Brevet FR2744301A1 — publié le 19970801

OEDULEUR D'ALIMENTATIaN D'UN MOTEUR ÉLECTRIQUE DE TRACTION D'UN VEHICULE L'invention est relative à un onduleur d'alimentation d'un moteur électrique de traction, notamment pour véhicule. Elle concerne plus particulièrement le système de traction d'un véhicule électrique comprenant un moteur synchrone à rotor, à aimant(s) permanent(s) ou bobiné, et un stator bobiné pour engendrer, quand il est alimenté en énergie électrique, un champ magnétique tournant provoquant la rotation du rotor. L'alimentation des bobinages du stator est réalisée par un onduleur qui, en général, tire son énergie d'une batterie d'accumulateurs. Un onduleur présente un nombre de paires d'interrup- teurs commandés égal au nombre de bobinages, ou phases, que comporte le bobinage du stator. Dans l'exemple le plus courant, le stator du moteur synchrone est triphasé, l'onduleur comporte donc trois paires d'interrupteurs commandés, par exemple des transistors ou des thyristors. Dans ce qui suit, on ne considé- rera que le seul exemple du stator triphasé et de l'onduleur à transistors. Chaque paire de transistors est affectée à une phase du stator. Dans une de ces paires, un transistor permet le passage du courant dans un sens déterminé dans la phase correspondante et, l'autre transistor permet que le courant circule en sens contraire dans la même phase. Bien entendu, au cours du fonction- nement, un seul des deux transistors d'une paire est conducteur à la fois. La commande des transistors est telle que chaque phase est alimentée par un signal alternatif et ces signaux alternatifs sont déphasés de 120 les uns par rapport aux autres de façon à engendrer le champ tournant. La commande permet d'auto piloter le moteur synchrone, c'est-à-dire que la fréquence du signal alternatif est adaptée à la vitesse du rotor afin de garder le synchronisme entre le champ tournant et le rotor. A cet effet, un capteur lié au rotor indique à chaque instant la position angulaire de ce dernier. Le signal fourni par le capteur est utilisé pour commander les tran- sistors et, notamment, pour régler la fréquence des signaux alternatifs. Chaque alternance du signal alternatif est engendrée par un nombre déterminé de paliers de durées en général égales, un palier correspondant à un courant d'intensité constante. En général, le nombre de paliers par demie alternance est égal au nombre de phases du stator. Les phases du bobinage du stator sont pratiquement identiques entre elles. De même, les transistors ont tous sensi- blement les mêmes caractéristiques. Pour obtenir la modulation nécessaire des intensités (afin d'engendrer les courants alternatifs) la conduction de - chaque transistor est commandée par une modulation de largeur d'impulsion MLI (Pulse width modulation, PWM, en langue anglaise). Cette modulation consiste à découper la conduction de chaque transistor suivant une fréquence élevée, par exemple de 8 kHz, l'intensité moyenne étant déterminée par le rapport cyclique, c'est-à-dire par le rapport entre, d'une part, la durée t de conduction du transistor au cours d'une période T du signal à haute fréquence et, d'autre part, cette période T. Plus le rap- port cyclique est grand et plus l'intensité moyenne est élevée. Dans un exemple le rapport cyclique varie entre 0 et 1/2. L'intensité du courant dans une phase est égale à la somme des intensités des courants circulant, en sens contraire, dans les deux autres phases. En fonctionnement normal, quand le moteur tourne à vitesse importante, les charges des six transistors sont répar- ties uniformément au cours du temps. Par contre, quand les bobinages ou phases du stator sont alimentés mais que le rotor ne tourne pas, notamment, au démarrage ou du fait d'un blocage, ces phases sont alimentées suivant une séquence particulière déterminée par la position relative du rotor par rapport au stator. Dans un exemple, trois des six transistors sont conducteurs et l'un de ces trois tran- sistors est traversé par un courant d'une intensité double de celle du courant traversant chacun des deux autres transistors. Dans un autre exemple, deux des six transistors sont conducteurs. Dans ces conditions, au moins un transistor subit une surcharge, c'est-àdire qu'il est parcouru par un courant moyen maximum pendant un temps supérieur au temps pendant lequel il est parcouru par le même courant au cours du fonctionnement normal du ú 0 moteur. Pour tenir compte de cette situation, jusqu'à présent, on a prévu deux solutions. Dans la première de ces solutions, on dimensionne les transistors de l'onduleur d'une façon suffisante pour ne pas altérer les caractéristiques du moteur, notamment pour garder un couple de valeur importante à vitesse faible. Dans - la deuxième solution, les transistors sont dimensionnés pour le régime permanent de rotation et, dans ce cas, le couple à basse vitesse - au démarrage - présente une valeur réduite qui peut se révéler insuffisante. La première solution est onéreuse et la seconde n'est pas satisfaisante pour le fonctionnement du moteur. L'invention remédie à ces inconvénients. Elle part de la constatation que les pertes dans un transistor - et de façon plus générale dans un interrupteur à état solide - dépendent non seulement de l'intensité du courant traversant le transistor, mais également de la fréquence de découpage. Ces dernières pertes sont appelées pertes de commutation. L'invention est caractérisée par le fait que des moyens sont prévus pour qu'à vitesse de rotation nulle du rotor, la fréquence de découpage (ou commutation) soit inférieure à la fré- quence de découpage de la modulation à largeur d'impulsion pour une vitesse du rotor différente de zéro. De préférence, la fréquence de découpage au démarrage est choisie de façon telle que les pertes dans les transistors correspondants soient, au cours de cette phase de démarrage, égales aux pertes maximales, dans les mêmes transistors, en régime permanent. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéris- tiques et avantages apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se réfé- rant aux dessins ci-annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma de principe d'un onduleur et d'un moteur, les figures 2a, 2b et 2c sont des diagrammes montrant les intensités des courants dans chaque phase du stator du moteur de la figure 1, les figures 3a, 3b et 3c sont des diagrammes analogues à ceux des figures 2a, 2b, et 2c mais pour une variante, la figure 4 est un diagramme montrant un mode de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 5 est un schéma d'un exemple de réalisation, la figure 6 est un diagramme montrant le principe de fonctionnement du circuit de la figure 5, et la figure 7 est un diagramme montrant les avantages de l'invention. Sur la figure 1, le moteur 10 est un moteur synchrone, c'est-à-dire un moteur dont le rotor comprend un ou plusieurs aimants permanents ou un bobinage et dont le stator comprend un bobinage triphasé dont chaque phase est alimentée par un courant alternatif. Dans ces phases, les courants sont décalés de 120 les uns par rapport aux autres. Dans ce qui suit, on décrira un moteur synchrone à rotor à aimants permanents. On rappelle ici le principe de fonctionnement, bien connu, d'un tel moteur synchrone: les courants dans les phases du stator engendrent un champ électrique tournant qui entraîne la rotation des aimants du rotor et donc la rotation du moteur. La vitesse de rotation de ce moteur dépend de la fréquence d'alimen- tation des phases du stator. Ces phases du stator du moteur 10 sont alimentées par un onduleur 11 lui-même alimenté par une batterie d'accumulateurs 12. L'onduleur 11 comporte trois paires de transistors, respectivement 131,132; 133,134; 135,136. Dans chaque paire, par exemple les transistors 131 et 132, ces éléments sont en série et branchés dans le même sens. Le collecteur 14 du tran- sistor 131 est relié à la borne positive 121 de la batterie 12 tandis que l'émetteur 15 du transistor 132 est relié à la borne négative 122 de la batterie 12. Les paires de transistors 133,134 ainsi que 135,136 sont branchées de manière identique aux bornes de la batterie 12. La borne commune 16 à l'émetteur du transistor 131 et au collecteur du transistor 132 est reliée à l'entrée 101 de la première phase du stator du moteur 10. De même, la borne commune 17 aux transistors 133 et 134 est reliée à l'entrée 102 de la seconde phase du stator du moteur 10 et la borne commune 18 aux transistors 135 et 136 est reliée à l'entrée 103 de la troisième phase du stator du moteur 10. La conduction des divers transistors de l'onduleur 11 est commandée par un dispositif 20 présentant des sorties paral- lèles 21 dont chacune est associée à la base de l'un des tran- sistors. Ce dispositif 20 présente une entrée 22 recevant un signal d'un capteur 23 fournissant une information sur la posi- tion du rotor du moteur 10 par rapport au stator. La conduction des transistors de l'onduleur 11 est commandée comme représentée sur les figures 2a, 2b et 2c dans lesquelles: La figure 2a représente l'intensité Il du courant élec- trique dans la première phase du stator du moteur 10, la figure 2b représente l'intensité 12 du courant dans la seconde phase du moteur 10 et la figure 2c représente 13 l'intensité du courant dans la troisième phase de ce moteur. Chacun de ces courants Il, 12, I3 est alternatif. Ils ont tous les trois la même fréquence et sont déphasés de 120 les uns par rapport aux autres. Ainsi, le courant 12 présente un déphasage de 120 par rapport au courant Il et le courant 13 présente un déphasage de 120 par rapport au courant 12. Chaque demie alternance est formée de trois paliers. Ainsi, la première alternance positive 26 du courant Il est formée d'un premier palier 27 d'intensité i entre les instants 0 et 60 , d'un second palier 28 d'intensité 2i entre les instants et 120 et d'un troisième palier 29 d'intensité i entre les instants 120 et 180 . Ensuite, pour l'alternance négative sui- vante, Il présente aussi trois paliers d'intensités -i, -2i et -i respectivement. On voit qu'au cours de chaque séquence de durée 60 , la somme des courants Il + 12 + 13 est nulle. Pour obtenir une séquence, par exemple la seconde, correspondant au palier 28 sur la figure 2a et aux paliers 30 et 31 sur les figures 2b et 2c, respectivement, on commande les transistors 13 comme représenté sur la figure 1: les transistors 131, 134 et 136 sont conduc- teurs tandis que les transistors 132, 133 et 135 sont bloqués. Les transistors à l'état conducteur sont représentés entourés d'un cercle. La fréquence et la phase des courants Il, 12 et 13, c'est-à-dire les instants de conduction des divers transistors, sont déterminées par la position du rotor du moteur 10 par rap- port à son stator. cette position étant mesurée par le capteur 23 et fournie au dispositif 20 commandant lesdits transistors. Dans la variante représentée par les diagrammes 3a, 3b et 3c, les courants Il, 12, 13 sont également déphasés les uns par rapport aux autres, mais contrairement à l'exemple précédent, au cours de chaque séquence correspondant à une rotation de 60, seulement deux phases sont parcourues par un courant. Ainsi, entre 0 et 60 , seuls les transistors 131 et 134 sont conduc- teurs, l'intensité Il a donc une valeur +i, l'intensité 12 la valeur -i et l'intensité 13 est nulle. Entre 60 et 120 , seuls les transistors 131 et 136 sont conducteurs, l'intensité Il vaut donc +i, l'intensité 12 est nulle et l'intensité I3 vaut -i. Les séquences qui suivent correspondent aux états sui- vants des transistors: entre 120 et 180 , les transistors 133 et 136 sont conducteurs; entre 180 et 240 , les transistors 132 et 133 sont conducteurs; entre 240 et 300 , les transistors 132 et 135 sont conducteurs et entre 300 et 360 , ce sont les tran- sistors 134 et 135 qui laissent passer le courant. Dans cette variante, chaque demie alternance se compose d'un palier 70 (figure 3c), de durée 120 et au cours duquel le courant circule, entouré par des paliers 71 et 72, chacun de durée 60 et au cours desquels le courant a une intensité nulle. Pour obtenir les intensités i, -i et 2i, -2i des paliers 27, 28, 29, etc. (figures 2a à 2c) ou les intensités i et -i des paliers 70 (figures 3 à 3c), lors de chaque séquence, on commande, par une modulation à largeur d'impulsion (MLI), la conduction du transistor activé correspondant. Dans l'exemple, la modulation à largeur d'impulsion est à fréquence de 8 kHz. Pendant chaque période de ce signal à 8 kHz, le rapport cyclique est un demi pour obtenir l'intensité maximum. Ce rapport est compris entre zéro et un demi pour obtenir une intensité plus faible. Ainsi, au cours de la seconde séquence représentée sur la figure 1, le rapport cyclique du signal à haute fréquence appli- qué sur la base du transistor 131 est un demi pour obtenir le palier 28 tandis que les rapports cycliques pour les transistors 134 et 136 sont de un quart pour les paliers 30 et 31. On comprend aisément qu'en régime permanent, quand le moteur tourne, les divers transistors sont sollicités de manière uniforme au cours du temps. Par contre, quand le rotor est bloqué, les transistors sont commandés en permanence de façon non uniforme. Par exemple, si le capteur 23 indique une position du rotor telle que la com- mande doit correspondre aux paliers 28, 30 et 31 (figure 2), seuls les transistors 131, 134 et 136 sont conducteurs en perma- nence et le transistor 131 est parcouru par un courant d'une intensité double de celle parcourant les transistors 134 et 136. Ainsi, le transistor 131 est parcouru en permanence par un courant d'intensité maximum. Ce transistor subit donc un échauf- fement supérieur à celui qu'il subit en régime permanent. Bien que les transistors 133 et 136 ne soient pas par- courus par un courant d'intensité maximum, ils peuvent cependant aussi subir un échauffement excessif du fait qu'ils sont conduc- teurs en permanence. Un comportement analogue à celui du rotor bloqué inter- vient aussi au démarrage puisque, dans cette phase de fonction- nement, trois transistors sont sollicités plus longtemps que les autres. Dans la variante représentée sur la figure 3, ce sont deux transistors qui sont sollicités plus longtemps que les autres au démarrage ou à rotor bloqué. Cette sollicitation supérieure d'au moins l'un des - transistors pourrait conduire à dimensionner tous les transistors de manière à ce que l'échauffement au démarrage ou à rotor bloqué permette un couple maximum au démarrage. Cette solution serait chère. Si les transistors, qui sont des composants onéreux et dont le prix est fonction du dimensionnement, ne sont prévus que pour le régime permanent, les caractéristiques de couple au démarrage sont altérées, c'est-à-dire que le couple n'est pas maximum au démarrage. Pour éviter un surdimensionnement des transistors - donc un surcoût - ou une altération des caractéristiques du moteur, on prévoit, selon l'invention, qu'au démarrage ou à rotor bloqué, la modulation de commande de chaque transistor est à fré- quence sensiblement inférieure à la fréquence de la modulation en régime permanent. Si la fréquence de modulation (ou découpage) est, en régime permanent, de 8 kHz, au démarrage, cette modula- tion sera, dans un exemple, de l'ordre de 1 kHz. On est, en effet, parti de la constatation que les pertes dans un transistor - ou dans un autre interrupteur com- mandé à état solide - présentent deux composantes: d'une part, une composante de conduction et, d'autre part, une composante de commutation. Les pertes par conduction sont proportionnelles à l'intensité du courant traversant le transistor et les pertes par commutation sont proportionnelles au courant, à la tension et à la fréquence de commutation. Ces pertes P correspondent ainsi à la formule suivante: P = KlI + K2IUf. Dans cette formule K1 et K2 sont des facteurs constants de proportionnalité, I est l'intensité du courant traversant le transistor, U est la tension aux bornes de ce même transistor, et f est la fréquence de commutation, c'est-à-dire la fréquence de la modulation à largeur d'impulsion dans le cas présent. On voit que si la fréquence f diminue, les pertes P diminuent. Dans l'exemple de réalisation préféré, on choisit la fréquence f' de modulation pour les vitesses faibles de manière telle, qu'à rotor bloqué ou au démarrage, les pertes dans un transistor soient égales à celles en régime permanent à la fré- quence f. Dans un exemple, cette fréquence f' est de 1 kHz, alors que la fréquence f en régime permanent est de 8 kHz. Bien entendu, la valeur de la fréquence f' dépend de K1 et K2, c'est- à-dire des caractéristiques des transistors. I1 est à noter que la fréquence de 8 kHz est choisie de manière, d'une part, à limiter les ondulations de courant et, d'autre part, à ne pas provoquer de nuisances sonores. En effet, lors du fonctionnement du moteur alimenté par l'onduleur, ce sont seulement les harmoniques supérieures à 2 qui provoqueront les vibrations d'amplitude les plus importantes, vibrations qui sont donc à des fréquences non audibles. Par contre, la fréquence f' de l'ordre de 1 kHz provoque des vibrations audibles. Cette propriété du moteur et de son alimentation ne constitue pas un inconvénient gênant. Elle peut même être avantageuse car elle engendre un signal sonore de démarrage utile dans certaines circonstances. Pour faire varier la fréquence de la modulation de largeur d'impulsion de f' à f, on peut procéder de diverses manières: Dans une première réalisation, la fréquence f', de valeur réduite, n'est appliquée qu'au seul démarrage. Ensuite, on applique, sans transition, la valeur f. Dans une autre réalisation, la commande est telle qu'on fait varier la fréquence de la modulation de f' à f de façon gra- duelle pendant un temps déterminé T. Dans une variante, on fait dépendre la fréquence f de la vitesse de rotation du moteur. La figure 4 est un diagramme sur lequel on a porté, en abscisses, la vitesse N de rotation du moteur et, en ordonnées, la fréquence f de découpage, c'est-à-dire la fréquence de la modulation par largeur d'impulsion. Dans cet exemple, la fré- quence f est commandée de façon telle qu'elle ait une valeur de 1 - kHz pour une vitesse de rotation égale à zéro et qu'elle atteigne progressivement la valeur de 8 kHz pour une vitesse de rotation de l'ordre de 500 tours par minute. La figure 5 est un schéma d'un circuit, de type analo- gique, destiné à la commande d'un transistor 13. Dans cet exemple, un premier comparateur 40 présente une entrée 41 recevant la valeur Iref de l'intensité du courant désirée et une seconde entrée 42 recevant la valeur Imes de l'in- tensité du courant mesuré. En sortie 43 de ce comparateur 40, on obtient la différence E entre les entrées 41 et 42 et cette entrée 43 est reliée à l'entrée 45 d'un autre comparateur 46 par l'intermédiaire d'un dispositif correcteur 44. Le comparateur 46 comprend une seconde entrée 47 reliée à la sortie d'un générateur 48 délivrant un signal de fréquence f variable. La sortie du com- parateur 46 est reliée à la base d'un transistor 13. Le fonctionnement du circuit de la figure S est repré- senté par le diagramme de la figure 6. Sur ce diagramme, le signal triangulaire 50 fourni par le générateur 48 de fréquence f variable est comparé au signal 51 à la sortie du correcteur 44. La sortie du comparateur 46 est à l'état "haut" 52 quand le signal 50 a une amplitude supérieure à celle du signal 51 et, réciproquement, la sortie du comparateur 46 est à l'état "bas" 53 quand l'amplitude du signal 50 est inférieure à l'amplitude du signal 51. On obtient ainsi, pour la commande du transistor 13, une modulation de largeur d'impulsion à la fréquence f du signal triangulaire 50. Dans un exemple, les pertes maximales admissibles pour les transistors 13 sont de l'ordre de 300 watts et la fréquence en régime permanent est de 8 kHz tandis que la fréquence au démarrage est de 1 kHz. Bien qu'en relation avec les figures 5 et 6, on ait décrit une réalisation de type analogique, il va de soi qu'une réalisation de type numérique entre dans le cadre de la présente description. La figure 7 est un diagramme sur lequel on a porté, en abscisses, la vitesse N de rotation du moteur et, en ordonnées, le couple C. La caractéristique du moteur est telle que le couple présente une valeur constante Cl pour des vitesses comprises entre 0 et 2000 tours par minute. Ensuite, le couple C diminue jusqu'à 8000 tours par minute. On voit que pour les basses vitesses, à partir du démarrage (vitesse nulle) le couple garde la valeur maximum C1. La courbe 60, en traits interrompus, repré- sente le couple C qui serait obtenu si la fréquence f de la modu- lation de largeur d'impulsion était maintenue pour les basses vitesses. On voit que dans ces conditions, on obtiendrait une diminution du couple au démarrage. L'invention n'est pas limitée à un moteur synchrone alimenté par un seul onduleur. Ainsi, dans une réalisation, le stator comporte une série de bobinages répartis autour du rotor et, chaque bobinage est alimenté par un onduleur. REVENDICATIONS 1. Onduleur (11) d'alimentation en courant alternatif du stator d'un moteur électrique à champ tournant, cet onduleur comportant des interrupteurs (13) commandés de type à état solide délivrant des courants alternatifs au stator, l'intensité de chacun des courants alternatifs présentant, au cours de chaque alternance, des séquences (27, 28, 29; 70, 71, 72) successives au cours de chacune desquelles l'intensité est sensiblement constante et est déterminée par le rapport cyclique d'un signal de découpage commandant la conduction de chacun des interrup- teurs, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (48) pour confé- rer à la fréquence (f) du signal de découpage, une valeur (f') à vitesse de rotation nulle du rotor qui est inférieure à la fréquence de découpage pour une vitesse de rotation du rotor dif- férente de zéro. 2. Onduleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la fréquence (f') de découpage à la vitesse nulle est choisie de façon telle que les pertes maximales de chaque inter- rupteur commandé soient, à vitesse nulle, les mêmes qu'en régime permanent. 3. Onduleur selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la fréquence (f') de découpage augmente avec la vitesse de rotation du moteur. 4. Onduleur selon la revendication 3 caractérisé en ce que la fréquence (f') de découpage augmente avec la vitesse de rotation (N) du moteur jusqu'à une première valeur, cette fré- quence (f) étant constante pour les vitesses de rotation supé- rieures à la première valeur. 5. Onduleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fréquence de découpage augmente pendant un temps déter- miné (T). 6. Onduleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence (f) de découpage ayant en régime établi une valeur telle qu'elle produit des vibrations non audibles, la valeur (f') de cette fréquence à vitesse nulle produit des vibrations audibles. 7. Onduleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence (f) est, en régime établi, de l'ordre de 8 kHz. 8. Onduleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence de découpage à vitesse nulle est de l'ordre de 1 kHz. 9. Onduleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les interrupteurs commandés (13) sont des transistors. 10. Onduleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans chaque paire, les inter- rupteurs sont en série et l'ensemble de ces deux interrupteurs est aux bornes d'une batterie (12) d'accumulateurs, la commande (20) étant telle qu'à chaque instant un seul interrupteur est conducteur dans chaque paire et l'intensité du courant dans l'une des phases est égale au double de l'intensité du courant dans les deux autres phases. 11. Onduleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'étant destiné à l'alimentation d'un moteur synchrone, il comporte un capteur (23) fournissant un signal de position du rotor par rapport au stator du moteur, ce capteur commandant la séquence de fonctionnement des interrup- teurs commandés (13). 12. Onduleur selon la revendication 11, caractérisé en ce que la commande (20) est telle qu'à chaque instant la fré- quence du courant alternatif est maintenue à la valeur de syn- chronisme du rotor. 13. Véhicule électrique comportant un moteur de trac- tion de type synchrone, de préférence à rotor à aimant(s) perma- nent(s), caractérisé en ce qu'il comporte un onduleur selon l'une quelconque des revendications précédentes. 14. Véhicule selon la revendication 13, caractérisé en ce que le stator du moteur (10) est du type triphasé et en ce que l'onduleur (11) comporte trois paires (131,132; 133,134; ,136) d'interrupteurs commandés.