Brevet FR2800935A1 — publié le 20010511

La présente invention concerne un procédé pour générer des grandeurs de réglage pour la tension longitudi- nale et la tension transversale, pour représenter des cou- rants formant des flux et des courants formant le couple, selon lequel pour la régulation à orientation de champ de ma- chine à champ tournant, en tenant compte de la chute de ten- sion aux bornes du stator et de la tension principale de champ. La régulation à orientation de champ de machines à champ tournant est une technique connue en soi. Elle est, par exemple, décrite dans les documents " Siemens Forschungs - und Entwicklungsberichten 1972, F. Blaschke, " Das Verfa- hren der Feldorientierung zur Regelung des Asynchronmas- chine ", p.184 et suivantes ou dans le manuel " Control of Electrican Drives ", W. Leonhard, Springer Verlag, p. 214 à 222 ". Pour la régulation à orientation de champ, il faut surveiller à tout instant à la fois l'amplitude du vec- teur de flux du stator et sa position par rapport au vecteur de flux du rotor. L'une des principales fonctions est de dé- coupler les courants engendrant le couple (courant transver- sal IQ) et les courants formant le flux (courant longitudinal ID). Il faut en outre veiller à ce que ces courants soient à tout instant, orthogonaux l'un par rapport à l'autre dans un système de coordonnées rapportées au rotor. Cela nécessite leur saisie des courants de stator du système triphasé, leur transformation dans un système de coordonnées tournant en synchronisme avec le flux du rotor et leur comparaison avec les valeurs de consigne des composantes formant le flux et des composantes formant le couple du courant. Après calcul et transformation inverse, à partir du système de référence ro- tatif vers le système de coordonnées fixes du stator, le mo- teur reçoit les nouvelles valeurs intensité/tension. Dans le cas de la régulation à orientation de champ, on obtient un couple constant même audelà du régime nominal, une meilleure constance de la vitesse également dans des conditions de puissance variables et un rendement élevé à pleine charge. Dans les systèmes connus de régulation à orienta- tion de champ dans des machines asynchrones, les moyens tech- niques à mettre en oeuvre pour assurer la régulation sont relativement importants et coûteux. Un nouveau domaine d'application des régulations à orientation de champ est par exemple celui des réseaux électriques embarqués de véhicules automobiles. Les réseaux embarqués futurs des véhicules automobiles auront à fournir des puissances électriques significativement plus élevées que les réseaux actuels (par exemple de 4 à 6 kilowatts). Ce dé- veloppement est notamment prévisible en ce que des accessoi- res entraînés actuellement mécaniquement le seront électri- quement. De telles puissances élevées ne peuvent pas être fournies avec les générateurs à griffes polaires actuels car la transmission du couple par des courroies trapézoïdales est critique pour de telles puissances élevées. En particulier les pointes de couple sont critiques car la courroie trapé- zoidale peut patiner. Dans ces conditions, il convient d'utiliser des machines asynchrones à redresseur commandé. La présente invention a pour but de simplifier les systèmes actuels de régulation à orientation de champ de machines asynchrones. A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on calcule la tension principale de champ sur la base des grandeurs de ré- glage des courants IQ, ID. Le premier procédé selon l'invention permet une solution beaucoup moins compliquée que les solutions actuel- les de régulation de moteurs asynchrones à orientation de champ. Il est particulièrement avantageux, dans l'appli- cation du procédé spécifié ci-dessus, de supprimer une saisie de courant, distincte, et d'économiser ainsi le coût d'au moins deux convertisseurs de courant. Selon un développement préférentiel du premier procédé de l'invention, en plus de la tension de champ, prin- cipale, on calcule également la chute de tension aux bornes du stator sur la base des grandeurs de consigne des courants formant le couple. Selon un développement particulièrement avanta- geux du premier procédé de l'invention, la composante de ten- sion transversale de consigne UHQsoll de la tension princi- pale du champ est obtenue selon la formule suivante: UHQsoll = O1 * I, O1 = %mech +)2, = S(ISDSo011 - IMRsoll) * RRot * dt, et (02 = ISQSo11/ISDsoll/TROt dans cette formule omech est la fréquence circulaire de la vitesse de rotation mécanique de la machine à courant tour- nant; e2 est la fréquence circulaire du rotor; ISQsoll est le courant transversal de consigne; ISDsojj est le courant longitudinal de consigne; TRot est la constante de temps du rotor; O est le flux magnétique;IMRsoll est le courant d'aiman- tation de consigne; RRot est la résistance du rotor; UHDsoll est la composante de tension longitudinale de consi- gne pour la tension de champ principale selon la formule UHDsoll = (ISDsoll - IMRsoll) *RRot A partir de ces formules on peut générer de ma- nière particulièrement simple les grandeurs de consigne pour représenter les courants transversaux et longitudinaux. La saisie du courant réel n'est plus nécessaire. A partir d'une régulation réalisable avec le procédé connu, on a dans une certaine mesure une commande ayant, par rapport aux procédés connus, des propriétés stationnaires de qualité analogue. La précision de la commande du procédé selon l'invention est d'autant meilleure que les différents paramètres de la ma- chine seront connus de manière précise. Il est à remarquer qu'il est intéressant, dans l'utilisation du premier procédé selon l'invention, d'utiliser des commutateurs à semi-conducteurs avec des mi- roirs de courant qui saisissent eux-mêmes les courants de courts-circuits et se protègent ainsi eux-mêmes. Ce moyen re- présente une protection efficace contre d'éventuelles surin- tensités. Les miroirs de courant sont intégrés avanta- geusement dans des commutateurs à semi-conducteurs. La présente invention concerne en outre un proce- dé pour déterminer la fréquence circulaire de rotor 2 d'une machine asynchrone régulée, à orientation de champ, caracté- risé en ce que la chute de tension de stator UQSt et la grandeur UHQ_MECH=O2*t sont asservies au régulateur de cou- rant transversal R pour réguler la composante de courant transversal ISQ de la tension de champ principal, O repré- sentant le flux de la machine asynchrone calculé à partir du modèle de flux, pour qu'à la sortie du régulateur apparaisse la grandeur UHQ_ n2=2*'t, et on divise la valeur UHQ_02 par O pour obtenir la valeur e2. Le second procédé selon l'invention se distingue en ce que la fréquence circulaire de rotor 2 de la machine asynchrone se détermine d'une manière tenant automatiquement compte de l'influence de la température. Le procédé selon l'invention permet ainsi de déterminer de façon très simple la fréquence circulaire du rotor de la machine asynchrone. Le problème selon l'invention est enfin résolu par un procédé pour saisir et appairer au moins deux courants de phase d'une machine asynchrone pour la mise en oeuvre d'une régulation à orientation de champ, caractérisé par les étapes suivantes: - saisie de la valeur d'un premier courant de phase à un premier instant tl, - saisie de la valeur d'un second courant de phase à un se- cond instant t2 postérieur au premier instant t1 d'un pre- mier intervalle de temps Atl, - saisie de la valeur du premier courant de phase à un troi- sième instant t3 à un second intervalle de temps At2 après le second instant t2, - formation d'une valeur moyenne notamment de la valeur arithmétique à partir des valeurs du premier courant de phase à l'instant t1 et à l'instant t3, - appariement de la valeur moyenne avec la valeur saisie du second courant de phase. Le troisième procédé selon l'invention permet une saisie particulièrement simple d'au moins deux courants de phase d'une machine asynchrone. L'utilisation du troisième procédé selon l'invention fournit, par rapport aux procédés usuels, des valeurs de deux courants de phase, améliorées de manière considérable du point de vue du synchronisme ce qui permet de supprimer deux ou plusieurs convertisseurs analogi- ques/numériques. Selon un mode de réalisation préférentiel du troisième procédé de l'invention, le premier courant de phase est appliqué à deux canaux A/N (analogiques/numériques) dif- férents d'un contrôleur et ce contrôleur comporte uniquement un convertisseur A/N. Ce moyen permet une mise en oeuvre par- ticulièrement simple du procédé de l'invention. De façon avantageuse, l'intervalle de temps entre la saisie de la valeur du premier courant de phase à un pre- mier instant et la saisie de la valeur du second courant de phase à un second instant, a la même longueur que l'inter- valle de temps compris entre la saisie du second courant de phase à un second instant et la saisie du premier courant de phase au troisième instant. Pour les mêmes intervalles de temps on a une exploitation particulièrement simple par le calcul des courants de phase, enregistrés. Les procédés selon l'invention seront décrits ci- après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre un schéma d'un procédé connu pour obte- nir des grandeurs de réglage pour représenter un courant longitudinal et un courant formant le couple dans une ma- chine asynchrone, - la figure 2 montre un schéma par blocs du premier procédé de l'invention, - la figure 3 est un schéma par blocs d'une commande usuelle d'un régulateur de courant transversal dans le cas d'une régulation à orientation de champ d'une machine asynchrone et - la figure 4 montre un schéma du second procédé de l'invention. La figure 1 montre une régulation usuelle à orientation de champ d'une machine asynchrone. La base d'une telle régulation est la régulation découplée du courant formant le flux (courant longitudinal ID) et du courant formant le couple (courant transversal IQ). Des régulateurs de cou- rant, appropriés, non détaillés (régulateurs de courant lon- gitudinal et régulateurs de courant transversal) reçoivent à l'entrée, de manière habituelle, la différence entre les cou- rants de consigne et les courants réels ISQ_ref, ISQ; USDref, ISD. A la sortie du régulateur on obtient chaque fois une grandeur de régulation pour la tension longitudinale ou la tension transversale permettant de réguler le courant longitudinal et le courant transversal. Usuellement, les régulateurs reçoivent comme com- mande la chute de tension de stator UQSt, UD_ St comme cela est représenté à la figure 1. Les régulateurs sont alors dé- couplés et n'ont plus qu'à réguler la tension de champ prin- cipale UHQ, UHD. Le flux magnétique nécessaire à la régulation ainsi que la fréquence circulaire du rotor de la machine asynchrone s'obtient à l'aide du modèle de flux évoqué, qui est connu en soi et ne nécessite pas d'explication détaillée. A la fois le modèle de flux et la chute de tension du stator sont calculés usuellement avec les grandeurs réelles du cou- rant longitudinal et du courant transversal. Pour saisir les courants réels il faut néanmoins des convertisseurs d'inten- sité, relativement compliqués, que l'invention se propose d'éviter. Le premier procédé selon l'invention effectuant une régulation à orientation de champ de machines asynchro- nes, à faibles moyens de mise en oeuvre, permettant notamment de supprimer des convertisseurs de courant, sera décrit ci- après à l'aide de la figure 2. Selon ce premier procédé de l'invention, les grandeurs de réglage USD_ref et USQref pour la tension longitudinale et la tension transversale se calcu- lent exclusivement à partir des courants IQ, ID. On voit à la figure 2 que, selon le procédé présenté, on applique comme commande, pour la chute de tension de stator UQ_St, UDSt, la composante respective du champ principal, c'est-à-dire la tension transversale de consigne UHQsoll, UHDsoll. Globalement, les grandeurs de réglage pour la tension longitudinale et la tension transversale USDref, USQref, ne sont obtenues qu'avec les grandeurs de consigne ou sont représentées avec celles-ci. Le procédé ou les formu- les de calcul des composants UHQsoll et UHDsoll ont été don- nés de manière explicite déjà dans l'introduction de la description. Selon les figures 3 et 4 on décrira ci-après le second procédé de l'invention. Pour découpler la régulation du courant formant le flux (courant longitudinal ID) et du courant formant le couple (courant transversal IQ) on détermine usuellement dans le modèle de flux déjà évoqué, la fréquence circulaire du ro- tor)2 ainsi que le flux de la machine asynchrone. Pour 02 on a: (02 = IQ/ID/TR, formule dans laquelle TR est la constante de temps du rotor, c'est-à-dire TR = LH/RRot (LH: inductance principale; RRot: résistance du rotor). La résistance du rotor RRot est fortement dépen- dante de la température du rotor. Une mesure de cette tempé- rature n'est pas possible avec des moyens réduits. La température du stator se mesure de façon relativement simple mais peut différer fortement de la température du rotor. Dans le procédé connu, on détermine la résistance du rotor sur la base de la température du stator, ce qui est entaché d'imprécision relativement importante pour la fréquence cir- culaire du rotor C2- Le second procédé selon l'invention permet de te- nir compte de l'influence de la température sur la fréquence circulaire de rotor 02. Usuellement, pour le régulateur de courant trans- versal R, on commande la composante transversale de la chute de tension aux bornes du stator UQ_St comme le montre la fi- gure 3. A la sortie du régulateur R apparaît alors la compo- sante transversale de la tension de champ principale UHQ qui est donnée par l'équation suivante: UHQ = e1 * D, dans cette équation l représente la fréquence circulaire du stator, D représente le flux de la machine asynchrone obtenu à par- tir du modèle de flux et )I = Omech + e2 dans cette formule mech représente la fréquence circulaire de la vitesse de rotation mécanique du rotor de la machine asyn- chrone et e2 représente la fréquence circulaire du rotor. Selon le second procédé de l'invention, en plus de la chute de tension du stator on commande la grandeur UHQ_MECH=(emech*1) par le régulateur de courant transversal R. A la sortie du régulateur apparaît alors la grandeur UHQ_e2= (2*) - La fréquence circulaire du rotor 02 s'obtient ainsi directement par une simple division de la grandeur UHQ_e2 par le flux c. Dans cette valeur (02 on a tenu compte de l'influence de la température ou de la dépendance à la température. A l'aide du troisième procédé selon l'invention, on peut faire une saisie particulièrement simple d'au moins deux courants de phase d'une machine asynchrone. De manière idéale, pour découpler la régulation du courant formant le flux (courant longitudinal ID) et du courant formant le cou- ple (courant transversal IQ), on saisit de manière synchrone au moins deux courants de phase de la machine asynchrone. Sur la base de ces courants de phase, par une conversion de sys- tème de coordonnées et transformation dans un système de coordonnées tournant avec l'indicateur d'espace de flux, on forme la valeur réelle de IQ et ID. Dans un tel système de coordonnées, les grandeurs IQ et ID ont la même amplitude. Lors de l'utilisation de microcontrôleurs, usuels, particulièrement peu coûteux à réaliser pour la régu- lation on dispose toutefois seulement d'un convertisseur ana- logique/numérique A/N. Les courants de phase peuvent dans ce cas se détecter seulement séquentiellement, c'est-à-dire avec décalage dans le temps. Un tel décalage dans le temps conduit toutefois à une composante alternée dans les grandeurs identiques IQ, ID, transformée chaque fois en des courants sinusoïdaux. La fré- quence de la composante alternative correspond au double de la fréquence d'oscillations de base. L'amplitude augmente avec décalage de temps constant, à mesure que la fréquence de base augmente. Cette composante alternative se répercute très défavorablement sur la qualité de la régulation. C'est pour- quoi les régulateurs de courant sont conçus pour éliminer les grandeurs continues qui devraient néanmoins assurer simulta- nément une fin de régulation de la composante continue. Pour contourner cette difficulté, il est connu d'utiliser des sys- tèmes ayant deux convertisseurs A/N, parallèles. Ces conver- tisseurs sont toutefois en général plus coûteux que des systèmes n'ayant qu'un convertisseur A/N. Le troisième procédé selon l'invention permet de fournir, avec une qualité de synchronisation considérablement améliorée, deux valeurs de deux courants de phase; la four- niture de deux convertisseurs A/N n'est pas nécessaire. En utilisant le procédé selon l'invention on peut ainsi, par comparaison avec des systèmes à deux convertisseurs A/N, constituer des systèmes plus avantageux du point de vue du coût. Selon le troisième procédé de l'invention, sé- quentiellement on enregistre un premier courant de phase, puis un second courant de phase et enfin une autre fois le premier courant de phase. A partir des deux valeurs du pre- mier courant de phase, on forme la moyenne arithmétique. Une paire ainsi obtenue du courant pris en moyenne et du second courant enregistré est moins entachée d'erreurs en moyenne que le procédé séquentiel classique.5 Un avantage très important du troisième procédé selon l'invention est que pour un régulateur de courant pour la régulation à orientation de champ de machines asynchrones on dispose de valeurs synchrones des courants de phase néces- saires, en disposant seulement d'un convertisseur A/N. Il R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Procédé pour générer des grandeurs de réglage USD_ref, USQ_ref pour la tension longitudinale et la tension transver- sale, pour représenter des courants ID formant des flux et des courants IQ formant le couple, selon lequel pour la régu- lation à orientation de champ de machine à champ tournant, en tenant compte de la chute de tension aux bornes du stator UQ_ St, UD_ St et de la tension principale de champ UHQ, UHD, caractérisé en ce qu' on calcule la tension principale de champ UHQ, UHD sur la base des grandeurs de réglage des courants IQ, ID. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chute de tension de stator UD_St, UQ_St est calculée à partir des grandeurs de consigne des courants IQ, ID. 3 ) Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la composante de tension transversale de consigne UHQsoll de la tension principale de champ est calculée selon la formule UHQsoll = (o1 * (I, avec 1 = emech + 02, (= (ISDsoll - IMRsoll) * RRot * dt, et (02 = ISQsoll/ISDsoll/TRot dans laquelle 0mech est la fréquence circulaire de la vitesse de rotation mécanique de la machine à courant tournant, 02 représente la fréquence circulaire du rotor, ISQsoll représente le courant transversal de consigne, ISDsoll représente le courant longitudinal de consigne, TRot est la constante de temps du rotor, P, le flux magnétique, IMRsoll le courant de consigne d'aimantation, et RRot la résistance du rotor, et la composante longitudinale de consigne UHDsoll de la tension principale de champ est calculée selon la formule 1UHDsoll = (ISDsoll - IMRsoll) *RRot 4 ) Procédé pour déterminer la fréquence circulaire de rotor 02 d'une machine asynchrone régulée, à orientation de champ, caractérisé en ce que la chute de tension de stator UQ_St et la grandeur UHQ_MECH=e2*J sont asservies au régulateur de courant trans- versal R pour réguler la composante de courant transversal ISQ de la tension de champ principal, O représentant le flux de la machine asynchrone calculé à partir du modèle de flux, pour qu'à la sortie du régulateur apparaisse la grandeur UHQ_(02=2*, et on divise la valeur UHQ_ 2 par O pour obte- nir la valeur (2. ) Procédé pour saisir et appairer au moins deux courants de phase d'une machine asynchrone pour la mise en oeuvre d'une régulation à orientation de champ, caractérisé par les étapes suivantes: - saisie de la valeur d'un premier courant de phase à un premier instant tl, - saisie de la valeur d'un second courant de phase à un se- cond instant t2 postérieur au premier instant t1 d'un pre- mier intervalle de temps At1, - saisie de la valeur du premier courant de phase à un troi- sième instant t3 à un second intervalle de temps At2 après le second instant t2, - formation d'une valeur moyenne notamment de la valeur arithmétique à partir des valeurs du premier courant de phase à l'instant tl et à l'instant t3, - appariement de la valeur moyenne avec la valeur saisie du second courant de phase. 6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier courant de phase est appliqué à deux canaux analo- giques/numériques A/N différents d'un contrôleur comportant seulement un convertisseur A/N. 7 ) Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'intervalle de temps Atl a la même longueur que l'intervalle de temps At2.