Brevet FR2738419A1 — publié le 19970307

La présente invention concerne deux versions d'un dispositif permettant de minimiser les ondulations de couple, et de réaliser la commutation naturelle dans les machines synchrones autopilotées de forte puissance alimentées par des onduleurs à thyristors commannçs en mode 1200 (Courants de phase rectangulaires). D'une manière générale, dans le cas des machines synchrones autopilotêes et alimentes par des courants de phase rectangulaires, des ondulations de couple importantes peuvent être enregistrées. Ces ondulations engendrent une nette dégradation des performances de tel actionneur et la durée de vie de l'ensemble mécaniques le constituant. Ces ondulations sont particulièrement gênantes surtouts à basses vitesses. Diverses études montrent que ces ondulations sont dues à la forme d'onde des courants de phase, à l'angle de garde nécessaire à la commutation d'une phase sur l'autre et à la commutation à courant nul pendant le démarrage et à faibles vitesses. Pour ces deux derniers types d'ondulations de couple, des solutions ont été proposées.Ces solutions sont basées principalement sur l'utilisation de circuit d'aide à la commutation qui nécessite des capacités à tension alternatif particulièrement coûteuses, encombrantes et à durée de vie limitée. Les deux versions du dispositif selon cette invention, permettent de remédier à ces inconvénients. La première version illustrée par la figure 1 est constituée d'un redresseur à diodes (1), d'un hacheur (2), d'un onduleur à thynstors (3), d'un redresseur à diodes (4) en parallèle avec un redresseur à thyristors (5), d'une capacité C à tension continue (6), d'une diode D (7)d'isolation de la source et de la capacité C du redresseur de récupération (5), d'un dispositif de mesure de courant (8), d'une boucle de régulation (9) des courants statorique, d'un régulateur de couple (10), d'une boucle de régulation (11) du courant d'excitation, d'un deuxième régulateur de couple (12) et enfin d'un dispositif d'alimentation de l'enroulement rotorique (13). L'ensemble du dispositif alimente une machine synchrone triphasée.Le hacheur (2) sert à contrôler l'amplitude des courants de phase, d'imposer la forme adéquate des courants permettant de minimiser les ondulations de couple, et de réaliser la commutation naturelle d'une phase sur l'autre. En effet, lorsque le hacheur (2) est conducteur, la machine est alimentée à travers l'onduleur (3) et les courants de phase augmentent. Par contre, lorsque le hacheur (2) est bloqué, le courant de l'onduleur (3) est transféré vers le pont de diodes (4) avec lequel la tension -Uc de la capacité C (6) sera placée aux bornes de la machine. Ainsi les thyristors de l'onduleur (3) se bloquent et les courants de phase de la machine diminuent. Donc, le prochain allumage du hacheur (2) sera accompagné par l'allumage de la paire de thyristors de l'onduleur (3) désirée.Par aIlleurs, nous signalons que le redresseur à thyristors (5) permet le renvoi de lténergie vers le réseau pendant les phases de récupération. Quant au dispositif d'alimentation rotorique (13) il peut servir aussi à la minimisation des ondulations de couple en imposant la forme adéquate du courant d'excitation avec laquelle les ondulations engendrées par les FEM de la machine seront minimisées. Etant donné que le mode de contrôle à 1200 est une commande dans le repère (ol,ss) lié au stator de la machine dont l'axe a est fixé sur l'axe de la phase non alimentée (Ia=O), ou commutée . Dans ce cas si on néglige l'effet des amortisseurs, la saturation et la réaction magnétique de l'induit sur le couple électromagnétique développé par la machine, ce dernier dépend uniquement du courant mesuré (Ip) et de la dérivé du flux selon l'axe ss (C=Ip.rp ou C=2p.(Ld-Lq).IcLIq+p.Mf.1f.Iq) avec Iq=Iss.Cos0, Id=Iss.sinO et -II/6S0-k.tI/35TV6, K est un entier compris entre 1 et 6 et e la position du rotor.Pour minimiser les ondulations de couple engendrées par l'interaction des Forces Electromotrices de la Machine (FEM) et le courants de phase, la fonction f(e) ou g(e) doivent être inversement proportionnelle à Cosy. Par contre, si on veut aussi minimiser les ondulations du couple dûes à la saillance rotorique de la machine, un compromis doit être adopté. Par exemple, si on prend f(û)=kl/~ et g(o)=k2/~, les ondulations de couple engendrées par les FEM de la machine seront minimisées, et ceux engendrées par la saillance rotorique seront réduit de 40%.Les figures 2. a,b et c représentent le couple électromagnétique, le courant Iss et le courant d'excitation If avec les techniques classiques et la technique proposée en modifiant la forme des courants statorique, puis celle du courant d'excitation dans le cas d'une machine synchrone à rotor lisse. La figure 3 représente et et eyra lorsque les FEM sont sinusoïdales. Ainsi avec un système simple et peu onéreux, on peut minimiser les ondulations de couple dans les machines synchrones autopilotées. Par ailleurs, si on veut récupérer le maximum d'énergie stockée dans les enroulements de la machine à chaque ouverture du hacheur (2), il est possible d'utiliser le même montage mais avec une modification mineure. Comme il est représenté sur la figure 4, cette modification consiste à ajouter un interrupteur (14) commandable en ouverture et en fermeture et une diode D2 (15). Cette dernière permet l'isolation totale du redresseur à diode (1) du pont de récupération (5). Ainsi, lorsque on ouvre le hacheur (2), on ferme l'interrupteur (14) et l'énergie stockée dans les enroulements de la machine sera évacuée vers le réseau par le biais du pont de récupération (5). Donc la machine absorbe de l'énergie lorsque le hacheur (2) est conducteur et elle la fournie lorsque celuici est bloqué. Enfin, nous signalons que si on veut réduire les ondulations du courant engendrées par la régulation, on peut réaliser un roue-libre des courants de la machine en jouant sur la commande du système. En effet, lorsque on ouvre le hacheur (2), on allume en même temps l'interrupteur (14) et un bras entier du pont de récupération (5). Dans ce cas la machine est court circuitée est l'interrupteur (14), le pont de diodes (4) et le pont de récupération (5) jouent le rôle d'un pont de roue-libre. Selon une deuxième variante illustrée par la figure 5. le dispositif est constituée d'un redresseur à thyristors (21), d'une self de lissage de courant (22) en parallèle avec un thyristor auxiliaire (23), d'un onduleur à thyristors (24) et d'un pont de roue-libre (25) constitué de quatre thyristors ou d'un redresseur à thyristors ou mixte court circuité comme dans le cas de la version précédente. Ce montage apporte une solution uniquement aux problèmes de démarrage et lorsque la machine tourne à faibles vitesses. En effet dans certains applications, lorsque les FEM de la machine ne peuvent pas assurées la commutation, en utilise le démarrage en pas à pas et qui consiste à commuter le courant d'une phase sur l'autre à courant nul, donc à couple nul. Cela engendre d'énormes ondulations de couple.Par contre avec ce montage, lorsque on veut réaliser la commutation, on fait fonctionner le redresseur (21) en onduleur et on lance l'allumage du thyristor auxiliaire (23) et le thyristor ou les thyristors du pont de roue-libre (25) en fonction des phases alimentées. Ainsi, lorsque la tension instantané du redresseur (21) devient négative, le courant de source s'annule, le courant de la self est pris en charge par le thyristor auxiliaire (23) et les courants de l'onduleur (24) sont pris en charge par le pont de roue-libre (25). Ainsi on obtient le blocage des thynstors conducteurs de l'onduleur (24). Une fois que la tension du redresseur (21) redevient positive, on allume les thyristors désirés.D'où la réalisation de la commutation d'une phase sur l'autre sans annulation des courants de la machine et en conséquence du couple électromagnétique. Par ailleurs, les mêmes opérations réaliser par le montage de la figure 1, peuvent être réalisées par ce montage, on intercalant un hacheur entre le redresseur (21) et l'onduleur (24). Enfin, nous tenons à signaler que le principe des différentes variantes du dispositif proposé, peuvent être facilement étendues aux machines polyphasées, les machines à double étoiles et les machines à réluctance variable à stator lisse. Le dispositif selon ses différentes versions est destiné à la modernisation et l'amélioration des performances des actionneurs électriques de forte puissante équipant les installations existantes et à l'amélioration de la qualité du couple des machines à réluctance vanable à stator lisse . La traction électrique pourrait bénéficier de cette invention. -REVENDICATIONS- l-Dispositif pour minimiser les ondulations de couple et de réaliser la commutation naturelle dans les machines synchrones autopilotées alimentées par des onduleurs à thyristors et commandées en mode 1200 (courants de phase rectangulaires). La principale variante de ce dispositif est caractérisée en ce qu'elle comporte un redresseur à diode délivrant une tension continue(1), un hacheur (2) en série avec ce dernier, un onduleur à thynstors (3) alimentant la machine, un redresseur à diode (4) relié à la machine en parallèle avec un redresseur de récupération à thyristor (5) relié au réseau, une diode (7) placée entre la borne plus de la source et le redresseur à diode (4), une capacité C (6) placée aux bornes de la source est relié à la cathode de la diode (7) et à la borne moins du redresseur à diodes (4), un dispositif de mesure de courant (8), une boucle de régulation des courants statorique (9), un régulateur de couple (10), une boucle de régulation du courant rotorique (11), un deuxième régulateur de couple (12) et un dispositif d'alimentation rotorique (13). 2-Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de mesure des courants de la machine en utilisant un seul capteur à effet Hall. Celui 3-Dispositif selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce qu'il comprend une boucle de régulation des courants statorique de la machine, un régulateur de couple (10) contenant une fonction f(e), et une autre boucle de régulation (11) du courant d'excitation rotorique et un deuxième régulateur de couple (12) contenant une fonction g(o) . les deux fonctions servent à minimiser les ondulations de couple engendrées par les FEM de la machine et la saillancc rotorique (couple réluctant). O est la position électrique instantané du rotor par rapport au stator. 4-Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lorsque le hacheur (2) est conducteur, la machine est alimentée par l'intermédiaire de l'onduleur (3). Par contre lorsque il est bloqué, les courants de la machine sont transférés aux redresseur à diode (4), la diode (7) et la capacité (6); ou évacuer vers le réseau d'alimentation par le biais du pont de récupération (5). 5-Dispositif selon la revendication 1, 2, 3 et 4 en ce que le hacheur (2) sert à réguler les courants de phase de la machine et d'assurer la commutation naturelle d'une phase sur l'autre et le pont redresseur (5) à récupérer l'energie stockée dans les enroulement de la machine. 6-Dispositif selon la revendication (1) en ce que l'utilisation d'un interrupteur (14) commandable en fermeture et en ouverture intercalé entre le redresseur à diode (4) et le pont de récupération (5) permet de court-circuiter la machine pendant les commutation en allumant un bras entier du pont (5) en même temps que cette interrupteur. Avec l'addition d'une diode D2 (15) on obtient une isolation totale de la source continue du pont de récupération (5). Ainsi, un freinage récupératif instantané pourrait être réalisé. 7-Dispositif selon une deuxième variante permettant la commutation naturelle aux démarrages et à faible vitesse caractérisé en ce qu'il comporte un redresseur à thyristor (21), une self de lissage de courant (22) en parallèle avec un thyristor auxiliaire (23), un onduleur à thyristor (24) et un pont de roue-libre (4) constitué de quatre thyristors ou d'un pont triphasé mixte ou à thyristors. 8-Dispostif selon la revendication 1 et 7 en ce que les deux variantes peuvent réaliser les même opérations on ajoutant à la deuxième un hacheur entre le redresseur (21) et l'onduleur (24), et une capacité aux bornes de la source continue. Si la fréquence de commutation de l'hacheur est suffisante, la self de lissage de courant pourrait être supprimée. 9-Dispositif selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5, 6 et (7) caractérisé en ce que il peut être étendu aux machine électrique polyphasées et à double étoiles, ainsi qu'aux machines à réluctance variable à stator lisse.