Brevet FR2637745A1 — publié le 19900413

La présente invention est relative aux con- vertisseurs électromagnétiques polyphasés à commuta- tion par le réseau destinés à l'alimentation de char- ges notamment de machines électriques à courant con- tinu à partir du réseau triphasé, tels que le pont de Graetz, et. se rapporte plus particulièrement au dé- clenchement de tels convertisseurs en présence de creux de tension du réseau. L'utilisation de ces convertisseurs est en plein essor, en particulier dans les domaines de.la robotique, de la machine-outil, ainsi que dans celui des grandes industries de transformation. Toutefois, sa mise en oeuvre est parfois handicapée par la présence de creux de tension ou de coupures brèves sur le réseau d'alimentation électrique de ces équipe- ments. Ces perturbations peuvent entraîner, dans cer- tains cas, des défauts de fonctionnement graves sus- ceptibles d'enrayer l'ensemble du processus mobilisant ces entraînements. Pour prévenir ce type de situation, il exis- te bien sur des solutions "toutes faites" utilisant des réserves d'énergie, mais ces solutions sont coûteuses,lourdes et de ce fait réservées à des cas particuliers. D'autres solutions plus économiques consis- tent à prévoir, au niveau des commandes, le rattrapage des défauts. Bien que -le pire soit évité, le fonction- nement se trouve quand même dégradé pendant la durée de la perturbation, ce qui n'est pas toujours accepta- ble. Le besoin se fait donc sentir de mettre au point des moyens de commande assurant le rattrapage des défauts, mais également le respect, dans la mesure du possible, des consignes de fonctionnement pendant la perturbation. Pour réaliser de tels moyens de commande, les techniques numériques de contr3le commande parais- sent tout indiquées, compte tenu de leur souplesse et de leur adaptabilité. Cependant, les techniques analogiques peuvent également être utilisées. A titre d'exemple d'application, on va étu- dier dans un premier temps, le cas du moteur à courant continu alimenté par un pont de Graetz à thyristors. Cependant, une adaptation ultérieure des moyens de commande suivant l'invention à d'autres types de dispositifs d'entraînement électriques à vitesse variable ou à d'autres applications peut également être envisagée. On vd tout d'abord rappeler le comportement d'un pont de Graetz alimentant une machine à courant - continu, en présence de perturbations. Lors de l'apparition d'un creux de tension, sur une ou plusieurs phases du réseau triphasé, diver- es situations sont possibles: 1) La chute de tension est suffisamment fai- ble et de courte durée pour que le processus alimenté soit inrsens:Lie à ces legéres variations. 2) Le défaut est plus important, auquel cas deux possibilités sont envisageables: a) Le convertisseur fonctionne en redres- seur: il y a chute significative de la tension du côté continu. Celle-ci peut provoquer des troubles sérieux au niveau du processus entrainé (perte de couple et de vitesse), bien qu'il n'y ait aucun inci- dent majeur concernant le convertisseur et le moteur. b) Le redresseur fonctionne en onduleur: les problèmes peuvent être plus sérieux, Ily a - soit risque de raté de commutation..auquel cas le moteur voit à ses bornes une tension sinusoida- le de forte amplitude, - soit risque de réamorçage et mise en court-circuit de la charge. Dans les deux cas, il peut y avoir dégrada- tion du moteur et du convertisseur. - En présence de creux de tension, il y a baisse de la tension du côté continu. Un système classique de régulation de la tension ou du courant continu a tendance, en fonction- nement en onduleur, à augmenter l'angle d'amorçage des redresseurs sans tenir compte de l'état du réseau. I1 risque ainsi de provoquer les défauts décrits pré- cédemment. Le mode de commande par les angles d'amor- çage a donc tendance naturellement à amplifier le phé- nomène. A partir de cette valeur d'angle, il con- vient d'élaborer des impulsions de commande propres à chaque interrupteur. Ces impulsions sont généralement synchronisées à partir de la référence temporelle que constitue le passage par zéro des tensions des phases tous les I/6. Si un défaut apparait entre deux synchroni- sations, il faut attendre le prochain passage par zéro d'une des tensions de phase, avant de pouvoir prendre en compte ce défaut, ce qui ne peut que rendre la si- tuation plus mauvaise. On connait cependant, quelques moyens basés sur la commande pour remédier à cet inconvénient. a) Le blocage d'impulsions Cette solution est efficace lors d'un fonc- tionnement en redresseur, mais, lorsque le pont func- tionne en onduleur, elle revient à provoquer un raté de commutation. b) Le rattrapaqe de la commande Cette solution anticipe, lors d'un raté de commutation, la séquence de commande pour ramener le système en fonctionnement normal. Cette technique fonctionne convenablement mais a le désavantage d'at- tendre que le défaut se soit produit avant d'agir. De plus, si le défaut est important et se prolonge, il y a périodiquement des cycles de raté de commutation - rattrapage de commande. En conclusion, on ne dispose actuellement que de moyens de rattrapage de défaut plus ou moins performants. Aucun système n'est en mesure de fonc- tionner convenablement et de façon permanente, en présence d'un réseau perturbé. L'invention vise à remédier aux inconvé- nients des moyens de commande connus ern créant un mon- tage qui soit capable de piloter un pont de Graetz quel que soit l'état du réseau d'alimentation et lui permet de fonctionner aussi bien en redresseur qu'en onduleur en évitant tout trouble de fonctionnement. Elle a donc pour objet un prccde de déclen- chement d un convertisseur électronique polyphasé à commutation par le réseau, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer en permanence les valeurs instan- tanées des tensions des phases du réseau d'alimenta- tion du convertisseur, à élaborer une image de la tension continue désirée à la sortie du convertisseur, à établir diverses combinaisons possibles des tensions de phase du réseau, à comparer à ladite image de la tension continue désîrée, les diverses combinaisons possibles des tensions des phases en vue de déterminer la combinaison la plus favorable pour la production de ladite tension de sortie et, si ladite combinaison la plus favorable est différente de celle appliquée au convertisseur à l'instant considéré, et si la polari- sation des composants concernés du convertisseur le permet, à provoquer la commutation du convertisseur sur ladite combinaison. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés. sur lesquels: - La Fig.1 est un schéma synoptique d'un dispositif de déclenchement numérique suivant l'inven- tion appliqué à la commande d'une machine électrique à vitesse variable; -!e Fig.2 et 3 sont des diagrammes mon- trant les allures des tensions des demi-ponts du dispositif de la Fig.1; la Fig.4 est un organigramme illustrant le fonctionnement général du dispositif de la Fig.1; et - la Fig.5 est un organigramme plus détaillé illustrant le fonctionnement du déclencheur. Sur la Fig.1. l"invention est considerée comme eétant appliquée à l'alimerntation à partir du réseau triphasé d'une machine à courant continu 1, par un double pont'de Graetz 2 dont une premiere portion 2a est destinée à assurer la rotation de la machine dans un premier sens et dont une seconde portion 2b est destinée à assurer la rotation de la machine en sens inverse. La machine 1 comporte un enroulement d'exci- tation 3 alimenté de fdçon classique par un pont re- dresseur 4. Zur l'arbre de sortie de la machine 1 est couplé un.,teuz' de vitesse 5 tandis qu'à la sortie du circuit de puissance est prévu un capteur de cou- rant 6 destiné à mesurer la valeur du courant circu- lant dans la machine 1. Les ponts 2a et 2b sont connectés aux phases Vo, VI, V2 du réseau. Au double pont de Graetz 2 est associé un - dispositif de déclenchement numérique désigné par la référence générale 10. Ce dispositif de déclenchement comporte un circuit d'interface de mesure 11 comportant des pre- mières entrées connectées aux phases VO.V1,V2 et au neutre N du réseau et des secondes entrées connectées respectivement aux bornes de sortie du circuit de puissance du pont 2, au capteur de vitesse 5 et au capteur de courant 6. Selon une variante, lorsque le capteur de vitesse 5 est constitué par un codeur incrémental, la mesure de la vitesse peut être exploité directement sans passer par le circuit d'interface de mesure 11, Le circuit d'interface de mesure 11 a pour fonc.tion essentielle d'assurer l'isolement entre la partie- de puissance et la partie de commande du dis- positif et de convertir les valeurs des signaux d'entrée qu'il reçoit on valeurs admissibles par la partie de commande. A la sortie du circuit d'interface 11 est connecté un convertisseur analogique-numérique 15 qui est à son tour relié par un bus t6 à un microproces- seur 17 associé à un ordinateur 18. Le microprocesseur 17 est connecté aux gâchettes de commande des interrupteurs commandés du double pont de Graetz par l'intermédiaire d'un circuit d'interface de commande 19. Avant de procéder à la description du fonc- tionnement du dispositif de déclenchement suivant l'invention, on va exposer dans ce qui suit les dé- tails du procédé de déclenchement que le dispositif met en oeuvre. Lors de l'apparition d'un creux de tension sur l'une des phases du réseau de la Fig.1, le réseau n'est plus équilibré ce qui pose des problèmes de synchronisation au dispositif de déclenchement qui envoie de ce fait aux gâchettes de commande des in- terrupteurs du pont des signaux de commande à des moments inopportuns. Le dispositif de déclenchement apparaît donc comme l'organe le plus sensible aux variations du ré- seau. De plus, il est au coeur du problème puisque c'est le trait d'union entre les parties "intelligen- tes" que sont les moyens de régulation et les parties électromécaniques, à savoir le convertisseur et la machine. Il s'agit donc de mettre au point un système de déclenchement qui, lors de l'apparition de défauts sur le réseau, soit en mesure d'aller "puiser" l'éner- gie nécessaire là ou elle est disponible, c est à dire en priorité sur les phases les plus saines. Le dispositif doit fonctionner en milieu perturbé et, par conséquent, ne disposera plus de re- père fixe, donc de possibilité de synchronisation. Il faut alors: - abandonner l'utilisation de l'angle d'a- morçage d( pour la commande; - piloter le convertisseur uniquement à par- tir d'une scrutation permamente des tensions du ré- seau. Ceci permet une réaction immédiate en cas de défaut. L'ensemble dispositif de déclenchement-pont doit donc être en mesure, à partir d'une tension de réference donnée par la rêgjlation. de fournir une tension de sortie Ucc aussi proche que possible d'une valeur de consigne Ud quel que sait l'état du réseau VI. et cela. dans la limite de la puissance disponi- ble. L'intérêt d'axer l'action au niveau du dis- positif de déclenchement est triple: - premièrement, c'est l'organe le plus sen- sible; - deuxièmement, l'état du réseau est pris en compte pour le pilotage du convertisseur; - troisièmement, on peut facilement imaginer "l'échange standard" ou le court-circuitage sur un matériel te a existarnt du système de déclenchement classique par un dispositif plus performant, et cela. sans grande moa:iicatic.r de l'installation, Le problème cors-ste àcnc à trouver un sché- ma de commande reposant sur l'état instantané des ten- sions de phase per-ettant de reproduire un fonction- nement comparable à celui obtenu par une commande en x pour un réseau normal. Zn va tout d'aborC décrire la recherche d'un critère de commutation en étudiant le comportement d'un deml-pont. L'observation des formes d'onde de chaque demi-pont d'un pont de Graetz représentées sur les diagrammes des Fig. 2 et, constituant la tension continue met en évidence des phénomènes intéressants. On remarque que, pour un angle de commande donné, au moment de la commutation. la valeur moyenne UB des tensions Vi (en conduction) et Vi * 1 (qui va prendre la relèive sur le même deml-pont) dépend de l'angle -: cette valeur est liée à l'angle i par la relation: V (il + V {i + 1) US =f ---------- = f (V. C) qui se déduit des relations suivantes: Vi - US Vi+1 - UB après la commutation La phase en conduction est donc celle au potentiel "le plus proche" de UB. la0 Au moment de la commutation, il y a bascule- ment de la tension du demi-pont de part et d'autre de UB. Il n y a donc commutation que lorsque la relation précédente n'est plus vérifiée par la phase en conduc- tion, mais vérifiée par celle qui doit prendre la re- lève dans la rotation naturelle des phases. Il apparait ainsi un critère de commutation fort intéressant qui repose sur la scrutation perma- nente des tensions des phases et qui reproduit la com- mande en s pour un système équilibré. En effet, il faut que la phase en conduction Vcond vérifie la rela- tion: UB - Vcond I il y a commutation de Vcond sur Vi. On calcule UB et on cherche une relation entre UB et Ucc (Valeur moyenne de la tension conti- nue), afin de supprimer cR: Soit un réseau triphasé équilibré: VO = Vcos (wt) Vl = Vcos (wt - 21K/3) V2 = Vcos (wt - 41t/3) En étudiant la commutation de V1 sur V2 pour le demi-pont haut pour un angle o donné. On a: VO + V1 LUB =----------- à wt:" * '1/3 UB = V úcos(wt) + costwt - 2 T /3) = V [cos( X +1T/3) * cos(- +1T/3 - 2T1/3) Après simplification, on obtient: UB = V cos K On supprime O de l'expression. On sait que, pour un angle O donné, on obtient du côté continu la valeur moyenne Ucc telle que: 3 r3 V S v Ucc =-----V cosw ==> ---Cos C ----- Ucc Ir 2 6 On obtient finalement: -r UB = ----- Ucc 6f3 Il suffit donc, F' r obtenir une tension continue de valeur Ucc, "d'asservir" les tensions de chaque demi-pont à la valeur UE airectement propor- tionnelle à Ucc. Outre le critère principal permettant la détection des instants de commutation, il est néces- saire, pour des raisons de sécurité, d'introduire certains tests de validation et de butée: a) Pour qu'il y ait commutation de Vcond sur Vi, il faut que: Vi > Vcond pour le demi-pont haut, Vi b) Il est nécessaire également que Vi soit différent de Vcond sur le demipont complémentaire pour éviter la mise en court-circuit de la charge. c) Il faut également introduire une butée onduleur 1 1 afin d'éviter les problèmes de réamorçage ou de défaut de commutation lors du fonctionnement en onduleur. Etant donné que l'on ne dispose plus de la grandeur L pour limiter la plage de variation de la tension (généralement X tensions de phase. En observant les formes d'onde au moment de la commutation pour des valeurs élevées de X, on s'aperçoit qu'il y a un problème lorsque l'écart entre Vi et Vcond est faible. Si cet écart est au-dessus d'un certain seuil, il n'y a pas de risque de raté de commutation. Il faut donc introduire un test qui, lorsque t5 le seuil est franchi, force la commutation, même si le critère principal n'est pas vérifié. Le fonctionnement de l'algorithme de comman- de par demi-pont pose cependant quelques problèmes concernant notamment: la non linéarité de la réponse, - la non symétrie de la réponse entre les modes onduleur et redresseur du fait de la butée ondu- leur, - les écarts importants entre consigne et tension de sortie du c6té continu. Il est donc nécessaire de modifier le critè- re pour améliorer les caractéristiques du dispositif. Au lieu de raisonner sur les ondes des demi- ponts, on prend en compte l'onde complète de la ten- sion continue. Cela permet de gagner un degré de li- berté en asservissant directement la tension continu Ucc à une valeur UB à définir. La démarche suivie pour la recherche d'un critère de commutation est comparable au cas precé- dent. A l'instant de commutation, il y a basculement de la tension continue de part et d'autre d'une valeur moyenne UB. On étudie la commutation de la phase O sur la phase 1 à l'instant wt = + iT /3. La tension con- tinue Ucc est égale: Ucc - = VO - V2 avant la commutation Ucc + = VI - V2 après la commutation Au moment de la commutation, la valeur moyenne LIB a pour expression: Ucc- + Ucc+ VO + Vl UB = --------------- ------- - V2 2 2 On a: VO = V cos (wt) Vl = V cos (wt - 2t-/3) à wt = + /3) V2 = V cos (wt - 417/3) c3 cos( /3) + cos( i+T/3 - 2 /3) UB=V ----------------------------- cos(+/3 - 4-/3) 2 3 V Après simplification: Ue = ------- cos On supprime 0 de l'expression de UB à partir de la relation: Ucc = 3' V cos O ==> V cos O = Ucc A3 D'o: US= ----- Ucc 3o- 2 r6 On peut faire les mêmes observations que pour le premier algorithme décrit plus haut. La paire de thyristors en conduc:tion maintient la tension continue au potentiel le plus proche de UB. Si la commutation d'une des phases permet d'améliorer cet écart, il y a alors commutation. Le critère de commutation est ici donné par la relation (I U8 - Vcondj IJUB - Vcondj Vcond étant égal à Vi ou Vj suivant qu'il s'agit d'une commutation sur le demi-pont haut ou le demi-pont bas du convertisseur. Les tests principaux de la commutation deviennent: - Si VHAUT - VAS - UBI >IVNHAUT VBAS - UBalors commutation d'un redresseur haut - S1 VHAUT - VBAS UL 1| > jVHAUT VNBAS - UB| alors commutation d'un redresseur bas UNHAUT, étant la phase devant prendre la relève de UHAUT, en tenant compte de la rotation naturelle des phases, et ULINBAS. celle devant prendre la relève de UBAS. On va maintenant examiner la réponse du système en boucle ouverte. a) En régime équilibré L'algorithme se comporte aussi bien que le premier. b) En régime perturbé, on observe: - une très nette amélioration de la linéa- rité. - une symétrie des réponses entre redresseur *et onduleur. - une diminution très sensible des écarts entre consigne et tension de sortie. Le fonctionnement du dispositif de la Fig.1 va être décrit en référence à l'organigramme de la Fig.5. Les grandes lignes de ce fonctionnement sont représentées par l'organigramme de la Fig.4. Dans celui-ci, on met en évidence deux blocs A et B. Le bloc A assure l'élaboration des commandes à partir de la scrutation du réseau selon l'organigramme détaillé de la Fig.5. Le bloc B ajuste la consigne en fonction de la tension mesurée à la sortie du bloc A. Les signaux relatifs aux tensions des phases du réseau, de la tension continue de sortie du pont 2 et éventuellement à la vitesse de rotation et à l'in- tensité du courant d'alimentation de la machine sont appliqués par l'intermédiaire du circuit d'interface 11 et du convertisseur analogiquenumérique 15 au microprocesseur 17. Celui-ci élabore au cours d'une phase 20 de l'organigramme des signaux de base de temps de période T correspondant à la fréquence du réseau d'alimenta-. tion. Au cours d'une phase 21, le signal Ucc re- latif à la tension de sortie du pont est intégré pen- dant une période T. Au cours de la phase 22, la valeur intégrée du signal Ucc est bloquée à l'issue de la période T considérée et l'opération d'intégration est répétée au cours de la période T suivante aprés remise à zéro. Le signal intégré au cours de la phase 21 et bloqué au cours de la phase 22 est représentatif de la valeur moyenne de la tension Ucc au cours de la pério- de T écoulée. Il est comparé au cours de la phase 23 à une; valeur de consigne Ud. Dans le présent exemple d'une régulation d'un moteur à courant continu, cette consigne est éla- boree par une boucle de régulation, notamment en fonc- tion des paramètres de sortie de la machine 1 qui lui sont appliqués. Le signal A UBs représentant l'écart entre la tension de consigne et la tension obtenue à la sortie du dispositif est utilisé pour l'élaboration au cours dela phase 24, du signal UB. Au cours de la phase 25, on détermine si UB > O. Au préalable, on a procédé: a) à la mémorisation de l'indice i du der- nier interrupteur haut, hi commandé. b) à la mémorisation de l'indice j du der- nier interrupteur bas bj commandé.. Les valeurs i et j initialisées au départ sont quelconques mais distinctes. Toutes les sommations sur les indices sont effectuées modulo 3. Enfin, une valeur V seuil préfixée servant de butée de fonctionnement en plein onduleur est éta- blie. Si UB 26 si Vi + 1 - Vl Dans l'affirmative, ceci veut dire qu'il faut impérativement commander la commutation de Vi sur Vi + 1, faute de quoi cette commutation ne pourra plus avoir lieu ultérieurement. Ot, procède donc au cours de la phase 27 à la commu- nication de la phase Vi vers la phase Vi + 1 au demi-pont supérieur. Dans la négative, on détermine au cours de la phase 28 si Vj - 1 Vj Si tel est le cas, il y a au cours de la phase 29, commutation de la phase Vj à. la phase Vj + 1 au demi-pont bas. En revenant à la phase 25, si UB ne satis- fait pas à l'inégalité UB phase 30, également conditionnée par le résultat néga- tif de la détermination au cours de la phase 28, de vérification des relations-suivantes. (I Vi - Vj - UB| > | Vi + 1 - Vj - Us j et ( i + 1 ' j) et [Vi + 1 > Vi) Si ces relations sont satisfaites, on procè- de à la commutation de phase Vi en conduction sur la phase Vi + 1 au demi-pont haut. Si ces relations ne sont pas satisfaites, on vérifie au cours de la phase 31, les relations suivan- tes. (lvi - Vj - UB i> i vi - Vj + 1 - UB8) et ( j + 1 / i) et ( Vj + 1 phase Vj + 1 au demi-pont bas. L'invention permet donc de disposer d'un système capable de piloter un pont de Graetz, quel que soit l'état du réseau, aussi bien en redresseur qu'en onduleur, en évitant tout trouble de fonctionnement en présence de creux.de tension. Les réponses sont convenables pour des dé- fauts moyens. Du fait de la symétrie des réponse en mode redresseur et onduleur, ainsi que de la quasi linéari- té sur une majeure partie de la caractéristique du déclencheur, -ce système peut être inclus dans un sys- tème de régulation. On vient de décrire un procédé général de déclenchement d'un convertisseur électronique à commu- tation par le réseau. On a également présenté à titre d'exemple illustratif, un mode de réalisation numérique de mise en oeuvre de ce procédé, appliqué à l'alimentation d'un moteur à courant continue. On comprendra cependant que d'autres moyens de réalisation de l'invention et notamment des moyens analogiques peuvent également être envisages tout en restant dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de déclenchement d'un convertis- seur électronique polyphasé à commutation par le réseau, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer en permanence les valeurs instantanées des tensions (VO,V1,V2) des phases du réseau d'alimentation du con- vertisseur, à élaborer une image de la tension conti- nue (Ud) désirée à la sortie du convertiseur, à éta- blir diverses combinaisons possibles de tensions de phase du réseau, à comparer à ladite image de la ten- sion continue désirée, les diverses combinaisons possibles des tensions des phases (VO,V1,V2) en vue de déterminer la combinaison la plus favorable pour la. production de ladite tension de sortie et, si ladite combinaison la plus favorable est différente de celle appliquée au convertisseur à l'instant considéré, et si la polarisation des composants concernés du conver- tisseur le permet, à provoquer la commutation du convertisseur sur ladite combinaison. 2. Procédé suivant -la revendication 1, caractérisé en ce que la combinaison des tensions de phases la plus favorable est déterminée par rapport à la valeur moyenne (UB) des tensions de phase au moment d'une commutation,ladite valeur moyenne (UB) étant liée à la tension continue (Ucc) délivrée par le convertisseur, par la relation: UB = 1T /2 3 Ucc, le critère de commutation étant donné par la relation (JUB - Vcond I commutation dés que la relation (iUB - Vcond Vcond + 11) n'est plus vérifiée, Vcond étant égal à Vi ou Vj suivant qu'il s'agit d'une commutation sur le demi-pont haut ou le demi-pont bas du convertisseur. 3. Dispositif de déclenchement d'un conver- tisseur électronique polyphasé destiné à la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendictions 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure des valeurs instantanées (VO,V1,V2) des phases du réseau d'alimentation du convertisseur, des moyens (17) d'élaboration d'une image de la tension continue (Ud) désirée à la sortie du convertisseur, d'établis- sement de diverses combinaisons possibles des tensions de phase du réseau, de comparaison desdites combinai- sons à ladite image de la tension continue désirée (Ud) et des moyens (19) d'application au convertisseur (2). de la combinaison la plus favorable en vue de provoquer sa commutation sur cette combinaison. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'établissement de l'image de la tension continue désirée (Ud) et de l'élaboration de combinaison des tensions de phases (VO,V1,V2) et de comparaison desdites combinaison avec l'image de la tension désirée sont constitués par un microprocesseur (18) connecté d'une part à un circuit (11) de mesure des tensions de phase (VO,V1,V2) par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique-numéri- que (15) et d'autre part, aux gâchettes de commande du convertisseur par l'intermédiaire d'un circuit d'interface de commande (19).