Brevet FR2729256A1 — publié le 19960712

La méthode permet de contrôler un moteur synchrone monophasé à aimants permanents (1) alimenté par une tension d'alimentation ou de réseau connue et apte à optimiser les paramètres de fonctionnement même en présence de fluctuations de tension ou d'une charge appliquée. Il est bien connu que dans un moteur synchrone monophasé à aimants permanents, connecté au réseau d'alimentation à 50 ou 60 Hz, la mise en route du rotor avec la charge qui lui est connectée peut avoir lieu uniquement en ayant recours à une asymétrie particulière d'entrefer et uniquement en présence de charges (d'inertie et de résistance) plutôt faibles. On connaît toutefois des dispositifs électroniques de coût modéré permettant de démarrer un moteur synchrone monophasé à aimants permanents dans le sens de rotation voulu et en présence de charges qui ne sont pas forcément faibles. Dans tous les cas, le rotor doit pouvoir générer un couple de démarrage tel qu'il peut surmonter les inerties et les couples antagonistes offerts par la charge, de manière à se mettre en synchronisme avec la fréquence du réseau. Pour ce faire, le moteur, doté d'un circuit électromagnétique bien défini, requiert, dans la phase de démarrage, une tension d'alimentation en fonction de laquelle on obtient proportionnellement un couple utile plus - 2 - élevé que celui théoriquement nécessaire pour le faire fonctionner en synchronisme (o les couples d'inertie antagonistes ne sont plus présents). Toutefois, vu que la tension du réseau a nécessairement une valeur efficace constante (exception faite des fluctuations du réseau d'alimentation admises en tolérance), il s'ensuit que le moteur doit être conçu autant pour fonctionner avec ladite valeur de tension et la tolérance correspondante que, et surtout, pour pouvoir surmonter la phase de démarrage (c'est- à-dire surmonter le couple antagoniste de la charge auquel s'ajoutent les couples d'inertie), même en conditions de tension minimale. Par conséquent, une fois atteint le synchronisme à la tension nominale, on n'obtient pas l'optimisation de fonctionnement du moteur et donc on ne peut en exploiter pleinement le potentiel. En outre, les paramètres de fonctionnement sont influencés par les fluctuations de la valeur de la tension d'alimentation et par les éventuelles fluctuations de la charge antagoniste; en effet, elles entraînent une variation du comportement thermique dudit moteur qui peut atteindre des températures élevées qui en réduisent le rendement. En même temps, afin de tenir compte, au moment de la conception, des fluctuations susmentionnées, on réalise des moteurs du type cité présentant des dimensions particulières pour les matériaux actifs (fer, cuivre). La présente invention a pour objet de proposer une méthode et un dispositif correspondant pour sa mise en oeuvre qui permettent le contrôle d'un moteur - 3 - synchrone monophasé à aimants permanents de manière à pallier les inconvénients des méthodes et des dispositifs de contrôle correspondants déjà connus. En particulier, le but de la présente invention est d'optimiser les paramètres de fonctionnement d'un moteur synchrone monophasé à aimants permanents en condition de synchronisme. Un autre objet de la présente invention est d'optimiser les paramètres de fonctionnement dudit moteur également en présence de fluctuations de la tension d'alimentation (ou de réseau) ou de fluctuations de la charge résistante. Un autre objet de la présente invention est de permettre de dimensionner les matériaux actifs du moteur par rapport à son fonctionnement optimisé sans que le dimensionnement en question ne doive nécessairement être effectué en tenant compte des fluctuations de la tension d'alimentation ou de la charge. Un autre objet de la présente invention est de proposer une méthode et un dispositif correspondant du type mentionné, faciles à mettre en oeuvre et à réaliser, de coût modéré et d'une grande fiabilité. Un autre objet de la présente invention est de proposer une méthode et un dispositif qui permettent le démarrage du moteur suivant un sens prédéterminé et, par la suite, d'en optimiser le fonctionnement selon les caractéristiques propres au moteur. Ces objets ainsi que d'autres encore qui apparaîtront évidents à l'homme du métier sont - 4 - atteints grâce à une méthode décrite dans la partie caractérisante de la revendication principale. Les objectifs susmentionnés sont atteints grâce à un dispositif pour la mise en oeuvre de ladite méthode, selon les revendications correspondantes annexées. Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit d'une manière non limitative en se référant aux exemples illustrés aux figures des dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un schéma fonctionnel d'un dispositif de contrôle d'un moteur monophasé synchrone à aimants permanents selon l'invention; les figures 2A, 2B représentent, respectivement, une caractéristique du rendement et du courant en fonction de la tension d'alimentation d'un moteur synchrone à aimants permanents; les figures 2C et 2D représentent, respectivement, une caractéristique des mêmes paramètres des figures 2A et 2B, mais lors de la mise en oeuvre de la présente invention; la figure 3 illustre les formes d'onde des grandeurs: u(t) = tension d'alimentation du moteur e(t) = f.é.m. i(t) = courant dans le bobinage, dans un moteur à aimants permanents en synchronisme sans aucun dispositif de contrôle selon l'invention; la figure 4 représente les formes d'onde des grandeurs illustrées dans la figure 3, mais dans un moteur contrôlé selon l'invention; cette figure illustre également la forme d'onde UT(t) de la - 5 - tension sur un interrupteur statique du dispositif de la figure 1 lors de la mise en oeuvre de l'invention; dans la figure est représentée également la première harmonique il(t) du courant i(t); la figure 5 représente un schéma fonctionnel d'un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention. Avant d'entrer dans le sujet de l'invention, il faut d'abord préciser que lors du fonctionnement en synchronisme, le moteur synchrone à aimants permanents est généralement caractérisé par les allures de la tension d'alimentation u(t), de la f.é.m. e(t) induite dans le bobinage par le champ magnétique tournant engendré par les aimants permanents positionnés sur le rotor et par le courant i(t) circulant dans le bobinage du stator comme illustré dans la figure 3. Généralement, en analysant ces grandeurs, il est possible de noter que la f.é.m. e(t) apparaît déphasée et en retard d'un angle (6) et le courant i(t) d'un angle * par rapport à la tension u(t). Le déphasage résultant entre le courant et la f.é.m. est représenté par l'angle A. Les grandeurs susmentionnées, comme on le sait, présentent les expressions analytiques suivantes: u(t) = U. sin (wt) e(t) = E. sin (wt-6) i(t) = I. sin (oet) w = + - ô o U, E et I représentent les valeurs maximales (ou de pointe) des grandeurs mentionnées. Dans les ouvrages techniques, il est connu que si l'on rend ' = 0, c'est-à-dire si la grandeur f.é.m. e(t) est en phase avec le courant i(t), on porte au maximum le rapport couple-courant, c'est-à- dire que l'on obtient la puissance minimale absorbée pour un moteur donné et pour une charge donnée; en agissant à chaque instant de fonctionnement du moteur de manière à rendre '=0, on obtient donc l'optimisation du fonctionnement en diminuant les pertes (efficacité maximale) et le courant. Etant donné qu'en agissant de la sorte, on va en même temps régler la tension d'alimentation du moteur, l'optimisation du fonctionnement est donc assurée même en présence de fluctuations de la tension du réseau et/ou de la charge. Le but recherché par la présente invention est de contrôler un moteur synchrone monophasé 1 (figure 1) à aimants permanents de façon à réaliser la condition de mise en phase entre le courant i(t) (ou plutôt sa première harmonique il(t) et la f.é.m. e(t) susmentionnées). Si l'on se réfère aux figures citées, le moteur 1 est alimenté par la tension de réseau u(t) à travers les lignes électriques 2 et 3 et est commandé et contrôlé dans son fonctionnement par une unité de commande et de contrôle 4, si possible du type à microprocesseur. Ledit contrôle est effectué sur la base de la mesure de deux grandeurs seulement, l'une propre au moteur et l'autre relative au signal électrique qui l'alimente. Ces grandeurs sont la position du rotor dudit moteur et la valeur de la tension d'alimentation uT(t) mesurée sur un interrupteur 5 monté en série avec le moteur 1. Ledit interrupteur est de préférence un interrupteur -7statique, comme un TRIAC, un SCR ou un autre dispositif électronique équivalent. Afin d'enregistrer les grandeurs citées, on prévoit un capteur de position 6, par exemple un capteur à effet Hall, coopérant fonctionnellement avec le rotor susmentionné; pour la prise en compte de la tension, on prévoit une connexion 9 branchée sur un point 10 de la liaison entre l'interrupteur 5 et le moteur 1. Le capteur 6 et le branchement 9 sont connectés à l'unité 4 qui commande la fermeture de l'interrupteur 5 à travers une connexion 11; ladite unité est connectée à la ligne électrique d'alimentation 3 par un point de liaison 12 situé en amont de l'interrupteur susmentionné. Plus spécifiquement, si l'on se réfère à la figure 5, l'unité 4 comprend: un bloc de circuit calculateur 20 servant de transducteur de signal qui reçoit les signaux émis par le capteur 6 et qui est connecté à un noeud sommateur 21; un bloc de circuit 22 connecté au bloc 20 et au noeud 10, qui reçoit et traite le signal de tension u(t) prélevé dans le noeud cité: un bloc de circuit 23 à travers lequel est généré un signal VA de commande de l'interrupteur. Une sortie 24 du bloc 22 est connectée au bloc 20, à une première entrée 23A du bloc 23 et à une entrée d'un bloc de circuit 25 o parviennent également le signal en sortie du bloc 20 et un signal en sortie d'un bloc de circuit 27. Ce dernier reçoit un signal de sortie du noeud sommateur 21 auquel parviennent les signaux de sortie du bloc 25 et du bloc 20. Le signal de sortie du bloc 27 parvient également à une deuxième entrée 23B du bloc 23. A titre d'exemple, on peut citer le fait que le bloc 20, comme il a été dit, est un -8- calculateur de signal, de même que les blocs 23 et ; le bloc 22 est un réseau résistif, c'est-à-dire un bloc qui émet un signal logique; le bloc 27 est un régulateur, par exemple de type "apériodique". La mise en oeuvre de la méthode selon l'invention est exposée ci-après en rapport avec l'utilisation du dispositif susmentionné. Dans l'application pratique de l'invention proposée, il s'agit de pouvoir remonter aux angles de déphasage entre f.é.m. et courant du stator et réaliser ainsi un contrôle qui permette de rendre l'angle '=0, en gérant la valeur de la tension appliquée au bobinage, le tout en prélevant les signaux d'au moins deux seules grandeurs: position du rotor et tension sur l'interrupteur statique 5. A cette fin, par conséquent, on enregistre la tension d'alimentation (réseau) uT(t) qui est mesurable sur l'interrupteur cité quand celui-ci est en condition de non-conduction: il est donc possible de mémoriser, dans l'unité 4, le passage par zéro et la période de cette grandeur même dans une phase initiale de moteur à l'arrêt (avant le démarrage), pour en reconstruire, par la suite, à tout moment, par des algorithmes de comparaison prédéterminés, le passage par zéro dudit signal, du fait que la fréquence de réseau est généralement fixée. L'évaluation de la f.é.m. e(t) et donc du déplacement de celle-ci par rapport à la tension de réseau, c'est-à-dire le passage par zéro de cette grandeur est déterminé à travers l'enregistrement de la position du rotor du moteur 1, c'est-à-dire quand le rotor est aligné avec l'axe du flux du stator: - 9 - grâce au signal émis par le capteur de position 6, il est donc possible de mesurer le retard 6 de la f.é.m. e(t) par rapport à la tension d'alimentation u(t). En connaissant maintenant l'instant o la f.é.m. e(t) passe par zéro, il est possible d'agir sur la mise en route (c'est-à-dire la fermeture) de l'interrupteur statique 5 de façon à ce que la première harmonique Il(t) du courant absorbé i(t) par le moteur soit en phase avec la f.é.m. e(t) en question. Si l'on se réfère à la figure 4 qui illustre les formes d'onde de la tension d'alimentation du courant et de la tension sur l'interrupteur statique pendant l'emploi du dispositif selon l'invention, on peut remarquer que l'allure du courant i(t) en présence du réglage effectué à travers ledit dispositif n'est plus continue (comme à la figure 3), mais présente des discontinuités. Si l'on appelle "y" l'angle de coupure du courant i(t) (par rapport au passage par zéro de la tension d'alimentation) et "a" l'angle d'allumage dudit courant i(t), il est possible de déterminer le déphasage de la première harmonique du courant i(t) par rapport à la tension d'alimentation U(t). Pour obtenir la condition de rendement maximal et de courant absorbé i(t) minimal, le système de contrôle agit donc sur "aE" de manière à porter l'angle "6" en phase avec l'angle "f1", c'est-à-dire la f.é. m. e(t) en phase avec la première harmonique Il(t) du courant i(t). Si l'on se réfère au schéma fonctionnel de la figure 5, la méthode susmentionnée est mise en application selon les modalités suivantes. Au début - 10 - du fonctionnement du dispositif, on réalise une synchronisation du circuit électronique avec la tension d'alimentation. Le bloc 22 enregistre l'instant de la coupure de l'interrupteur électronique et, à partir du signal généré par ce dispositif sont définis les retards de la f.é.m. et de l'allumage de l'interrupteur statique. Le bloc 20 reçoit en entrée le signal du capteur à effet Hall et détermine le retard de celui-ci par rapport à la coupure de l'interrupteur statique. Le bloc 23 évalue le moment o doit être fermé l'interrupteur électronique toujours par rapport à la coupure de l'interrupteur statique. Le bloc 25 détermine, sur la base des retards b, y et a, la phase de la première harmonique du courant. Plus spécifiquement, le signal du capteur de position 6 entre dans le bloc 20 o il est traité en même temps que le signal présent à la sortie 24 du bloc 22, de manière à avoir en sortie le déphasage susmentionné. La tension sur l'interrupteur statique 5 indiquée par UT(t) entre dans le bloc 22 o elle est traitée de façon à avoir en sortie y qui représente le moment de la coupure du courant. En particulier, à chaque fois que l'interrupteur électronique coupe, la tension à ses bornes devient égale à la tension d'alimentation et donc, en enregistrant ce changement, on obtient y qui est un signal temporel auquel se réfèrent les retards 6 et e. Comme on l'a dit, la sortie du bloc 22 constitue une entrée pour le bloc 20, une entrée pour - il - le bloc 23 et une entrée pour le bloc 25. Le bloc 25 reçoit également en entrée les signaux de sortie du bloc 20 et du bloc 27. En même temps, le bloc 27 génère un signal a qui correspond à l'angle d'allumage du courant i(t). Après la phase de démarrage, le moteur, avant l'intervention du dispositif selon l'invention, fonctionne avec un courant i(t) (déphasé en retard d'un angle ô par rapport à la tension U(t)), qui dépend des conditions de charge et des caractéristiques électriques du moteur; cet angle 6 est utilisé comme valeur initiale de a. Par la suite, a est actualisé à plusieurs reprises par le dispositif selon l'invention de manière à "suivre" la condition de déphasage entre la f.é.m. e(t) et la première harmonique il(t) du courant. Les signaux y, 5 et a sont envoyés au bloc 25 qui les traite en les comparant selon des algorithmes connus et qui émet en sortie 01. Le bloc 25 est un bloc de calcul mathématique (ou calculateur de données dans le sens le plus étendu du terme) o est déterminée la valeur *1 de la première harmonique du courant i(t) en partant des valeurs des données de a, + et Y, en utilisant un ensemble adéquat d'équations ou un tableau de données précalculées. Les signaux 8 et O1 sont envoyés dans le sommateur 21 qui engendre en sortie un signal I, correspondant au déphasage entre la f.é.m. et la première harmonique du courant. Ce dernier signal entre dans le bloc régulateur 27 qui détermine l'angle d'allumage "a" de l'interrupteur statique. La sortie a du bloc 27 est envoyée avec la sortie du bloc 22, y, dans le bloc 23 qui détermine l'instant de la fermeture de - 12 - l'interrupteur statique, c'est-à-dire qu'elle en contrôle le "cycle de service" dans le but d'obtenir un déphasage nul entre la f.é.m. et le courant du stator dans le moteur 1. Tout cela est fonction des valeurs de a et de y qui parviennent au bloc en question. En effet, le bloc 23 reçoit en entrée la valeur de a qui peut être relative au signal de 'Y, la rapporte au passage par zéro de la tension d'alimentation et réalise la fermeture de l'interrupteur statique au moment pris en considération. La méthode et le dispositif de contrôle selon la description permettent d'optimiser le fonctionnement d'un moteur synchrone monophasé à aimants permanents de façon simple et fiable sur la base de l'enregistrement de deux grandeurs, l'une liée au moteur (la position de son rotor) et l'autre liée à son alimentation électrique (la tension du réseau). L'invention permet d'atteindre des résultats optimaux en ce qui concerne le rendement du moteur et la valeur de courant circulant dans ce dernier. Comme on peut le remarquer dans les figures 2A, 2B, 2C et 2D, il ressort de la comparaison entre les figures 2B et 2D que la valeur du courant dans le moteur contrôlé selon l'invention est essentiellement constante aux valeurs de tension de réseau courantes, alors que, dans un moteur non contrôlé, le courant augmente substantiellement de façon à peu près linéaire par rapport à l'augmentation de la tension de réseau. Par conséquent, on obtient des avantages correspondants pour ce qui concerne le comportement thermique du moteur et ses dimensions. - 13 - En comparant les figures 2A et 2C, enfin, il apparaît que le rendement d'un moteur électrique à aimants permanents contrôlé par un dispositif selon l'invention est essentiellement constant lorsque la tension de réseau augmente, alors que le rendement d'un moteur contrôlé selon des méthodes et des dispositifs classiques décroit lorsque la tension de réseau augmente. Il est possible de mettre au point d'autres solutions sur la base de trois enregistrements et en utilisant plusieurs capteurs; toutefois, ces solutions sont considérées comme entrant dans le cadre de la présente invention. La présente invention fonctionne en présence de variations de la charge et de la tension d'alimentation. Si l'une de ces deux grandeurs peut être considérée comme constante, il est possible de mettre au point un dispositif simplifié o l'on peut utiliser des valeurs de a précalculées de la grandeur variable. - 14 - REVENDICATIONS 1. Méthode permettant de contrôler un moteur synchrone monophasé à aimants permanents (1) alimenté par une tension d'alimentation ou de réseau connue et apte à optimiser les paramètres de fonctionnement même en présence de fluctuations de tension ou d'une charge appliquée, caractérisé en ce qu'il comprend l'évaluation du déphasage (v) entre la force électromotrice, ou f.é.m., du moteur en question et le courant qui circule dans celui-ci, l'évaluation étant effectuée par l'enregistrement d'au moins deux grandeurs, l'une relative au moteur et l'autre à son alimentation électrique, et permettant, en fonction de ladite évaluation, d'intervenir sur la valeur du déphasage (I) cité afin de l'annuler. 2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on évalue la f.é.m. du moteur par enregistrement de la position du rotor du moteur en question. 3. Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que le déphasage de la f.é.m. par rapport à la tension de réseau est évalué par enregistrement du passage par le zéro de ladite f.é.m., déterminé par l'alignement du rotor par rapport à l'axe du flux du stator. 4. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le signal de courant est discontinu, en évaluant un angle de coupure (y) et d'allumage (a) de ce courant dans le but d'en déterminer le déphasage (1) par rapport à la tension de réseau d'une première harmonique du courant i(t). - 15 - 5. Méthode selon la revendication 4, caractérisée en ce que le déphasage (41) de la première harmonique du courant par rapport à la tension de réseau est déterminé en réalisant un traitement à partir des angles de coupure (y) et d'allumage (a) et du déphasage (5) de la f.é.m. par rapport à ladite tension. 6. Méthode selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'annulation du déphasage (T) entre la f.é.m. et la première harmonique du courant circulant dans le moteur est réalisée en agissant sur l'angle d'allumage (a) de ce courant. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre de la méthode selon la revendication 1, pour le contrôle d'un moteur électrique synchrone monophasé à aimants permanents (1), comprenant un interrupteur statique (5) monté en série avec le moteur (1), des premiers moyens (6) d'enregistrement de la position du rotor dudit moteur (1) et au moins des seconds moyens d'enregistrement (22) permettant d'enregistrer la tension sur l'interrupteur statique, des moyens (4) de contrôle et de commande de la fermeture de l'interrupteur statique (5), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de traitement (20) pour générer un signal (6) correspondant à la valeur de déphasage de la f.é.m. par rapport à la tension d'alimentation, plusieurs moyens de traitement (25) aptes à générer un signal (%1) correspondant au déphasage du courant circulant dans le moteur (1) par rapport à la tension d'alimentation, selon des moyens de comparaison (21) aptes à comparer les signaux (6, %1) générés par lesdits moyens de traitement (20) et lesdits premiers moyens de traitement (25) et - 16 - générant un signal de sortie (') correspondant au déphasage entre la f.é. m. et le courant dans le moteur, ledit signal en sortie (T) étant envoyé & des moyens de réglage (27) et à des moyens de traitement et de commande (23) aptes à commander l'interrupteur (5) susmentionné, dans le but d'obtenir un cycle utile de fonctionnement tel que le signal de sortie des seconds moyens de comparaison (21) soit nul. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lés moyens de traitement (20) sont connectés à au moins un capteur de position (6) apte à enregistrer la position du rotor du moteur électrique à chaque instant de son fonctionnement. 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il agit sur un premier et un second paramètre caractéristique du courant circulant dans le moteur c'est-à-dire de l'angle de coupure (y) et de l'angle d'allumage (a) du courant susmentionné. 10. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les seconds moyens de comparaison (21) sont un sommateur qui soustrait la valeur du déphasage ( déphasage (8) de la f.é.m.