Brevet FR2802364A1 — publié le 20010615

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA COMMANDE DE L'ALIMENTATION D'UN BOBINAGE DE ROTOR D'UNE MACHINE ELECTRIQUE TELLE QU'UN ALTERNATEUR OU UN ALTERNATEUR-DEMARREUR DE VEHICULE, NOTAMMENT AUTOMOBILE La présente invention est relative à la commandé de l'alimentation du bobinage de rotor d'une machine électrique telle qu'un alternateur ou un alternateur-démarreur de véhicule, notamment automobile,. Afin de faire face à l'augmentation de la puissance que doit aujourd'hui délivrer un alternateur ou un alternateur-démarreur du fait de l'augmentation de la puissance des consommateurs .ou de l'existence de nouveaux consommateurs électriques, on envisage d'augmenter la tension du réseau. Notamment, on envisage d'utiliser des tensions nominales de réseau de bord de l'ordre de 42 V au lieu de 14 V afin de fournir des puissances de l'ordre de 4 à 10 KW. ailleurs, même dans le cas de réseaux de bord dont la tension nominale de 14 volts, il peut être souhaitable que l'alternateur puisse ponctuellement générer une puissance supérieure (tout restant sous 14 V) en surexcitant le rotor. Egalement, on souhaite dans certains cas pouvoir surexciter le rotor pour améliorer les performances de démarrage d'un alternateur-démarreur. On comprend que dans tous les cas l'alimentation en régime de surexcitation du bobinage du rotor de la machine électrique va poser des problèmes d'échauffement. Un but de l'invention est de proposer commande de l'alimentation d'un bobinage d'excitation qui permette de pallier cet inconvénient. Par ailleurs, un autre but de l'invention est de proposer un montage pour générer une tension de surexcitation dans le cas de 14 V. Egalement, un autre but de l'invention est de proposer une commande en mode démarreur de l'alimentation du bobinage d'excitation (c'est à dire du bobinage du rotor) qui permette d'installer rapidement le couple de démarrage, de l'augmenter et de minimiser la dissipation thermique et de maximiser la puissance au démarrage. Plus particulièrement, l'invention propose un procédé pour la commande de l'alimentation du bobinage de rotor d'un alternateur ou d'un alternateur-démarreur, caractérisé en ce qu'on contrôle un paramètre est fonction de la tension aux bornes du bobinage d'ekcitation et/ou courant dans ce bobinage d'excitation pour maintenir ce paramètre permanence d'un même côté d'une valeur seuil qui correspond à température maximale admissible pour la machine électrique et ses composants. Un tel procédé est avantageusement complété . par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon toutes leurs combinaisons possibles - on détermine la température d'un composant caractéristique et on asservit le paramètre de contrôle de façon à ce que cette température soit permanence égale ou inférieure à une température maximale admissible pour la machine électrique et ses composants. - on mesure la vitesse angulaire de l'alternateur et en ce que le paramètre de controle est comparé à une valeur seuil qui est fonction de la vitesse angulaire du rotor de l'alternateur. - le paramètre de contrôle est fonction de la tension ou du courant en sortie d'un circuit générant une tension de surexcitation et on asservit ce circuit pour maintenir le paramètre de contrôle par rapport à la valeur seuil. - on contrôle le rapport cyclique d'un signal à modulation de largeur d'impulsions qui commande un commutateur qui lui-même commande l'alimentation du bobinage d'excitation, pour maintenir ce rapport cyclique inférieur égal à un rapport cyclique de seuil. - l'asservissement en température est mis en oeuvre en mesurant température du composant le plus chaud et en le comparant à une tension de référence. - l'asservissement est mis en oeuvre en estimant la température du composant le plus chaud à partir d'une température facile à mesurer. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une représentation schématique illustrant circuit d'alimentation conforme à un mode de mise en oeuvre possible pour l'invention ; - la figure 2 est un graphe sur lequel on a porté une courbe illustrant l'allure, en fonction de la vitesse angulaire du rotor de l'alternateur de la température du composant le plus chaud de la machine d'une dans le cas d'un alternateur refroidi par air et d'autre part dans cas d'un alternateur refroidi par un circuit d'eau ; on voit que dans certaines zones de vitesse la température maximale admissible n'est pas atteinte d'où l'objet de l'invention d'asservir la température d'un composant représentatif à la température maximale admissible. - la figure 3 est un graphe sur lequel on a porté une courbe illustrant l'allure, en fonction de la vitesse angulaire du rotor de l'alternateur, de la tension ou du courant maximal admissible aux bornes du bobinage d'excitation de l'alternateur ou de l'alternateur-démarreur, dans le cas d'une commande conforme à un mode de mise en oeuvre possible de l'invention ; - la figure 4 est un graphe sur lequel on a porté une courbe illustrant l'allure, en fonction de la vitesse angulaire du rotor de l'alternateur, du rapport cyclique maximal admissible aux bornes du bobinage d'excitation de l'alternateur dans le cas d'une commande conforme à un mode de mise en ceuvre possible de l'invention ; - la figure 5 est une représentation schématique illustrant un mode de réalisation possible pour un circuit de commande de l'alimentation d'un bobinage de rotor, comportant un montage d'élévation de tension ; - la figure 6 illustre l'allure de la tension aux bornes du bobinage d'excitation d'un demarreur de véhicule automobile conformément à une séquence de commande de démarrage préférée ; - les figures 7 à 9 sont des représentations schématiques semblables à celle de la figure 5 illustrant d'autres modes de réalisation possibles. Le montage qui est représente sur la figure 1 comporte un alternateur dont les bobinages statoriques et le pont redresseur, référencés par ALT, sont montés en parallèle avec batterie B d'un véhicule et dont le bobinage d'excitation EXC est alimente par l'intermédiaire d'un circuit de surexcitation 1. Ce circuit de surexcitation 1 reçoit en entrée la terïsion de réseau de bord délivrée par la batterie et/ou l'alternateur et délivre aux bornes du bobinage d'excitation EXC une tension supérieure à cette tension de réseau de bord. Le montage représenté sur la figure 1 comporte en outre des moyens de commutation 2 (interrupteur de puissance par exemple) commandés par une unité de commande Cette unité de commande 3 par exemple constituée par le régulateur de l'alternateur et commande le commutateur 2 par un signal à modulation de largeur d'impulsion. Egalement, l'unité de commande peut comporter des moyens qui permettent, dans le cas où l'alternateur déchargerait sur le réseau de bord en étant déconnecté par rapport à la batterie (cas de load dump selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée par l'homme du métier), de commander immédiatement l'ouverture du commutateur de puissance 2, afin de réaliser une démagnétisation rapide de l'alternateur. Le circuit de surexcitation 1 est commandé de façon que la tension ou le courant de surexcitation qu'il délivre soit toujours inférieure à une tension ou un courant qui correspond à la température maximale admissible pour l'alternateur et les composants qui sont montés sur celui-ci. Notamment, dans un premier mode de mise en ceuvre, il est prévu sur l'alternateur au moins un capteur thermique qui permet de connaître avec précision la température de l'élément le plus chaud. Une boucle d'asservissement permet de maintenir la tension ou le courant de surexcitation délivré par le circuit d'excitation 1 à des valeurs imposant en permanence à l'alternateur d'être à une température inférieure à la température maximale admissible pour celui-ci et ses composants. Dans un autre mode de mise en oeuvre, qui est un mode de mise en oeuvre préféré, on commande le circuit de surexcitation 1 de façon que la tension ou le courant délivre soit toujours inférieure à une tension ou un courant qui, pour vitesse angulaire donnée pour le rotor de l'alternateur, correspondrait à une température maximale prédéterminée par des essais ou un autre moyen. Notamment, on sait que la température d'un alternateur et de ses composants - c'est à dire des pièces qui le constituent - varie, en fonction de la vitesse angulaire du rotor, selon des courbes du type de celles représentées sur la figure 2, dans le cas d'un alternateur refroidi à air (courbe en trait plein) alternateur refroidi à eau (courbe en traits mixtes). De plus, la température maximale admissible (représentée en trait mixte 2 points) est droite horizontale coupant les courbes de température de l'alternateur ou de ses composants à leur maximum (vitesse d'environ 3000 trlmin). II est bien entendu possible d'inverser ces courbes pour en déduire en fonction de la vitesse angulaire du rotor une tension de surexcitation Vs maximale. Des courbes en sens sont illustrées sur la figure 3. Le circuit de surexcitation 1 est commandé, en fonction de la vitesse angulaire du rotor l'alternateur, de façon que la tension Vs ou le courant de surexcitation le circuit 1 délivre soit -toujours inférieur à la tension ou au courant maximal qui correspond à cette vitesse angulaire. On utilise ainsi l'alternateur au maximum de ses possibilités. En variante encore, ainsi que l'illustre la figure 4, on peut prévoir que c'est le rapport cyclique du signal à modulation de largeur d'impulsion qui commande le commutateur 2 qui est asservi, soit en fonction de la température, soit en fonction de la vitesse angulaire du rotor, de façon que la température du composant le plus chaud de l'alternateur soit toujours inférieure à la température maximale admissible. La mise en oeuvre de cet asservissement en température peut être réalisée en mesurant la température du composant le plus chaud et en le comparant à une tension de référence. L'asservissement peut aussi être réalisé en estimant la température du composant le plus chaud à partir d'une température facile à mesurer (typiquement dans le régulateur et en en déduisant ladite température du composant le plus chaud. Un exemple de circuit d'alimentation du bobinage rotor d'un alternateur-démarreur a été représenté sur la figure 5. Ce-circuit d'excitation 1 est un circuit hacheur élévateur qui comporte une inductance LB montée entre une ligne d'alimentation à la tension positive du reseau et un interrupteur TB qui est par ailleurs relié à la masse. interrupteur TB monté entre la masse et l'inductance LB est monté parallèle à une branche qui comporte en série un condensateur CB et une diode DB, l'anode de cette diode DB étant reliée ' l'inductance LB, sa cathode étant reliée au condensateur CB, le condensateur CB étant monté entre cette diode DB et la masse. Le point entre la cathode de la diode DB et le condensateur CB est celui qui alimente le bobinage du rotor LEXC. A cet effet, ce point est relié audit bobinage LEXC par l'intermédiaire d'un interrupteur T2. Par ailleurs, un interrupteur T1 est monté avec une diode D1 entre la ligne d'alimentation positive du réseau et la masse. La diode D1 est passante de la masse vers l'interrupteur T1, son anode étant reliée à la masse. Un point entre l'interrupteur T1 et la diode D1 est relie à un point entre le bobinage de rotor LEXC et l'interrupteur T2 par une diode D2 qui est passante du transistor T1 vers le bobinage de rotor LEXC. L'ensemble que constituent le transistor T1 et diode D1 correspond aux moyens de commutation référencés par 2 la figure 1 (cet ensemble 2 peut par exemple être un régulateur désigné sous la terminologie "high side" par l'homme du métier et utilisé sur machines actuellement). A son extrémité opposée au transistor T2, le bobinage de rotor LEXC est relié par une diode D3 à la ligne d'alimentation a la tension réseau. Cette diode D3 est passante du bobinage de rotor vers ladite ligne de tension réseau. Le point commun au bobinage rotor et à la diode D3 est relié à la masse par un interrupteur TDMG qui commande la démagnétisation rapide. Un tel montage permet le fonctionnement qui va maintenant être décrit. En fonctionnement en mode alternateur, l'interrupteur T2 est ouvert et l'interrupteur TDMG est fermé. La régulation se fait par l'intermediaire de l'interrupteur T1 Dans le cas où il survient accidentellement une coupure de la liaison électrique entre l'alternateur et batterie (" load dump"), on met en oeuvre une démagnétisation rapide en ouvrant l'interrupteur T1 et l'interrupteur TDMG. Le courant circule alors dans bobinage de rotor LEXC de la façon qui est illustrée sur la figure 5. En mode démarreur, l'interrupteur T2 est fermé. II en est de même de l'interrupteur TDMG. Ainsi que l'illustre la figure à la fermeture de l'interrupteur de contact, on alimente avantageusement bobinage d'excitation avec une tension ou un courant important, par exemple une tension de l'ordre de 20 V et un courant de 10 A. Ceci est obtenu grâce au circuit de surexcitation 1 dans lequel l'interrupteur TB est commandé avec signal à impulsions à largeur modulée (TWM selon la terminologie anglo-saxonne) d'une fréquence de l'ordre de 100 à 150 KHZ. La tension ou le courant important ainsi généré permettent d'installer rapidement un couple de demarrage important. Par exemple, le circuit de surexcitation 1 permet d'imposer une tension aux bornes du rotor de 18 V au lieu d'une tension de 8 V. La tension d'alimentation du bobinage de rotor LEXC est ensuite diminuée dans une deuxième phase pour être passée par exemple à 12 V ou 6 A à l'issue d'un temps donné, ce qui évite de chauffer de façon trop importante le bobinage d'excitation de l'alterno-démarreur. Puis, la tension devient négative lorsque le démarrage est détecté, afin de ne pas surcharger le moteur thermique dans la phase de démarrage. Cette inversion de tension est obtenue par exemple grace à l'interrupteur démagnétisation rapide TDMG, que l'on maintient alors ouvert, en même temps que l'interrupteur T1. On réfère maintenant à la figure 7 sur laquelle on a illustré un autre mode de réalisation possible de l'invention. Dans ce mode de réalisation, le circuit de surexcitation 1 est identique à celui décrit en référence à la figure 5, à ceci près que l'interrupteur T2 est monté entre l'inductance LB et la ligne d'alimentation. Le point commun au condensateur CB et à la diode est directement relié au bobinage d'excitation LEXC. A son extrémité opposée, ce bobinage d'excitation LEXC est relié à la masse par l'interrupteur T1 et à la ligne d'alimentation par la diode D1, laquelle est passante dudit bobinage d'excitation LEXC vers la ligne d'alimentation positive. Le fonctionnement d'un tel circuit est le suivant. En mode alternateur, l'interrupteur TB est ouvert, tandis que l'interrupteur T2 est fermé. L'alimentation du bobinage du rotor LEXC est régule par l'interrupteur T1, qui est commandé par exemple par une tension "PWM", au moyen d'une régulateur du commerce désigné sous la terminologie "low side" par l'homme du métier. En mode démarreur, les interrupteurs T1 et T2 sont fermés. La surexcitation du bobinage LEXC est commandée par l'interrupteur TB et notamment par le rapport cyclique du signal qui ouvre et ferme cet interrupteur. Lorsque l'on souhaite inverser la tension aux bornes du bobinage d'excitation LEC, notamment à la fin de la période de démarrage pour réaliser une démagnétisation rapide, on ouvre les trois interrupteurs T1, T2 et TB. Le courant de démagnétisation rapide circule alors de la façon indiquée sur la figure 7 et notamment à travers la diode qui est montée en parallèle au transistor TB et qui peut être la diode intrinsèque transistor MOSFET. On se réfère maintenant à la figure 8. Le circuit représenté sur cette figure est un circuit a montage abaisseur-élévateur ou "buck - boost" selon la terminologie de l'homme du métier. II comporte une inductance LB montée entre la ligne d'alimentation positive la masse, une diode DB montée entre l'extrémité de ladite inductance LB qui est opposée à la masse et un condensateur CB qui est relié à la masse à son extrémité opposée à ladite diode DB. point commun à la diode DB et au condensateur CB est relié au potentiel négatif du bobinage du rotor LEXC, l'extrémité opposée dudit bobinage étant quant à elle reliée par un interrupteur TDMG à masse du réseau bord. Un interrupteur T1 est monté entre le point commun à l'inductance LB et à diode DB et une borne d'alimentation à la tension de batterie. L'interrupteur TDMG est un transistor MOSFET. Une diode Zener DZ est montée entre la grille dudit transistor et son drain (la masse du réseau bord), en étant passante en mode Zener de la masse vers la grille. Le fonctionnement d'un tel montage est le suivant. En mode alternateur et en mode démarreur, l'interrupteur TDMG est fermé et la machine est régulée par l'interrupteur T1. La tension de démagnétisation est obtenue en ouvrant l'interrupteur T1 et en ouvrant l'interrupteur TDMG. L'interrupteur TDMG fonctionne alors en régime linéaire avec une tension drain source égale à la tension Zener. Le bobinage de rotor se décharge alors de la façon qui est illustrée sur la figure 8, le potentiel du point commun au condensateur CB et à la diode DB devenant juste supérieur à la masse. On se réfère enfin à la figure 9. Le montage qui est représenté sur cette figure est identique à celui de la figure 8, à ceci près que l'interrupteur TDMG n'est pas monté entre le bobinage de rotor LEXC et la masse, mais entre l'inductance LB et la masse. Le fonctionnement d'un tel montage est le suivant. En mode alternateur, l'interrupteur TDMG est fermé et l'alimentation du bobinage de rotor LEXC est commandée par l'interrupteur T1. En mode démarreur, la régulation se fait à travers l'interrupteur T1, l'interrupteur TDMG étant fermé. Pour inverser la tension aux bornes du bobinage de rotor, notamment dans le cas où un "load dump" est détecté ou encore à la fin de la période de démarrage, ainsi qu'illustré sur la figure 6, on ouvre l'interrupteur TDMG en même temps que l'interrupteur T1, de sorte que la bobine d'excitation se décharge rapidement dans le réseau de bord. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la commande de l'alimentation du bobinage de rotor d'un alternateur ou d'un alternateur-démarreur, caractérisé en ce qu'on contrôle un paramètre qui est fonction de la tension aux bôrnes du bobinage d'excitation et/ou du courant dans ce bobinage d'excitation pour maintenir ce paramètre en permanence d'un même côté d'une valeur seuil qui correspond à une température maximale admissible pour machine électrique et ses composants. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé ce qu'on détermine la température d'un composant caractéristique et asservit le paramètre de contrôle de façon à ce que cette température soit en permanence égale ou inférieure à une température maximale admissible pour machine électrique et ses composants. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en qu'on mesure la vitesse angulaire de l'alternateur et en ce que le paramètre de contrôle est comparé à une valeur seuil qui est fonction de la vitesse angulaire du rotor de l'alternateur. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le paramètre de contrôle est fonction de la tension ou courant en sortie d'un circuit générant une tension de surexcitation et en qu'on asservit ce circuit pour maintenir le paramètre de contrôle par rapport à la valeur seuil. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on contrôle le rapport cyclique d'un signal à modulation de largeur d'impulsions qui commande un commutateur qui lui-même commande l'alimentation du bobinage d'excitation, pour maintenir ce rapport cyclique inférieur ou égal à un rapport cyclique de seuil. 6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'asservissement en température est mis en oeuvre en mesurant la température du composant le plus chaud et en le comparant à une tension de référence. 7. Procédé selon la revendication la revendication 2, caractérisé en ce que l'asservissement est mis en oeuvre en estimant la température du composant le plus chaud à partir d'une température facile à mesurer.