer dans les i: enroulements du moteur ',1); b)établissement des signaux de conduction (^H et CBi) de chacun des deux interrupteurs haut (THi) et bas (TBi) de l'ondu!eur associés à chaque enroulement (Li) du noteur (1), suivant une stratégie classique 15 de découpage par impulsions modulées en largeur; caractérisé en ce qu'il comn porte les étapes supplémentaires c, d et e suivantes: c)- détection de l'enroule n ent (Li) dlu moteu- dans lequel la valeur 20 absolue du courant instantané est maxi m ale; d)- validation du procédé de con mande en fonction des caractéristiques électriques du moteur- (1) et de son mode de fonctionnement; e)- maintien en condction de l'interrupteur haut (THi) ou bas (TBi) de l' onduleur associé à l'enroulement (Li) du -oteur (1) o circule le courant maximum en valeur absolue, le courant étant alors régulé par les N4-1 autres bras. 2. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'étape C, la détection de la phase o la valeur absolue du courant est maximale est réalisée à partir du signe des courants dans les différentes phases du moteur (1). 3. Procédé de co n mande selon la revendication, d'un onduleur associé à un moteur synchrone, comportant l'étape a)-o l'établissement des N courants (IRi) a lieu en fonction de la consigne de courant (I) à appliquer au rotor, et l' étape b, caractérisé en ce qu"il comporte les étapes c, d et e suivantes: c)- détection de l'enroulement (Li) du moteur dans lequel la valeur absolue du courant instantané est maximale en fonction de la position angulaire (O) du rotor; d)- validation du procédé de commande après comparaison de la valeur 10 absolue de la consigne de courant ( | I |) avec un seuil minimum (IL) déterminé et comparaison de la valeur absolue de la vitesse du rotor ( | v |) avec un seuil maximum (vS) déterminé quand le moteur est en freinage, le freinage étant déterminé par comparaison entre les signes de la vitesse (v) et de la consigne de courant (I). 15 e)- maintien en conduction de l'interrupteur haut (THi) ou bas (TBi) de l'onduleur associé à l'enroulement (Li) du moteur (1) o circule le courant maximum en valeur absolue, le courant étant alors régulé par les N-1 autres bras. 4. Procédé de commande selon la revendication 3, caractérisé en ce que dans l' étape c, la détection de la phase o la valeur absolue du courant est maximale, est réalisée par un capteur de position angulaire (12) du rotor. 5. Dispositif de com mande d'un onduleur à modulation de largeur par impulsions à N phases, N étant un entier supérieur à 2, associé à un moteur (1) synchrone, comportant: - des moyens (2) d' établissement des N courants (IRi) - i étant un entier variant de 1 à N -, à faire passer dans les N enroulements (Li) du m oteur, à partir de la consigne de courant (I) à lui appliquer; - des moyens (3) d'établissement des signaux de conduction (CHi et CBi) 35 de chacun des deux interrupteurs haut et bas (TBi) de l' onduleur associé à chaque enroulement (Li) du moteur (THi) , caractérisé en ce qu' il comn porte de plus: 49398 11676 - 10 - des moyens (7) de détection de l'enroulement (Li) du moteur dans lequel la valeur absolue du courant instantané de référence (IRi) est maximale, en fonction de la position angulaire (o) du rotor; - des moyens de validation (8) du procédé de commande effectuant la co m paraison de la valeur absolue de la consigne de courant ( I |) avec un seuil maximum (Il) déterminé et la comparaison de la valeur absolue ( | v |) de la vitesse du rotor avec un seuil maximum (vs) quand le moteur est en freinage, le freinage étant détecté par 10 comparaison du signe de la consigne du courant et du signe de la vitesse - des m oyens (9) de maintien en conduction de l'interrupteur haut (THi) ou bas (TB,) de l'onduleur associé à l' enroulement (Li) du moteur, o 15 circule le courant maxim unm. 6. Dispositif de com m ande selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens (7) de détection fonctionnent à partir du signe des courants dans les différents enroulements (Li) du moteur. 20 7. Dispositif de commande selon les revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les m oyens (9) de maintien en conduction sont constitués par un circuit décodeur binaire-décimal recevant en entrée les codes binaires définissant les signes des courants du rotor et l'ordre de validation du 25 procédé de co mmande. 8. Dispositif de commande selon les revendications 5, 6 ou 7, caractérisé en ce qu' il com porte de plus un processeur (11) effectuant la détection de l'enroulement (Li) du moteur dans lequel circule le courant maximum 30 et la validation du procédé de commande, associé à un convertisseur analogique-num érique (10), le convertisseur recevant en entrée les valeurs des courants circulant dans au moins deux phases du moteur (1), la valeur de la consigne de courant () et la valeur de la vitesse de rotation du rotor, et le processeur (11) transmettant les signaux de mise en conduction aux interrupteurs (THi et TBi) suivant le procédé de com m ande. - 11 9. Dispositif de con mande selon la revendication 8 utilisée pour un m oteur synchrone, caractérisé en ce que la détection de la phase o le courant est maximum est réalisé par un capteur de position (12) relié directement au processeur. 10