Brevet FR2705789A1 — publié le 19941202

La présente invention concerne un procédé qui permet d'identifier l'impédance d'un réseau d'alimentation électrique ou, également, l'impédance d'une machine électrique branchée sur ce réseau. Les perturbations du réseau provoquent des dysfonctionnements des convertisseurs de puissance branchés sur ce réseau ; ces dysfonctionnements peuvent s'avérer destructeurs et donc coûteux pour les charges alimentées, en particulier les machines électriques. Il faut donc que les matériels électriques, en particulier les convertisseurs, soient eux mêmes suffisamment immunisés et protégés pour résister le mieux possible à certaines perturbations du réseau. C'est le cas par exemple des redresseurs à découpage commandés en modulation de largeur d'impulsion qui doivent être insensibilisés aux perturbations du réseau. On a donc développé une commande adaptative pour garder le contrôle du convertisseur que celui-ci soit en charge sur un réseau sain ou sur un réseau perturbé. L'identification des paramètres du réseau s'effectue actuellement de la manière suivante. On réalise une modélisation du réseau qui, dans le cas présent est une impédance réduite à une inductance. La modélisation peut être plus ou moins fine avec un nombre de paramètres plus ou moins important. La difficulté d'évaluation des valeurs de ces paramètres croît avec la complexité du modèle et leur nombre. On réalise un certain nombre de mesures, en général une tension et un courant. Ces mesures sont effectuées alors que le réseau est excité par un signal extérieur, par exemple par un signal d'excitation du type signal pseudobinaire aléatoire (SPBA). L'utilisation d'un tel signal permet d'obtenir une grande richesse spectrale des mesures. Les mesures sont ensuite utilisées pour obtenir les valeurs des paramètres en utilisant un algorithme d'identification. L'algorithme couramment utilisé est la série de Fourier qui fournit les impédances harmoniques. Cet algorithme converge après un grand nombre de mesures qui sont si possible riches spectralement et cela nécessite un temps de calcul qui est supérieur à la seconde. Dans le cas d'une machine électrique, par exemple une machine asynchrone fonctionnant avec un convertisseur du type onduleur à modulation de largeur d'impulsion, on retrouve les mêmes caractéristiques de fonctionnement, dans la modélisation, que pour un redresseur à modulation de largeur d'impulsion branché sur le réseau. Les paramètres inconnus sont alors les impédances de la machine. La commande de cette machine nécessite la connaissance de ces paramètres qui varient suivant le point de fonctionnement. On a envisagé différentes méthodes d'identification de ces paramètres conformément au principe suivant. On effectue à l'arrêt ou en des points de fonctionnement précis (couple nul...) une mesure des variables accessibles puis on effectue une extrapolation pour déterminer les valeurs recherchées ou leur évolution en régime transitoire. Dans le cas de la détermination des paramètres d'un réseau, le procédé utilisant un signal extérieur superposé du type signal pseudobinaire aléatoire présente l'inconvénient que ce signal entraîne des perturbations de fonctionnement ; de plus le temps de calcul est grand, si bien que l'on ne peut pas obtenir une détermination en temps réel. Dans le cas de la détermination des paramètres d'une machine asynchrone, on effectue une mesure hors ligne de manière à prédéterminer la valeur des paramètres. Il ne s'agit donc pas non plus d'une détermination en temps réel. De plus, on ne peut pas déterminer de manière précise les paramètres du régime transitoire de la machine qui sont ceux qui apportent le plus de perturbations. Il est souhaitable de disposer d'un procédé de détermination des paramètres caractéristiques des perturbations d'un réseau de distribution électrique ou d'une machine électrique telle qu'une machine asynchrone qui permette d'obtenir une détermination en temps réel sans introduire de perturbations dans le réseau. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détermination des parametres caractéristiques des perturbations d'un réseau de distribution électrique ou d'une machine électrique telle qu'une machine asynchrone, en particulier, pour chaque phase, de l'amplitude et du déphasage de la tension et de l'impédance, dans lequel on mesure la tension et le courant et l'on calcule l'impédance par un calcul matriciel, caractérisé en ce que l'on prélève une tension découpée fournie par un convertisseur à découpage, par exemple par un redresseur à commande par modulation de largeur d'impulsion, l'on intègre ladite tension découpée, l'on numérise le signal obtenu par ladite intégration, l'on dérive le signal fourni par ladite numérisation et l'on calcule la valeur moyenne discrétisée du signal obtenu par ladite dérivation. Le fait de prélever une tension découpée fournie par un convertisseur à découpage, redresseur ou onduleur, à commande par modulation de largeur d'impulsion permet d'obtenir un signal très riche en harmoniques. L'intégration de ce signal sous forme analogique permet de conserver toutes les composantes harmoniques. On peut alors travailler en numérique, en numérisant ce signal obtenu puis en le dérivant pour calculer la valeur moyenne discrétisée. Ce procédé permet de réaliser une détermination pratiquement en temps réel sans superposer de signal d'excitation. Selon une autre caractéristique de l'invention, la période de commutation de ladite tension découpée est égale à un multiple entier de la période de numérisation, ces deux périodes étant synchronisées. Avantageusement, la période de commutation de ladite tension découpée est égale à au moins quatre fois la période de numérisation. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la valeur moyenne discrétisée est calculée par la méthode des moindres carrés avec inversion de matrice. Cette méthode permet d'obtenir en un temps de calcul réduit une précision suffisante pour la détermination des paramètres du réseau ou de la machine électrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est le schéma de modélisation d'une phase d'un réseau de distribution électrique ; - la figure 2 représente un réseau alimentant un redresseur en pont à modulation de largeur d'impulsion; - la figure 3 représente les courbes de tension et de courant du redresseur de la figure 2 - la figure 4 illustre schématiquement l'invention; - la figure 5 est une forme de courbe de tension; et - les figures 6A à 6F représentent les courbes de résultats expérimentaux. On voit sur la figure I un schéma expliquant la modélisation d'une phase d'un réseau de distribution électrique. Cette modélisation permet de détecter, à partir de l'observation de la tension Vp et du courant de réseau In, les variations de l'amplitude et de la phase de la tension de réseau, ainsi que la valeur de l'impédance Ln du réseau pour la fréquence fondamentale. Il est ainsi possible de prendre en compte les effets de perturbations tels que des surtensions, des creux de tension, des coupures brèves, des déséquilibres, des fluctuations rapides de tensions ou des surtensions transitoires. L'identification de l'impédance du réseau présente un intérêt particulier du fait que la charge considérée est un redresseur à modulation de largeur d'impulsion. Le but est d'insensibiliser le côté continu du redresseur à modulation de largeur d'impulsion de façon à limiter les conséquences de perturbations du réseau du côté utilisateur. En particulier, les études montrent qu'un creux de tension fait apparaître une perturbation harmonique d'ordre 2 au niveau du condensateur de sortie du redresseur, donc un comportement oscillatoire, voire instable du système. On a donc développe une commande adaptative pour garder le contrôle du convertisseur quelles que soient les perturbations du réseau. Ceci est représenté sur la figure 2 où l'on voit un redresseur triphasé comportant des composants commandés T1, T'1, T2, T'2, T3, T'3 fonctionnant en bloquésaturé et un condensateur de sortie 1. La figure 3 représente les diverses courbes des tensions et des courants pour une commande classique, dans le cas présent dans le référentiel tournant dq de Park : la régulation utilisée est une régulation cascade comprenant deux régulateurs PID. La boucle intérieure régule les courants de phase et la boucle extérieure régule la tension du condensateur de sortie 1. La tension de réseau et la tension de pont (prises au point A,B ou C) sont mesurées par rapport à la terre. Le courant est obtenu à partir de la différence de potentiel aux bornes de l'impedance. Sur la figure 3, les trois courbes représentent respectivement le courant d'une phase, Inl, les impulsions de commande du composant commandé T1 et la tension de phase Vnl. La tension de pont est a priori riche en harmoniques puisque c'est une tension hachée. Il apparaît donc intéressant d'utiliser ce signal pour l'identification. Cela permet avantageusement d'identifier l'impédance du réseau sans superposer de signal d'excitation du type signal pseudobinaire aléatoire. A cet effet, il est nécessaire d'obtenir la valeur moyenne discrétisée de la tension de pont. On effectue tout d'abord une intégration analogique de la tension de pont Vp, ce qui est schématisé en 11 sur la figure 4. Le signal obtenu est ensuite soumis à une conversion analogique/numérique dans un convertisseur 12 et le signal de sortie est envoyé à un calculateur 13 dans lequel on effectue une dérivation numérique pour récupérer la valeur moyenne de la tension de pont. On obtient donc une valeur moyenne discrétisée d'une tension découpée fournie par un convertisseur à découpage à modulation de largeur d'impulsion. Le signal de sortie du calculateur 13 est envoyé à un dispositif de calcul de l'impédance instantanée du réseau qui reçoit par ailleurs un signal représentatif du courant de réseau et qui fournit un signal représentatif de la valeur instantanée de l'impédance qui est envoyé au dispositif de commande du pont redresseur. Avantageusement, le calculateur 13 est du type "transputeur". ctest-à-dire un microprocesseur effectuant du calcul parallèle. Cela permet de diminuer notablement la durée du calcul. Si la période d'échantillonnage Tid du convertisseur 12 est la même que la période d'échantillonnage Tred du redresseur à modulation de largeur d'impulsion, la valeur moyenne de la tension découpée de pont Vp sur l'intervalle Tred correspond à la valeur désirée de la commande du redresseur à modulation de largeur d'impulsion. Cette valeur Vp évolue comme une fonction sinusoïdale. Dans ce cas la matrice G de réseau est singulière et l'identification de l'impédance du réseau sera faussée. Cette matrice G correspond à la matrice qu'il faut inverser pour calculer l'algorithme des moindres carrés. Par conséquent, conformément à une caractéristique importante de l'invention, la période de commutation du redresseur à modulation de largeur d'impulsion est un multiple entier de la période du convertisseur analogique/numérique, lesdites périodes d'échantillonnage du convertisseur et du redresseur étant maintenues en synchronisme. Avantageusement, la période d'échantillonnage du redresseur est égale à au moins quatre fois la période d'échantillonnage du convertisseur analogique/numérique. Le choix de cette valeur permet de conserver une bonne partie de la richesse harmonique du signal de tension découpée de départ tout en maintenant les fronts. La figure 5 représente la forme de la sinusoïde que l'on peut alors obtenir, cette figure réprésente en fait la sortie y(k) du calculateur 13 pour une entrée Vp évoluant sur une période de réseau comme une fonction sinusoïdale. Dans ce cas, la matrice G de réseau n'est plus singulière et l'on conserve la valeur moyenne de la tension de pont Vp. Comme indiqué plus haut, ceci est obtenu sans superposition de signal d'excitation. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'algorithme de calcul utilisé est la méthode des moindres carrés avec inversion de matrice. Ceci est possible du fait que la matrice G de réseau n'est pas singulière et elle est donc inversible. Ce procédé nécessite l'inversion d'une matrice, ce qui entraîne un temps de calcul non négligeable. Le temps de calcul par période d'échantillonnage est limité à la mesure de tension de pont, du courant de la phase et au filtrage numérique de ces valeurs et il est possible par exemple d'effectuer 32 mesures par période du réseau, ce qui correspond à une période d'échantillonnage de 625 microsecondes, soit une fréquence de 1600 Hz. On a constaté que ce procédé permet l'identification des nouveaux paramètres avec une précision suffisante, de l'ordre de 5% en un minimum de temps, par exemple 40 millisecondes, c'est-à-dire deux périodes du réseau. La demanderesse a effectué des essais avec une fréquence d'échantillonnage du convertisseur égale à 4 kHz, soit une période d'échantillonnage de 150 microsecondes. On a utilisé l'algorithme des moindres carrés avec inversion de matrice. Le temps, très court, limite l'opération par période à la mesure, au filtrage numérique des valeurs au remplissage de la matrice des observations et au remplissage récursif de la matrice à inverser. Les figures 6A à 6F montrent les résultats obtenus pour un essai dans lequel on a créé deux perturbations - une chute de 100% à 75% de l'amplitude de la tension du réseau, ce qui créé une chute de l'inductance de réseau de 3,4 à 2,3 mh, à l'instant t = 100 ms - une chute de 75% à 50* de la tension du réseau à l'instant t = 180 ms. La courbe de la figure 6A représente la tension du pont obtenue après intégration, numérisation et dérivation. La courbe de la figure 6B représente la valeur du courant de phase. La courbe de la figure 6C représente l'évolution de la tension du réseau. La courbe de la figure 6D représente la valeur obtenue pour l'in ductance du réseau. La courbe de la figure 6E représente la valeur obtenue pour la phase de la tension et la courbe de la figure 6F représente l'erreur quadratique pour une période en %. Le module de la tension du réseau calculé (figure 6C) converge vers sa nouvelle valeur en une période lorsque l'on effectue le calcul hors ligne. Si l'on effectue le calcul en ligne il faut rajouter une période de réseau pour les différents calculs matriciels On observe une grande précision et une rapidité acceptable. La phase de la tension de réseau reste constante autour d'une valeur de - 109 . A chaque perturbation on observe une légère variation puis une convergence vers la valeur de référence. On voit sur la courbe de la figure 6F que l'erreur quadratique reste faible sauf aux instants de détection des perturbations qui sont déterminés par un dépassement de l'erreur quadratique parfaitement visible. On voit que l'invention permet de déterminer les paramètres des perturbations d'un réseau ou d'une machine électrique en temps réel avec une précision suffisante en un temps relativement réduit. Ceci permet donc de réguler les convertisseurs à modulation de largeur d'impulsion dans de bonnes conditions. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination des paramètres caractéristiques des perturbations d'un réseau de distribution électrique ou d'une machine électrique telle qu'une machine asynchrone, en particulier, pour chaque phase, de l'amplitude et du déphasage de la tension et de l'impédance, dans lequel on mesure la tension (Vp) et le courant (In) et l'on calcule l'impédance (Ln) par un calcul matriciel, caractérisé en ce que l'on prélève une tension découpée (Vp) fournie par un convertisseur à découpage (Tl,T'1,T2,T'2,T3,T'3), l'on intègre ladite tension découpée, l'on numérise le signal obtenu par ladite intégration, l'on dérive le signal fourni par ladite numérisation et l'on calcule la valeur moyenne discrétisée du signal obtenu par ladite dérivation. 2. Procédé de détermination selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur à découpage (T1,T'1,T2,T'2,T3,T'3) est du type commandé par modulation de largeur d'impulsion. 3. Procédé de détermination selon la revendication 1, caractérisé en ce que la période de commutation (Tred) de ladite tension découpée est égale à un multiple entier de la période de numérisation (Tid)r ces deux périodes étant synchronisées. 4. Procédé de détermination selon la revendication 3, caractérisé en ce que la période de commutation (Tred) de ladite tension découpée est égale à au moins quatre fois la période de numérisation (Tid). 5. Procédé de détermination selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur moyenne discrétisée est calculée par la méthode des moindres carrés avec inversion de matrice.