Brevet FR2743956A1 — publié le 19970725

CIRCUIT DE COMMANDE D'UN MOTEUR ELECTRIQUE A COMMUTATION ELECTRONIQUE La présente invention concerne un circuit de commande d'un moteur électrique à commutation électronique tel que notamment, mais non exclusivement, un moteur à réluctance variable, branché sur un réseau d'alimentation à courant alternatif via un élément redresseur de courant, ce circuit de commande comprenant un convertisseur du type connu sous le vocable anglo-saxon "C-dump" qui est connecté par deux lignes d'alimentation en sortie de l'élément redresseur, et qui est destiné à alimenter séquentiellement, par un courant unidirectionnel, les phases du moteur. Ce convertisseur "C-dump" comprend, d'une manière connue en soi, des circuits de phase disposés en parallèle entre les deux lignes d'alimentation et comprenant chacun un interrupteur électronique de pilotage en série avec une des phases du moteur ; un circuit commun à l'ensemble desdits circuits de phase et comprenant, d'une part, entre les deux lignes d'alimentation et en parallèle sur les circuits de phase, un montage série d'un interrupteur électronique formant hacheur et d'un condensateur, et d'autre part, dans la ligne d'alimentation à laquelle est raccordée la sortie de l'interrupteur hacheur, une self-inductance ; des diodes connectées chacune entre un point milieu de chaque circuit de phase et un point milieu du montage série du circuit commun ; et des moyens de commande de commutation des interrupteurs de pilotage et de l'interrupteur hacheur, pilotés par un moyen de séquencement des phases à alimenter, et propres à faire occuper à l'interrupteur de pilotage d'une phase considérée soit un état de fermeture, soit un état d'ouverture pour lequel l'énergie extraite de la phase désactivée est stockée, via la diode correspondante, dans ledit condensateur. Dans un tel circuit de commande à convertisseur "C- dump" d'alimentation des phases du moteur à commutation électronique, il s'avère que les commutations des interrupteurs de pilotage des différentes phases du moteur gé nèrent des perturbations du courant d'alimentation du réseau (secteur) et, lorsque ces perturbations se situent à des fréquences multiples de la fréquence secteur, elles peuvent conduire à un dépassement des niveaux des harmoniques de courant secteur qui n'est pas autorisé par les normes internationales en vigueur, à savoir les normes EN 60555-2 et CEI 555-2. Pour satisfaire à ces normes limitant les niveaux des courants harmoniques de la fréquence secteur, on a proposé d'intercaler entre l'élément redresseur du courant secteur et le convertisseur "C-dump" un dispositif de filtrage, du type passif ou actif, adapté à filtrer le courant secteur afin de le débarrasser des harmoniques de courants supérieurs à la fréquence du secteur. L'adjonction de ce dispositif de filtrage contribue cependant à augmenter de manière significative le court global du circuit de commande du moteur, en particulier lorsque la puissance du moteur à commander dépasse quelques centaines de watts comme c'est le cas, par exemple, dans le domaine du petit électroménager. L'invention a notamment pour but de remédier à cet inconvénient et de réaliser un circuit de commande à convertisseur "C-dump" d'alimentation d'un moteur à commutation électronique, qui assure d'une manière simple la limitation des niveaux des courants harmoniques de la fréquence secteur, imposée par les normes, et ceci sans réduire les performances du moteur. Selon l'invention, le circuit de commande comprend de plus des premiers moyens de mesure du courant d'ali mentation redressé et les moyens de commande de commutation sont reliés auxdits premiers moyens de mesure et sont aptes, lorsque l'interrupteur de pilotage d'une phase considérée occupe son état de fermeture, à fermer l'interrupteur hacheur lorsque le courant d'alimentation redressé mesuré par les premiers moyens de mesure est supérieur à un courant de consigne qui est directement fonction de l'image de la tension d'alimentation redressée mesurée par des deuxièmes moyens de mesure, de manière que par suite de la décharge du condensateur, un courant de correction est renvoyé vers le réseau via la self-inductance. Ainsi, grâce à ce renvoi vers le réseau du courant de correction lorsque le courant d'alimentation redressé est supérieur au courant de consigne, on comprend que les perturbations du courant secteur sont considérablement réduites, voire éliminées, et partant, les niveaux des courants harmoniques de la fréquence secteur sont notablement limités, répondant ainsi parfaitement aux exigences des normes. Ce renvoi vers le réseau du courant de correction est judicieusement géré par les moyens de commande de commutation propres au convertisseur "C-dump" utilisé, permettant ainsi de se dispenser de tout dispositif supplémentaire de filtrage comme dans l'art antérieur, d'où une économie appréciable dans la réalisation du circuit de commande du moteur. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente un schéma électrique partiel d'un circuit de commande à convertisseur "C-dump" d'alimentation d'un moteur à commutation électronique selon l'invention - la figure 2 représente un schéma des moyens de commande de commutation associés au convertisseur "C dump" de la figure 1 ;; - la figure 3 montre en fonction du temps la forme de la tension d'alimentation redressée - la figure 4 montre en fonction du temps, d'une part, la forme d'un courant de consigne fonction de l'image de la tension d'alimentation redressée de la figure 3, et d'autre part, la forme du courant d'alimentation redressé mesuré par des moyens de mesure - la figure 5 montre en fonction du temps la forme d'un signal logique généré en sortie d'un comparateur illustré à la figure 2 et comparant le courant d'alimentation redressé mesuré et le courant de consigne de la figure 4 ; et - la figure 6 montre en fonction du temps la forme du courant renvoyé vers le réseau d'alimentation via une self-inductance du convertisseur "C-dump" de la figure 1. Dans ce qui suit, on décrira le circuit de commande conforme à l'invention en relation avec un moteur triphasé à commutation électronique, étant entendu que d'une manière générale, ce circuit de commande s'applique à un moteur à commutation électronique aussi bien monophasé que polyphasé, sans sortir du cadre de l'invention. Dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 1, on a désigné en 10 un circuit de commande d'un moteur triphasé à commutation électronique, tel que par exemple un moteur à réluctance variable, dont les trois phases sont constituées respectivement par trois enroulements inducteurs, notés Lphl, Lph2 et Lph3, reliés à un réseau alternatif de distribution arrivant à deux bornes 12 et 13, via un élément redresseur 15 formé par un pont de diodes D. Le circuit de commande 10 comprend un convertisseur du type "C-dump", désigné par la référence générale 18 sur la figure 1, qui est connecté par deux lignes d'alimentation 21 et 22 en sortie du redresseur 15 et qui est destiné à alimenter séquentiellement, par un courant unidirectionnel, les trois phases Lphl, Lph2 et Lph3 du moteur. Dans cet exemple, le convertisseur "C-dump" 18 comprend de façon classique - trois circuits de phase identiques 24,25 et 26 disposés en parallèle entre les deux lignes d'alimentation 21 et 22, et comprenant chacun un interrupteur électronique de puissance dit de pilotage T1;T2;T3, tel que par exemple un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) ou un transistor à effet de champ MOS, en série avec une des trois phases Lphl; Lph2;Lph3 du moteur - un circuit 28 commun à l'ensemble des trois circuits de phase 24,25 et 26, agencé en aval de ceux-ci, et comprenant, d'une part, entre les deux lignes d'alimentation 21,22 et en parallèle sur les trois circuits de phase, un montage série 31 d'un interrupteur électronique de puissance formant hacheur Th, de type IGBT ou MOS, et d'un condensateur C, et d'autre part, dans la ligne d'alimentation 21 à laquelle est raccordée la sortie de l'interrupteur hacheur Th, une self-inductance L - trois diodes D1, D2 et D3 montées chacune passante entre un point milieu M;N;O de chacun des trois circuits de phase 24;25;26 et un point milieu g du montage série 31 du circuit commun 28 ; et - des moyens 35 de commande de commutation des trois interrupteurs de pilotage T1,T2,T3 et de l'interrupteur hacheur Th, qui sont pilotés par un moyen 37 de séquencement des trois phases à alimenter Lphl,Lph2,Lph3, constitué par exemple par un microcontrôleur, et qui sont propres à faire occuper à l'interrupteur de pilotage d'une phase considérée, par exemple l'interrupteur T1 de la phase Lphl, soit un état de fermeture, soit un état d'ouverture pour lequel l'énergie extraite de la phase Lphl désactivée suite à la démagnétisation de son enroulement inducteur, est stockée, via la diode correspondante, en l'occurrence la diode D1, dans le condensateur C. Selon l'invention, le circuit de commande 10 (figure 1) comprend .de plus des moyens de mesure du courant d'alimentation redressé, noté lar, faisant présentement intervenir une résistance R de faible valeur, par exemple de l'ordre de 0,1 ohm, montée dans la ligne 22 et à la borne E de laquelle est mesuré le courant d'alimentation redressé Iar, et les moyens de commande de commutation 35 sont reliés à la résistance R et sont aptes, lorsque l'interrupteur de pilotage T1;T2;T3 d'une phase magnétisée considérée Lphl;Lph2;;Lph3 occupe son état de fermeture, à fermer l'interrupteur hacheur Th lorsque le courant d'alimentation redressé mesuré Iar est supérieur à un courant de consigne, noté Ic à la figure 4, qui est directement fonction de l'image de la tension d'alimentation redressée Var (figure 3) mesurée au point G de la ligne d'alimentation 21 (figure 1) par tout moyen de mesure approprié, de manière que par suite de la décharge du condensateur C, un courant de correction est renvoyé vers le réseau via la self-inductance L. Au regard de la figure 2, les moyens de commande de commutation 35 comportent un comparateur 41 faisant par exemple partie d'un circuit intégré correcteur de facteur de puissance, connu en soi, du type UC-3854 commercialisé par la société UNITRODE, et adapté à comparer le courant d'alimentation redressé Iar mesuré sur la résistance R au courant de consigne Ic (voir figure 4) qui est fonction de l'image de la tension d'alimentation redressée mesurée Var (voir figure 3) à un facteur d'échelle près modifia ble par un signal de consigne de puissance Sp défini en fonction, d'une part, du niveau de courant d'alimentation souhaité, et d'autre part, de la valeur de la résistance R. Ce comparateur 41, figure 2, est en outre adapté à délivrer un signal logique de détection, noté Sd et illustré à la figure 5, ayant un rapport cyclique modulé en fonction des perturbations du courant d'alimentation redressé mesuré Iar et présentant deux niveaux, l'un dit premier niveau de détection (par exemple d'état logique 1) correspondant à un courant d'alimentation redressé mesuré Iar qui est inférieur au courant de consigne Ic, l'autre dit second niveau de détection (par exemple d'état logique 0) correspondant à un courant d'alimentation redressé mesuré Iar qui est supérieur au courant de consigne Ic. Comme le montre la figure 2, les moyens de commande de commutation 35 comportent de plus un circuit logique 43 recevant le signal de détection Sd issu du comparateur 41 et étant apte, lorsque l'interrupteur de pilotage T1;T2;T3 d'une phase magnétisée considérée Lphl;Lph2;Lph3 occupe son état de fermeture, d'une part, à ouvrir l'interrupteur hacheur Th lors de l'apparition du premier niveau de détection du signal Sd (Iar Ic) afin de renvoyer vers le réseau, via la self-inductance L par exemple de l'ordre de 2 millihenrys, le courant de correction IL (voir figure 6) qui est égal à la somme des trois courants de phase ILphl,ILph2,ILph3 (non figurés) moins le courant d'alimentation redressé mesuré Iar. Ainsi, le renvoi vers le réseau de ce courant de correction IL permet de réduire considérablement les per turbations du courant secteur, limitant ainsi les niveaux des courants harmoniques de la fréquence secteur. Sur la figure 1, entre les deux lignes d'alimentation 21,22 et en parallèle sur le montage série 31 est connectée une diode D', dite diode de roue libre, qui évite la surtension créée par la self-inductance L lors de l'ouverture de l'interrupteur hacheur Th. Sur cette même figure 1, on a représenté en D" une,autre diode montée en série avec l'interrupteur hacheur Th et qui empêche le passage d'un courant négatif dans ledit interrupteur hacheur lors de la mise sous tension du circuit de commande 10. Avantageusement, la self-inductance L est constituée par au moins l'un des enroulements dits d'excitation ou de prémagnétisation, connus en soi, qui sont utilisés dans un moteur à réluctance variable excitée, permettant ainsi de réduire dans ce cas le coût de la self-inductance. En référence à la figure 2, les moyens de commande de commutation 35 comportent également un premier dispositif dit de sécurité basse, constitué présentement par un comparateur de tension 46 dont l'une des entrées est polarisée par au moins une fois la tension d'alimentation redressée mesurée au point G (figure 1), par exemple 1,5Var, et dont l'autre entrée est polarisée, via un potentiomètre 48, par la tension, notée VC, mesurée aux bornes du condensateur C (figure 1) par tout moyen de mesure approprié.Ce comparateur 46 est adapté à délivrer au circuit logique 43, figure 2, un signal logique de détection S'd susceptible de présenter deux niveaux, l'un dit premier niveau de détection (par exemple d'état logique 0) correspondant à une tension mesurée du condensateur VC qui est supérieure, dans l'exemple choisi, à 1,5 fois la tension d'alimentation redressée mesurée Var, l'autre dit second niveau de détection (par exemple d'état logique 1) correspondant à une tension mesurée du condensateur VC qui est inférieure, dans cet exemple, à 1,5 fois la tension d'alimentation redressée mesurée Var. Le circuit logique 43 est alors apte, lorsque l'interrupteur de pilotage T1;T2;T3 d'une phase considérée Lphl;Lph2;Lph3 occupe son état de fermeture, à ouvrir ledit interrupteur de pilotage considéré ainsi que l'interrupteur hacheur Th uniquement lors de l'apparition du second niveau de détection du signal S'd (VC En regard de la figure 2, il est également prévu un second dispositif dit de sécurité haute, constitué présentement par un autre comparateur de tension 51 dont l'une des entrées est polarisée par la tension VC mesurée aux bornes du condensateur C, et dont l'autre entrée est polarisée, via un potentiomètre 53, par une tension de référence dite limite V1, par exemple de l'ordre de 600 volts.Ce comparateur 51 est adapté à délivrer au circuit logique 43 un signal de détection S"d susceptible de présenter deux niveaux, l'un dit premier niveau de détection (par exemple d'état logique 0) correspondant à une tension mesurée du condensateur VC qui est inférieure à la tension limite V1, l'autre dit second niveau de détection (par exemple d'état logique 1) correspondant à une tension mesurée du condensateur VC qui est supérieure à la tension limite V1, signifiant en cela une tension excessive du condensateur C.Le circuit logique 43 est alors apte, lorsque l'interrupteur de pilotage Tl;T2;T3 d'une phase considérée Lphl;Lph2;Lph3 occupe son état de fermeture, à maintenir fermé ledit interrupteur de pilotage considéré et à fermer l'interrupteur hacheur Th uni quement lors de l'apparition du second niveau de détection du signal S"d (VC > V1) de manière à abaisser la tension VC aux bornes du condensateur C. Comme le montre la figure 2, le circuit logique 43 comporte un ensemble d'unités logiques, en l'exemple quatre portes ET 56,57,58,59, trois portes OU 61,62,63 et deux portes inverseuses 65,66, qui sont adaptées à délivrer, d'une part, séquentiellement aux trois interrupteurs de pilotage T1,T2 et T3, et d'autre part, à l'interrupteur hacheur Th, des signaux logiques de commande, respectivement S1,S2,S3 et Sh, dont les deux états logiques 0 et 1 sont fonction des états logiques présentés par les signaux logiques de détection Sd, S'd et S"d. Ainsi, dans cet exemple, d'une part, chacun des trois interrupteurs de pilotage T1;T2;T3 est soit fermé pour l'état logique 1 de leur signal de commande respectif S1;S2;S3, soit ouvert pour l'état logique 0 dudit signal de commande selon le résultat de la fonction boo léenne Iar faible + VCmin + VCmax, et d'autre part, l'in- terrupteur hacheur Th est soit fermé pour l'état logique 1 de son signal de commande Sh, soit ouvert pour l'état logique 0 dudit signal de commande selon le résultat de la fonction booléenne VCmax + Iar élevé.VCmin ; ; dans ces deux fonctions logiques, Iar faible est à l'état logique 1 lorsque le signal Sd présente son premier niveau de détection correspondant à Iar IC), VCmin est à l'état logique 0 lorsque le signal S'd présente son premier niveau de détection correspondant à VC > 1,5Var ou à l'état logique 1 dans le cas contraire, et VCmax est à l'état logique 0 lorsque le signal S"d présente son premier niveau de détection correspondant à VC REVENDICATIONS 1. Circuit de commande d'un moteur électrique à commutation électronique branché sur un réseau d'alimentation à courant alternatif via un élément redresseur de courant (15), comprenant un convertisseur du type "Cdump" (18) destiné à alimenter séquentiellement, par un courant unidirectionnel, les phases du moteur, connecté par deux lignes d'alimentation (21,22) en sortie de l'élément redresseur et comportant : des circuits de phase (24,25,26) disposés en parallèle entre les deux lignes d'alimentation et comprenant chacun un interrupteur électronique de pilotage (T1,T2,T3) en série avec une des phases (Lphl;Lph2;Lph3) du moteur ; un circuit (28) commun à l'ensemble desdits circuits de phase et comprenant, d'une part, entre les deux lignes d'alimentation et en parallèle sur les circuits de phase, un montage série (31) d'un interrupteur électronique formant hacheur (Th) et d'un condensateur (C), et d'autre part, dans la ligne d'alimentation à laquelle est raccordée la sortie de l'interrupteur hacheur, une self-inductance (L) ; des diodes (D1,D2,D3) connectées chacune entre un point milieu de chaque circuit de phase (24;25;26) et un point milieu du montage série (31) du circuit commun (28) ; et des moyens (35) de commande de commutation des interrupteurs de pilotage (T1;T2;T3) et de l'interrupteur hacheur (Th), pilotés par un moyen (37) de séquencement des phases à alimenter, et propres à faire occuper à l'interrupteur de pilotage d'une phase considérée soit un état de fermeture, soit un état d'ouverture pour lequel l'énergie extraite de la phase désactivée est stockée, via la diode correspondante, dans ledit condensateur (C) ; caractérisé en ce qu'il comprend de plus des premiers moyens (R) de mesure du courant d'alimentation redressé (Iar) et les moyens de commande de commutation (35) sont reliés auxdits premiers moyens de mesure (R) et sont ap tes, lorsque l'interrupteur de pilotage d'une phase considérée occupe son état de fermeture, à fermer l'interrupteur hacheur (Th) lorsque le courant d'alimentation redressé (Iar) mesuré par les premiers moyens de mesure est supérieur à un courant de consigne (Ic) qui est directement fonction de l'image de la tension d'alimentation redressée (Var) mesurée par des deuxièmes moyens de mesure, de manière que par suite de la décharge du condensateur (C), un courant de correction (IL) est renvoyé vers le réseau via la self-inductance (L). 2. Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus des premiers moyens (41) de comparaison du courant d'alimentation redressé mesuré (Iar) et du courant de consigne (Ic) pour délivrer un premier signal logique de détection (Sd) susceptible de présenter deux niveaux dont l'un dit premier correspond à un courant redressé mesuré (Iar) inférieur au courant de consigne (Ic), et dont l'autre dit second correspond à un courant redressé mesuré (Iar) supérieur au courant de consigne (Ic), et les moyens de commande de commutation (35) comportent un circuit logique (43) recevant ledit premier signal logique de détection et étant apte, lorsque l'interrupteur de pilotage d'une phase considérée occupe son état de fermeture, d'une part, à ouvrir l'interrupteur hacheur (Th) lors de l'apparition dudit premier niveau de détection, et d'autre part, à fermer l'interrupteur hacheur (Th) lors de l'apparition dudit second niveau de détection afin de renvoyer vers le réseau le courant de correction (IL). 3. Circuit de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premiers moyens de comparaison (41) font partie d'un circuit intégré correcteur de facteur de puissance. 4. Circuit de commande selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les premiers moyens de mesure du courant d'alimentation redressé sont constitués par une résistance (R) agencée en sortie de l'élément redresseur (15) et disposée dans la ligne d'alimentation (22) à laquelle sont raccordées les sorties respectives des interrupteurs de pilotage. 5. Circuit de commande selon l'une des revendications 2 à 4, comprenant en outre des troisièmes moyens de mesure de la tension aux bornes du condensateur, caractérisé en ce qu'il comprend également des deuxièmes moyens (46) de comparaison de la tension (Vc) mesurée aux bornes du condensateur (C) et de la tension d'alimentation redressée (Var) mesurée par les deuxièmes moyens de mesure pour délivrer au circuit logique de commande de commutation (43) un deuxième signal logique de détection (S'd) susceptible de présenter deux niveaux dont l'un dit premier correspond à une tension mesurée du condensateur (Vc) supérieure à au moins une fois la tension d'alimentation redressée (Var), et dont l'autre dit second correspond à une tension mesurée du condensateur (Vc) inférieure à au moins une fois la tension d'alimentation redressée (Var), et le circuit logique (43) de commande de commutation est apte, lorsque l'interrupteur de pilotage d'une phase considérée occupe son état de fermeture, à ouvrir ledit interrupteur de pilotage (T1;T2;T3) ainsi que l'interrupteur hacheur (Th) uniquement lors de l'apparition dudit second niveau de détection de manière à recharger le condensateur (C) via la diode correspondante. 6. Circuit de commande selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend de plus des troisièmes moyens (51) de comparaison de la tension (Vc) mesurée aux bornes du condensateur (C) et d'une tension de référence dite limite (V1) pour délivrer au circuit logique de commande de commutation (43) un troisième signal logique de détection (S"d) susceptible de prendre deux niveaux dont l'un dit premier correspond à une tension mesurée du condensateur (Vc) inférieure à la tension limite (V1), et dont l'autre dit second correspond à une tension mesurée du condensateur (Vc) supérieure à la tension limite (V1), et le circuit logique de commande de commutation (43) est apte, lorsque l'interrupteur de pilotage d'une phase considérée occupe son état de fermeture, à maintenir fermé ledit interrupteur de pilotage (T1;T2;T3) et à fermer l'interrupteur hacheur (Th) uniquement lors de l'apparition dudit second niveau de détection de manière à abaisser la tension aux bornes du condensateur (C). 7. Circuit de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la self-inductance (L) est constituée par au moins l'un des enroulements dits d'excitation d'un moteur à réluctance variable excitée.