Brevet FR2700079A1 — publié le 19940701

PROCEDE D'ALIMENTATION D'UNE CHARGE INDUCTIVE ET DISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE La présente invention concerne un procédé d'alimentation d'une charge inductive, comme par exemple un moteur électrique, ainsi qu'un dispositif de régulation de l'alimentation de cette charge mettant en oeuvre un tel procédé, et permettant un rendement optimum de la charge et du dispositif. Le principe d'alimentation d'une charge inductive comme un moteur électrique au moyen d'une onde de tension alternative pouvant être de fréquence et d'amplitude variable est connu Il s'agit de découper une source de tension continue de manière à obtenir aux bornes du moteur une onde ayant une forme voulue afin d'adapter la tension d'alimentation du moteur à son couple de charge Lorsque la source de tension est alternative comme par exemple celle du réseau, on intercale un module intermédiaire permettant de se ramener à une onde continue qui va être découpée suivant un procédé de modulation de largeur d'impulsion MLI (PWM pour pulse width modulation en langue Anglaise) qui permettra d'appliquer la forme de tension désirée aux bornes du moteur. Lorsque la source de tension est déjà continue, celle-ci peut être directement découpée par le procédé MLI Cette technique connue de l'homme du métier est décrite dans un ouvrage de Yvon PEERS intitulé "Variation de vitesse" aux éditions HERMES. L'utilisation d'un tel procédé pose de nombreux problèmes que l'on peut considérer sous deux aspects: l'un lié aux "basses" fréquences c'est à dire aux fréquences de l'ordre de celle du fondamental de tension moteur ou de ses harmoniques, l'autre aux "hautes" fréquences c'est à dire aux fréquences de l'ordre de celle du fondamental de découpage MLI ou de ses harmoniques. Du point de vue des "basses" fréquenr As, le problème rencontré est l'irrégularité du couple fourni, en effet, la génération d'harmoniques de tension créent des harmoniques de couple qui perturbent celui-ci, le flux d'entrefer créé dans le moteur n'étant pas parfaitement sinusoïdal Ainsi, ces ondulations de couple ont deux types de conséquences: acoustiques et mécaniques Les harmoniques de tension créent des harmoniques de couple qui provoquent des vibrations désagréables pour l'utilisateur, qui peuvent être dommageables à l'environnement du moteur et qui provoquent une diminution du rendement du moteur. Du point de vue des "hautes" fréquences, la fréquence des découpages MLI ainsi que ses harmoniques se retrouvent dans les spectres acoustique et vibratoire du moteur Les fréquences issues du découpage sont d'autant plus désagréables qu'elles se situent dans le domaine des fréquences audibles Pour atténuer ces nuisances, il est nécessaire de recourir à des dispositifs de calfeutrage acoustique qui sont autant d'obstacles aux échanges thermiques indispensables du moteur avec son environnement et qui obligent à une réduction de la plage de fonctionnement du moteur. D'autre part, le fait de superposer au fondamental de tension moteur un procédé MLI a pour conséquence une nouvelle diminution du rendement du moteur et une augmentation des échauffements d'autant plus importants que la fréquence de découpage est basse En effet, le découpage de l'onde de tension continue donne à l'induction une forme de succession de rampes montantes et descendantes à la fréquence de découpage Cette forme en dents de scie se retrouve amplifiée au niveau de l'onde de champ magnétique du fait de la propriété de l'amplificateur non linéaire qu'est la tôle Pendant les découpages, au cycle d'hystérésis normal d'un champ sinusoïdal viennent se superposer des cycles annexes ayant pour conséquence des pertes fer qui diminuent le rendement et se traduisent par des échauffements de la tôle, ces échauffements pouvant imposer une limitation de la plage de fonctionnement du moteur. Un procédé de découpage MLI nécessite des commutations d'interrupteurs de puissance du dispositif de régulation qui s'accompagnent obligatoirement de pertes par commutations et d'une diminution du rendement de l'électronique de puissance Afin de limiter l'échauffement de ces commutateurs de puissance, il est nécessaire d'augmenter la taille des radiateurs et avec eux le coût et l'encombrement si l'on veut éviter une diminution de la fiabilité du dispositif. Faire varier la largeur des impulsions implique de faire varier les temps d'ouverture et de fermeture des interrupteurs de puissance De part leurs constitutions, ceux-ci possèdent une limite basse de temps de fermeture (ton) et d'ouverture (toff) au dessous de laquelle il est impossible de les faire fonctionner correctement Du fait de ces limitations durant le découpage de la tension continue E il ne sera jamais possible d'obtenir une valeur crête de la tension synthétisée égale à E, le résiduel étant dû aux ton et toff minimums. C'est notamment le cas lors de l'utilisation d'une MLI de type sinusoïdale qui nécessite des ton et toff suffisamment courts pour respecter la forme sinusoïdale au voisinage de la crête Ainsi, soit l'on respecte la forme sinusoïdale et la valeur crête n'est pas E, soit l'on obtient une valeur crête E mais on déforme alors l'onde qui s'applatit au voisinnage de sa valeur maximum Procéder par une MLI de type sinusoïdale avec des fréquences de découpage de l'ordre de 20 k Hz et des transistors et des diodes de puissance dits rapides, conduit à l'utilisation de 90 à 95 % de la tension E L'obtention d'une tension crête plus proche de E ne peut se faire alors que par diminution de la fréquence de découpage mais cela conduit à une augmentation des phénomènes de pertes par hystérésis et de vibrations évoqués plus haut Ainsi, à puissance de moteur constante, deux solutions sont proposées: travailler avec une tension E plus élevée afin de rattraper le résiduel, mais cela implique de faire travailler les interrupteurs de puissance sous des tensions plus élevées, ou bien modifier le bobinage du moteur afin de le faire travailler à une tension plus faible, mais il absorbe alors plus de courant transmis via les interrupteurs de puissance Dans les deux cas, les solutions proposées sont néfastes aux interrupteurs de puissance. La présente invention permet de s'affranchir de tous ces inconvénients grâce aux caractéristiques astucieuses d'une onde de tension appliquée aux bornes d'une charge inductive obtenue par découpage d'une tension continue. La présente invention a pour objet un procédé d'alimentation d'une charge inductive caractérisée en ce que la tension appliquée aux bornes de la charge inductive est obtenue par découpage d'une onde continue en une onde dont au moins une demi-période comporte un palier, une réalisation particulière de l'invension consistant à appliquer aux bornes de la charge inductive une tension alternative dont la demi- période a la forme d'un trapèze isocèle dont la durée du palier est de T/6, T étant la durée de la période de la tension synthétisée aux bornes de la charge. La présente invention a aussi pour objet un dispositif mettant en oeuvre ce procédé. La présente invention sera mieux comprise et des avantages supplémentaires apparaîtrons à la lecture de la description qui va suivre illustrée par les figures suivantes: la figure 1 représente une forme de l'onde délivrée à un moteur selon un type préférenciel du procédé selon l'invention, et la figure 2 représente un dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans la description qui va suivre, la charge inductive considérée est un moteur électrique, et la tension Um appliquée aux bornes du moteur électrique comporte une composante Um BF qui est la tension aux bornes du moteur du point de vue des basses fréquences, c'est à dire des fréquences de l'ordre de celle du fondamental de tension moteur ou de ses harmoniques, et une composante Um HF qui est la tension aux bornes du moteur du point de vue des hautes fréquences, c'est à dire des fréquences de l'ordre de celle du fondamental de découpage MLI ou de ses harmoniques. Le graphe de la figure 1 comporte en abscisse le temps t et en ordonnée les valeurs de l'onde de tension synthétisée Um BF appliquée aux bornes du moteur 8 La présente invention consiste à générer aux bornes du moteur 8 une onde de tension Um qui est obtenue par découpage d'une tension continue E et qui comporte sur au moins une demi-période, un palier 4 situé de préférence à la crête de cette demi-période Selon l'invention, l'onde peut être alternative et avoir entre ces paliers une forme quelconque, elle peut par exemple avoir la forme de rampes, de sinusoïdes, d'exponentielles, de tangentes, ou de développements à un ordre quelconque de sinusoïdes, d'exponentielles ou de tangentes De préférence, on choisira une forme d'onde telle que celle de la figure 1 sur laquelle est représentée une forme particulièrement intéressante 1 d'une demi-période d'une onde selon l'invention, qui est le trapèze Les rampes ascendante 2 et descendante 3 sont obtenues par le découpage d'une tension continue E grâce à un dispositif du type modulation de largeur d'impulsion MLI connu. Une telle forme d'onde de tension trapézoïdale Um BF nécessitant un découpage de la tension source continue E seulement durant les rampes 2 et 3 permet de tirer le meilleur parti de la tension source E en obtenant, aux bornes du moteur et pendant la durée du palier 4, la même tension E source On a vu que l'utilisation d'une MLI procédant par découpages permanents ne permet pas d'obtenir une valeur crête de la tension synthétisée égale à E du fait de la limite des temps de fermeture ton et d'ouverture toff des interrupteurs de puissance. Or, en admettant un ordre de grandeur de 7 % de résiduel de tension pour une forme d'onde découpée au voisinage des valeurs maximum, la forme d'onde de tension Um BF présente, à puissance moteur constante, deux types d'avantages par rapport aux solutions existantes Le premier est d'utiliser une tension d'entrée de convertisseur environ 7 % moins élevée que dans le cas, par exemple, d'une onde obtenue par découpage MLI sinusoïdale, cela permettant de moins soliciter en tension les composants de puissance La seconde est d'éviter, dans le cas ou la tension d'entrée du convertisseur resterait constante, de définir le moteur pour une tension plus faible dans le cas d'une forme de tension découpée, ce qui conduirait à une augmentation du courant absorbé d'environ 7 % et donc à une plus grande sollicitation en courant des composants de puissance. D'autre part, cette forme de trapèze 1 permet de réduire les pertes par commutation des interrupteurs de puissance du dispositif puisqu'ils ne commutent pas pendant toute la durée des paliers 4, ce qui permet d' améliorer le rendement du dispositif et de diminuer la surface des radiateurs associés et avec eux le coût du dispositif. Sur la figure 1 est représentée une forme préférencielle d'une demi- période de l'onde trapézoïdale qui est le trapèze isocèle. Une autre caractéristique importante de l'invention est la valeur de la fréquence utilisée Dans un mode préférenciel de l'invention la fréquence des découpages pendant la durée des rampes est supérieure à 20 k Hz Toutes les valeurs de fréquences peuvent être utilisées pendant la durée de ces rampes, cependant les avantages à en tirer sont d'autant plus remarquables que la fréquence de découpage augmente, particulièrement à partir d'une valeur de l'ordre de 10 k Hz. En effet, du point de vue de ces 'hautes" fréquences, les fréquences issues des découpages produisent des ondes de vibrations de niveaux d'autant plus faibles et d'autant plus facile à filtrer que leurs fréquences sont élevées. Faire travailler le dispositif de découpage de l'onde à des fréquences supérieures à 20 k Hz permet de s'affranchir des dispositifs supplémentaires de calfeutrage acoustique, lesquels auraient pour conséquence la dégradation des échanges thermiques du moteur avec son environnement La fiabilité du moteur est donc accrue et il peut être utilisé dans une plus grande plage de fonctionnement. D'autre part les vibrations étant d'autant plus aisément filtrables que leur fréquence est élevée, la conception de la fonction amortisseur des éléments de couplage situés entre le moteur et son support est simplifiée. De plus, à de telles valeurs de fréquence de découpage, les amplitudes des cycles d'hystérésis annexes évoqués plus haut diminuent et avec elles les pertes fer dans le circuit magnétique du moteur qui sont responsables d'échauffements de la tôle Le rendement du moteur est ainsi augmenté par rapport au cas d'utilisation de fréquences de découpage plus basses. Bien qu'il n'y ait aucune restriction quant aux durées des rampes 2 et 3 ou des paliers 4, une autre caractéristique importante de l'invention est la durée des paliers de l'onde Um BF appliquée aux bornes du moteur 8 par rapport à la période de celle-ci En effet, une forme de tension trapézoïdale, qui peut être isocèle, dans laquelle les paliers ont une durée de T/6 lorsque la période du fondamental de l'onde de tension Um BF est de T, ne comporte aucune harmonique contribuant pour plus de 3 % à la valeur efficace globale, en particulier l'harmonique de rang 3 est pratiquement inexistante. Cette forme trapézoïdale isocèle ayant un palier de T/6 permet de ne pas rajouter d'harmoniques de tension magnétique d'entrefer par rapport à une alimentation de ce moteur en régime sinusoïdal pur. Cette forme particulière de trapèze, comme les formes d'ondes évoquées plus haut possédant un palier, permet de limiter les ondulations du couple dues aux pertes harmoniques dans le moteur, ces pertes harmoniques étant responsables de vibrations mécaniques et acoustiques néfastes aux "basses" fréquences évoquées plus haut L'obtention d'un couple moyen régulier passe par la création d'un flux d'entrefer le plus sinusoïdal possible, ceci au moyen d'une tension d'alimentation du moteur se limitant le plus possible au fondamental de sa décomposition en série de Fourier Ces spécificités permettent de ne pas augmenter les pertes harmoniques du moteur, tout en permettant de réduire les pertes par commutation des interrupteurs de puissance. La présente invention concerne aussi un dispositif mettant en oeuvre le procédé décrit précédemment Ce dispositif est illustré par la figure 2. Dans le cas o la tension source Ue n'est pas continue mais alternative, un moyen redresseur 5 permet de convertir la tension alternative Ue en une tension continue E Ce moyen redresseur 5 peut être un pont à diodes classique ou tout autre dispositif connu, auquel est appliqué la tension source alternative Ue et qui délivre une tension continue de préférence au travers d'un filtre qui peut être constitué d'une inductance L permettant de limiter les pointes de courant et une capacité C permettant quant à elle de filtrer la tension redressée. La tension continue E ainsi obtenue est appliquée à un dispositif 6 de commutateurs et de diodes de puissance commandés par un module 7 de découpage de la tension continue E, ce module 7 pouvant être un module de type MLI Celui-ci, par un jeu de commandes des commutateurs du dispositif 6 à la portée de l'homme du métier, délivre aux bornes d'un moteur 8 une tension Um BF qui a les caractéristiques décrites à partir de la figure 1 C'est à dire que la forme d'une demi-période de cette onde Um BF comporte un palier situé de préférence sur la crête de celle-ci, peut être trapézoïdale, isocèle ou de toute autre forme citée plus haut dans la description du procédé, et obtenue par découpage de la tension continue E à des fréquences de préférence supérieures à k Hz pendant la durée des rampes de l'onde synthétisée Le palier de celle-ci peut avoir une durée de T/6 quand T est la période de la tension synthétisée Um BE. La présente invention s'applique à tous les types de charges inductives comme les transformateurs ou les moteurs électriques alternatifs, avec ou sans collecteur, et particulièrement aux moteurs asynchrones monophasés ou polyphasés. REVENDICATIONS 1 Procédé d'alimentation d'une charge inductive ( 8) caractérisé en ce que la tension (Um BF) appliquée aux bornes de cette charge ( 8) est obtenue par découpage d'une tension continue (E) en une onde dont au moins une demi-période comporte un palier ( 4). 2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'onde obtenue (Um) est une onde alternative. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ce palier ( 4) est situé sur la crête de la demi-période. 4 Procédé selon la revendication 3 caractérisée en ce que cette demipériode a une forme trapézoïdale ( 1) comportant une rampe ascendante ( 2), un palier ( 4) et une rampe descendante ( 3). Procédé selon la revendication 4 caractérisée en ce que la fréquence de découpage de la tension continue (E) pendant la durée des rampes ( 2,3) est supérieure à 10 k Hz. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 5 caractérisé en ce que l'onde (Unm BF) appliquée à la charge inductive ( 8) a la forme d'un trapèze isocèle ( 1). 7 Procédé selon l'une quelconques des revendications précédentes caractérisé en ce que la durée des paliers ( 4) est de l'ordre de T/6, T étant la période fondamentale de l'onde (Um BF) appliquée aux bornes de la charge inductive ( 8). 8 Dispositif de régulation de l'alimentation d'un moteur ( 8) caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commutateurs ( 6) commandés par un module ( 7) permettant de découper une tension continue (E) afin d'appliquer aux bornes de la charge inductive ( 8) une onde de tension (Um BF) telle que celle revendiquée dans l'une quelconque des revendications précédentes. 9 2700079. 9 Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que la tension continue (E) est obtenue grâce à un moyen redresseur ( 5) à partir d'une tension source alternative (Ue). 10 Dispositif selon la revendication 9 caractérisé en ce que le moyen redresseur ( 5) est un pont à diodes.