Brevet FR2644950A1 — publié le 19900928

Système de commande vectorielle pour moteur électrique asynchrone à cage La présente invention concerne un système de commande vectorielle pour moteur électrique asynchrone à cage alimenté par un générateur d'impulsions modulées en largeur commandant un onduleur fournissant. à partir deune tension continue, au moins une tension alternative d'alimentation au moteur asynchrone. Dans les loromotives à moteurs électriques, il est devenu courant d'employer des moteurs asynchrones. Un ou plusieurs moteurs sont alimentés par un onduleur foi!;nis- sant, à partir d'une tension continue de source. éventuci- lement obtenue par redressement, une tension alternative triphasée ayant la fréquence recuise. Cette fréquence est déterminée à partir de la vitesse de rotation du moteur. Lorsou'elle est supérieure à la fréquence oui correspond à la vitesse de rotation du moteur, il se produit un gilssement entre le rotor et le flux dans le moteur, lequel engendre un couple tendant à accélérer la rotation du rotor. Lorsqu'elle est égale ou inférieure, le moteur est freiné. Aux allures rapides de marche d'une locomotive, la commande du moteur, à l'aide d'une manette de commande de couple, consiste donc essentiellement à ajuster la fréquence engendrée oar l'onduleur, en fonction de l'écart constaté entre le couple demandé et le couple moteur, qui est évalué à partir du courant et de la tension fournis au moteur. La tension fournie au moteur dite tension de pleine onde est alors constante et sa valeur crête est égale à 2/I fois la tension continue de source; l'onduleur fonctionne comme un simple inverseur à la fréquence qui lui est demandée par une commande de fréquence. Aux allures de marche réduites, la tension doit être réduite, afin de régle- le flux dans le moteur, de ma- nière à ce que soient minimisees les pertes dans le moteur et dans l'onduleur. La commande du moteur demande alors, non seulement l'ajustement de la fréquence indiqué plus naut. mais aussi un ajustement de la tension alternative fournie au moteur. Leonduleur reçoit donc. en plus d'une commande de fréauence. une commanae de module ae la tension à fournir et. en réponse & ces deux commandest il fonctionne alors en mode de adécoupage. Le circuit de commande de l'onduleur engendre des impulsions modulées en largeur dont l'intégration produit une tension sinusoïdale avant la fréquence requise et l'amplitude réduite demandée. En pratique. l'onduleur lui-même. comprenant P': essentiellement des commutateurs de Duissance est distinct de son circuit de commande oui reçoit et traite les signaux de commande indiaués et fournit les sianaux de declencnement des commutateurs ae puissance. En raison de ce aue son rôle prédominant est la production de signaux de déclenchement d'impulsions modulées en largeur, ce circuit de commande sera appelé, dans ce aui suit. modulateur d imoulsionE. L'invention concerne plus particulièrement le systeme de commanae engendrant les signau: de commande de fréauence et de commande de module de tension pour les fournir audit modulateur d'imoulsions. en regime de marche réduite. De tels svstême de commande sont connus. On trouvera une discussion à leur sujet dans l'article "Adjustable soeed AC- drives - A technology statue review" ae S.M. Dose. publié dans la revue "Proceedings of the IEEE". Vol.70. No.2. Février 1982. Généralement. un tel systeme de commande engendre le signal de commande de fréquence & partir de la commande de couple. le couple : demande étant comparé au couple développe par le moteur, détermine à partir des mesures de tensions et courants effectuées sur le moteur. oour fournir un signal d'erreur de couple. traité ensuite pour déterminer un signal d'écart de freaéuence. lequel est additionné à une fréquence représentant la rotation du rotor. pour fournir un signal de commande de freéouence. Parallèlement. l'observation du flux dans le moteur, par rapport a une valeur constante de consigne de flux, détermine le signal de commande de tension. Un tel dispositif, comprenant deux boucles de S commande indépendantes n'est ni précis, ni stable, et il ne permet pas d'atteindre une efficacité proche de l'optimum. La présente invention a donc pour objet un système de commande vectorielle pour moteur électrique asynchrone à cage permettant d'atteindre une meilleure efficacité et une stabilité plus grande. Le système de commande vectorielle pour moteur électrique asynchrone a cage de l'invention comprend des moyens d'évaluation, par rapport à un référentiel fixe, du module et de la phase d'un au moins des flux: dans le moteur, des moyens d'évaluation de premières composantes en phase et en quadrature, oar rapport audit flux. d'au moins un courant fourni au moteur. des moyens d'évaluation de la vitesse de rotation du moteur et des moyens d'évaluation de la tension continue d'alimentation. Il se caractérise en ce qu'il comprend en outre des moyens de détermination de secondes comoosantes en phase et en quadrature. par rapport audit flux dans le moteur, définissant une tension de commande. en fonction au moins desdites premières composantes et d'une valeur ce couole demandée. Il comprend aussi des moyens pour convertir lesdites secondes composantes en une représentation polaire correspondante comprenant un module et un argument, le module étant directement fourni audit générateur d'impulsions, pour commander l'amplitude de la tension fournie au moteur, tandis que l'argument est fourni à un dispositif de commande de phase recevant aussi ladite phase du flux et une valeur de phase de la tension produite par le générateur d'impulsions et établissant une valeur de correction de fréquence qui est additionnée à une valeur de fréquence statorique pour constituer le signal de commande de freouence transmis au générateur d'imoulsions et v commander la fréquence ae la tension fournie au moteur de manière telle sue l'écart entre ladite phase du flux et ladite valeur de phase tende à devenir égal audit argument. Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit couole demandé étant exprimé sous la forme d'une valeur demandée de flux et d'une valeur demandée de ladite oremière composante en quadrature du courant fourni au moteur, ladite seconde-composante de tension en phase est 1) détermine & partir de léecart entre ledit module du flux: dans le moteur et ladite valeur demandee de flux. et ladite seconde composante de tension en auadrature est déterminée à partir de l'écart entre ladite comoosante en quadrature du courant fourni au moteur et ladite valeur demandée de la première composante en quadrature du courant ourni au moteur. lesdites déterminations étant effectuées dans chaque cas paer un régulateur proportionnel et intégral. Selon une autre caractéristique de l'invention. lesdites déterminations incluent chacune une correction de la comoosante produite. en fonction des valeurs servant à edéterminer l'autre composante. de façon que la détermination deune composante soit. autant que possible, accomoagne d'une compensation de l'effet que cette détermination a sur la valeur de l'autre composante. Selon une autre caractéristiqoue de l'invention, ladite valeur de la fréquence statorique est obtenue par l'addition a une valeur de fréquence adérives de la rotation du rotor d'une valeur d'écart de freaéuence déterminée à partir desdites composante de courant. 350 Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant e:xposes dans de plus amples détails au cours de la description qui va suivre d'un exemple de mise en oeuvre de l'invention donné & titre non limitatif. en se référant aux figures anne=:ées qui reDrésentent: - la fiaure 1. un diagramme du système de commande vectorielle pour moteur electrioue à cage de l'invention. - la figure 2. le schéma électricue équivalent du moteur, valable en regime établi seulement, pour l'une quelconque des trois phases, et - la figure 3, un diagramme vectoriel représentant les champs, courants et tensions dans le schéma de la figure 2, - la figure 4, le diagramme d'un mode de ii réalisation du dispositif de reéoulation REG de la figure 1. Les moteurs asvnchrones dont il s'agit sont généralement triohcsés. Le système de commande de l'invention traite des valeurs relatives à l'une des phases de l'alimentation du moteur. Il enmendre wes sionaux de commande et les fournit à un genérateur d'impulsions modulées en largeur MLI, leouel reçoit ces signaux de commande et fournit à un onduleur OND alimentant le moteur M les trois signaux de déclenchement Fsmot, correspondant à trois tensions alternatives triphasées. Ce genérateur MLI reçoit ainsi un signal de commande Mood, ui définit l'amplitude de la tension triphasée à fournit au moteur (en pourcentage d'une tension continue d'alimentation de puis- sance U, par exemple). Il reçoit aussi un signal de commande Fsmli qui définit la fréquence de la tension alternative triphasée à fournir au moteur. Le système de commande de l 'invention est associé. de façon classique, à des moyens Dour obtenir des entrées du moteurs la valeur des courants IsI a Is. et des tensions Vsl à Vs3 fournis par 1 'onduleur Dour les trois phases, ainsi que, le cas échant, des moyens pour obtenir la valeur de tensions magnétisantes Uml à UmZ fournies par des spires de flux disposées dans le moteur. Par ailleurs, une valeur Fr est également obtenue du moteur et caractérise la vitesse de rotation du rotor. Le schéma électrique équivalent du moteur, en 264495O regime établi seuiement, pour chacune ces phases, est représente A la figure 2. La tension Us engendre un courant 1s produisant un flux statorique Qs leouel, apres déduction des pertes Ll.Is, fournit le flux: magnétisant m. C'est ce flux qui est évalué par les spires de flux mentionnées précédemment et oui est traduit en une tension Um. Le courant rotorique Ir est dérivé du courant statorique Is et induit le flux: rotorioue r, lequel. avres déductions des pertes Lr.Ir fournit aussi le flux mmgnétisant im. La résistance ohmiaue du stator esm reorésentee en R:e. en série avec les inductances oe fuite L1 et meonétimsante Lm. Lm résistance rotoriaue est indiouee en Rr/G. Elle est variable et inversement proportionnelle au glissement G. Le diagramme de la figure: reDresente le flux: Qr tournant à la vitesse 3s pavr ramort & un réferentiel fixe aob. Les orojiections de tr sur les a::es Oa et Ob sont representeeE en 4ra et trb. L'angle entre le vecteur de flu: ir et 1:sae OD est à. Le vecteur de coursnt Is et le 2C0 vecteur de tension ULs sont également reorésentés à la figure Z. avec leurs projections. Id. Uid et la. Uq. sur les a:es Od.-colineaire au vecteur -r. et DO, en quadrature avec ce dernier. Les composantes- Ia et lb du courant Is dans le référentiel fixe sont éoalement reDrésentees. En revenant maintenant è la figure 1, les courants et tensions instantanés sur les trois phases, Isl/3 et Usl/,. ainsi que les tensions instantanées des spires de flu:: permettent. dans un module de démodulation DEMOD, d'établir les valeurs Id% Iq. 4r et p. Les valeurs Id et Ic sont les composantes du courant Is dans le référentiel lié au flu:: fr. Les formules permettant d'établir les valeurs des flux: indiauées la figure 2 A oartir des tensions Um1/5 fournies par les spires de flu; sont les suivantes: -5m = fUmdt s = m + Ll.Is Or = Lr/Lm.fm - L2.Is En l 'absence de spires de flu:x, les valeurs de flu:x peuvent cependant être établies à l'aide des formules suivantes: s = (us - Rs. Is) dt )m = ès - Ll.Is I-rnfi- Or = -; @ (------ + L2) I Ainsi, par intégration des tensions Umli/. on obtient des flux maonétisants ml/. Une transformation de Fortescue fournit des composantes dans le réferentiel fixe de la figure: pma = 5/T Qmi emb = f:5(-ml + 2m2) et de là on obtient la valeur du module du vecteur flu>: magnétisant: m = Oman + mb2 De la mome façon, les composantes du flux rotoriaues dans le référentiel fixe sont établies par les formules: ra = (1 + L2/Lm) ma - L2.Ia Prb = (1 + L2/Lm)mb - L2Jb et le module du flux rotorique par: 264495n Qv- = / 4l3r2..et lir tandis aue l'argument est fourni par: S p = Arccos 4ra/QrD ou Arcsin Qrb/fra L'établissement des comoogantes en phase et en quadrature du courant Is dans le référentiel lié au vecteur tr sobtient &. artir deg courants Is1 et 1s2, lequels, par 1I transformation de Fortescue. fournissent les courant la et lb: la = g i T 1 lb = (I1 + 2. 12) Ensuite. geometrinuement: Id = (ra.ia + rb.lb)/fr la = Qra. Ib - Qrb. la>/r Les composantes de courant ainsi établies et le module du flu:: rotorique -r sont fournis & un dispositif de regulation REG qui reçoit par ailleurs deux valeurs lqcons et Qrcons. Ces valeurs sont dérivees de façon claEsique d'une commande manuelle de couple par un dispositif de traduction qui fait correspondre à chaque valeur de couple demandée. une valeur de flu:: rotoricue et une valeur de courant en auadrature. Le disoositif de régulation REG a our fonction ae faire esorte aue ces valeurs soient atteintes. Plus oarticuliérement? le dispositif de régulation REG a pour fonction d'engendrer oes composantes Uq et Ud (voir figa.2) dont la composition définit un vecteur de tension Us devant etre aoplique au moteur. Comme le genérateur MLI n'accepte qu une commande d'amplitude et une commande de fréquence, le dispositif de régulation REG est suivi d'un étage de conversion oe coordonnées CONV Qui fait correspondre à chaque couple de valeurs Uq. Ud, le module Mod du vecteur Us et un argument econs définissant ce vecteur dans le référentiel tournant. La figure 4 représente, de façon simplifiée, les operations accomplies aans le disoositif REG. On voit pue la valeur de la composante Io observée sur le moteur est soustraite de la valeur de composante de courant en ouadrature Iqcons. l'écart étant amplifie, intéore et/ou inteégre par l'étage de régulation F'IDi. pour fournir une valeur de composante de tension en quadrature UL, la boucle se'équilibrant lorsque la composante de courant en quadrature Iq observée sur le moteur est égale à celle oui est demandée lacons. De la méme façon. le module de flux r est soustrait du module de flux demandé Arcons et l 'écart est amplifié, inteégré et/ou dérivé dans l'étage de régulation PID2. pour fournir une composante de tension Ud. la boucle s'équilibrant lorsQue le module du flux dans le moteur est égal au module de flu>x demandé. Après conversion dans 1 'étage CONV. les composantes Uq et Ud fournissent le signal de commande Mod. qui est l'amplitude de la tension à fournir au moteur, ainsi que 1 'argument %cons qui est 1 'angle que forme ce vecteur avec l'axe Od. La tension d'alimentation du moteur LUf est appliquée à l'étage CONV et il en est tenu compte dans la détermination du signal de commande Mod. L'argument ccons est apoliqué à une circuit de calcul de phase CPH oui reçoit par ailleurs l'angle P Qui décrit la position du réferentiel tournant, par rapport au référentiel fixe, telle qu'elle est observée sur le moteur, 264495n 1 O et i 'anale fmul est indique par le généraz r MLI et oui situe le vecteur ae tension var raDport au référentiel Tfixe. A l'éouilibre: P-f =, con et le sional de correction de fréauence Fc est nul. Par ailleurs. le alissement du moteur peut tre évalué comme un écart de frecuence AF qui est égal. la différence entre la fréquence aui caractérise la vitesse de rotation du chamo tournant et une fréqauence qui caractérise l rotation du rotor. On sait aue cet écart de fréquence est fonction eu rapoort entre les comoosantes de courant lq et Id (ou de l'anagie du module du fiuu xr par rapport au courant). Le dismositif EEF recevant ies com.posantes Id et la (ou tri évalue cet écart de fréquence F en effectuant le rapport entre les deux comoosantes? affecté d'un coefficient aporoorie. La fiaure 1 reoresente egalement une entree cor du aisoositif EEF oui re oit un sianal Fc nar l'intermédiaire d'un etace d"intearation la. On verra que le signal Fc est ) un sionali d'erreur. L'intéoration de ce sianal d'erreur sur une poriode suffisamment lonaus, 1 mn. par exemple. permet de deceler une erreur continue aui viendrait d'une mauvaise évaluation de lecart de frequence AF. Le signal fourni à l'entrée cor a pour effet. dans le dispositif EEF, de corriger une telle erreur. La vitesse de rotation du rotor est directement obtenue par un caoteur de vitesse fournissant une valeur Fr. En lui a3outant l'écart de fréquence ci-dessus décrit. on obtient donc une valeur de frequence Fs correspondant & C0 la vitesse de rotation du champ statorique. Tant que le sional de correction de fréquence Fc est nul, cette valeur Fs est aopliquée au agénérateur MLI sous la forme du signal de commande de freéquence Fsmli nui définit la fréauence de la tension apoliquée au moteur M. Le signal d'écart de fréquence àF est tel qu'un ralentissement du moteur tend a 264495n 1l réduire-la fréquence fournie par le ogénerateur d'impulsions MLI pour que 1 angle entre le courant et le flux reste limité. Lorsque le signal Fc n'est pas nul. il s'ajoute au signal Fs et le signal Fsmli est modifie dans un sens tel oue l 'argument rdu flux moteur tende à se maintenir à une distance angulaire égale à %cons de l'angle de la tension appliquée au moteur. Les différents dispositifs constituant le système de commande vectorielle de l'invention oeuvent être réalisés chacun sous la forme d'un processeur autonome, ou d'une cellule de traitement dans un orocesseur contenant tous les dispositifs représentés. Les opérations d'intégration portant sur les tensions observées aux entrées du moteur peuvent être effectuées analogiquement. Ensuite, de préférence. les valeurs analogiques sont échantillonnées et converties en valeurs numériques. Le calcul qui dans le dispositif de démodulation DEMOD établit les valeurs de Id. Iq, Or, puis celui oui, dans le dispositif de régulation REG et le disoositif de conversion CONV établit le module et 1 'argument du vecteur tension à produire, dans le référentiel tournant. sera effectué périodiquement. La périodicité peut être de quelques cycles complets par seconde seulement. Le signal de commande Mod est donc remis à jour avec cette periodicité. Le signal Fr qui mesure la vitesse de rotation du moteur peut être établi avec une périodicité bien supérieure. Il est complété par l'écart de fréquence OF à la cadence de fonctionnement des dispositifs DEMOD et EEF. A la même cadence,- le signal Fs résultant peut être modifié par le signal de correction de fréqouence Fc produit par le dispositif CPH, pour fournir le signal de commande de fréquence Fsmli. 2644950n REVENDICAT IONS 1. Svsteme de commande vectorieile Dour moteur eiectriaue asynchrone a cage alimenté Par un ognérateur S d'impulsions modulees en laraeur commandant un onduleur fournissant, a partir d'une tension continue. au moins une tension alternative d'alimentation au moteur asynchrone, ce svsteme comprenant des movens d'évaluation* Par rapport & un référentiel fi:es du module itr) et de la phase ( et un argument ( cons). le module étant directement founi audit génerateur d'impulesions (MLI), pour commander l'amplitude de la tension fournie au moteur. tandis aue l'araument est fourni à un oispositif de Commande ae phase (CPH) recevant aussi : ladite phase du flux (p) et une valeur de phase (p) de la tension produire par le générateur d'impulsions (MLI) et etablissant une valeur de correction de fréauence (Fc) qui est additionnée à une veleur de fréquence statorique (Fs) oour constituer le sional de commande de frequence (Fsmli) transmis au genérateur dîimmulsion (MLI) et y commander la 264495n fréquence de la tension fournie au moteur de manière telle due l 'écart entre ladite phase du flux et ladite valeur de phase tende à devenir égal audit argument. 2. Systeme de commande vectorielle pour moteur électrique asynchrone à cage conforme à la revendication 1. caractérisé en ce que ledit couple demande étant exprimé sous la forme d'une valeur demandée de flux (+rcons) et d'une valeur demandee de ladite première composante en quadrature (Iocons) du -courant fourni au moteur, ladite seconde composante de tension en phase (Ud) est déterminée à partir de l'écart entre ledit module (Or) du flux dans le moteur et ladite valeur demandée de flux (frcons>. et ladite seconde composante de tension en quadrature (Uq) est déterminée a partir de l'écart entre ladite composante en Quadrature (Io) du courant fourni au moteur et ladite valeur demandée de la première composante en Quadrature (Iqcons) du courant fourni au moteur, lesdites déterminations étant effectuées dans chaque cas par un régulateur proportionnel. intégral et/ou à dérivation (PID1. PI2D). 3. Systeme de commande vectorielle pour moteur électrique asynchrone à cage conforme a la revendication 2, caractérisé en ce Que lesdites déterminations incluent chacune une correction (Corq, Cord) de la composante produite en fonction des valeurs servant à déterminer l'autre composante, de façon que la détermination d'une composante soit, autant Que possible, accompagné d'une compensation de l'effet que cette détermination a sur la valeur de l 'autre composante. 4. Systeme de commande vectorielle pour moteur électrique asynchrone à cage conforme a la revendication 1, caractérisé en ce que ladite valeur de la fréquence du courant statorique (Fs) est obtenue par l'addition à une valeur de freéouence dérivée de la rotation du rotor (Fr) d'une valeur d'écart de fréquence (tF) détermineée partir desdites composantes en phase et en quadrature du courant fourni au moteur.