Brevet FR2830138A1 — publié le 20030328

La présente invention se rapporte à un système de mesure des courants moteur dans un onduleur de variateur de vitesse, comportant dans les bras de ponts, des capteurs de mesure de courant délivrant des signaux à des échantillonneurs bloqueurs aptes à mémoriser des mesures de courant pouvant être envoyées à un micro-contrôleur après conversion par un convertisseur analogique-numérique et des moyens pour commander les interrupteurs de l'onduleur dont les instants de commutation sont déterminés par la comparaison entre une onde de référence et une porteuse triangulaire. Un convertisseur de fréquence alimenté par un réseau à courant alternatif sert à commander un moteur sous une fréquence et une tension variables. Il se compose d'un étage redresseur qui alimente, sous une tension continue et après filtrage, un onduleur de tension. Cet onduleur comporte des interrupteurs (par exemple des transistors IGBT) qui sont commandés par un circuit de contrôle à microcontrôleur selon une technique appelée modulation de largeur d'impulsions (ou encore PWM ou MLI) délivrant au moteur une suite d'impulsions modulées en largeur. Les instants de commutation des transistors sont fixés par comparaison d'une onde de référence représentant la tension de sortie d'une phase et d'une porteuse triangulaire. Dans un convertisseur de fréquence, on a besoin de connaître le courant dans les phases pour réguler la vitesse et le couple et pour assurer la protection contre les sur-courants et les courts-circuits. Pour réguler la vitesse, c'est la sinusoïde de courant (fondamental de courant) que l'on recherche. On connaît des variateurs dans lesquels on effectue une mesure de courant par un shunt unique placé sur le bus de l'alimentation de l'onduleur. Cette solution fournit des informations sur la puissance absorbée par la machine et donc sur son état de charge mais elle ne permet pas d'utiliser des lois de commande vectorielle. On connaît, par le document EP 0834983, un onduleur de variateur de vitesse dans lequel la reconstruction des courants moteur s'effectue à partir de mesures données par des shunts placés au bas des branches de l'onduleur. Le principe de mesure est basé sur un ASIC qui utilise les ordres de commandes des interrupteurs. La chaîne de mesure est complexe et coûteuse pour un petit variateur et la mesure des courants n'est pas optimale. La présente invention a pour but de mesurer les courants moteur par trois shunts placés en partie basse des branches de l'onduleur et de reconstituer les images des courants des phases moteur par un algorithme logiciel. La chaîne de mesure des courants est alors extrêmement réduite et bien adaptée à des variateurs de petite puissance et de faible coût. L'optimisation de l'instant de mesure permet d'obtenir le fondamental du courant moteur. Le système de mesure selon l'invention est essentiellement caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour calculer la durée des ordres de commande, des moyens pour faire délivrer par le microcontrôleur un signal de commande des échantillonneurs bloqueurs, ce signal étant synchrone avec les sommets de la porteuse triangulaire, à mesurer la tension aux bornes d'un capteur et utiliser les mesures de courant si la durée de l'ordre de commande est supérieure à une valeur prédéterminée ou pour calculer le courant de phase si la durée de l'ordre de commande est inférieure à la valeur prédéterminée. Selon une caractéristique, les capteurs de mesure sont montés dans les branches basses de l'onduleur et le système comporte des moyens pour mesurer les courants délivrés par ces capteurs aux instants déterminés par le signal de commande, les courants traversant les capteurs de mesure prenant la valeur du fondamental des courants des phases du moteur. D'autres caractéristiques sont définies dans les revendications annexées. L'invention va maintenant être décrite avec plus de détail en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma de la chaîne de mesure de l'onduleur selon l'invention ; - la figure 2 est un diagramme donnant dans le cas d'une commutation sans retard, le courant shunt en fonction du temps ; - la figure 3 est un diagramme donnant, en fonction du temps, le courant shunt dans le cas d'une modulation avec dépassement du niveau de la porteuse ; - la figure 4 est un diagramme donnant dans le cas d'une commutation avec retard, le courant shunt en fonction du temps. La figure 1 montre un onduleur de tension 1 qui fait partie d'un variateur de vitesse et est équipé du système de mesure de courants selon l'invention. Cet onduleur est alimenté aux bornes positive et négative d'une source de tension continue non représentée. Cet onduleur de tension 1 est pourvu d'interrupteurs T1 à T6, ici des transistors de type IGBT, associés à des diodes 01 à D6. Les transistors T1 à T6 sont commandés par un circuit de commande et par un microcontrôleur C de manière à délivrer au moteur MAS, sur les lignes de phases, une suite d'impulsions modulées en largeur (modulation de largeur d'impulsions ou MLI) qui sont référencées Vp1, Vp2 et Vp3. On considère que le moteur MAS est équilibré et que par conséquent la somme des courants réels Ip1, Ip2 et Ip3 sur les lignes de phases est égale à 0. L'onduleur 1 intègre trois shunts Rs, un par branche. Chaque shunt Rs est monté dans la partie basse d'une branche de l'onduleur, entre un couple transistor-diode de roue libre de la voie basse et le moins du bus de la source de tension continue qui donne le potentiel de référence pour les mesures. Les shunts Rs fournissent des tensions Vs1, Vs2, Vs3 qui sont des images des courants Is Is2, Is3 passant dans les branches de l'onduleur. Ces tensions Vs1, Vs2, Vs3 sont amplifiées par des amplificateurs A 1, A2, A3 respectivement et sont envoyées sur trois échantillonneurs-bloqueurs 5 1-C1, 52-C2, 53-C3 regroupés dans un ensemble EB. Chaque échantillonneur bloqueur S1-C1, S2-C2, S3-C3 se compose d'un interrupteur SI, S2, S3 associé à un condensateur C1, C2, C3. Le signal ITsample est généré par le microcontrôleur J ! C et a pour fonction de commander les échantillonneurs-bloqueurs de l'ensemble EB de manière à figer les images des courants moteur Is1, Is2, Is3 sur les fronts descendants dudit signal ITsample pour en permettre la conversion analogique/numérique. Les interrupteurs SI, S2, S3 sont fermés ou passants quand le signal ITsample est à un niveau 1 et sont ouverts quand le signal ITsample est à un niveau 0. Lorsque les interrupteurs SI, S2, S3 sont fermés, ils alimentent les condensateurs C1, C2, C3. Lorsque les interrupteurs SI, S2, S3 sont ouverts sous la commande ITsample, les condensateurs C1 ou C2 ou C3 délivrent au convertisseur CA/N un signal de sortie Im1, m2 ou m3 qui est une image du courant Is1, Is2, Is3 à l'instant correspondant au front descendant du signai) Tsamp) e. Ces signaux de sortie Im1, m2 ou m3 représentent les images des courants de phase Ip1, Ip2, Ip3 respectivement. Les signaux de sortie Im1, Im2 ou Im3 des échantillonneurs-bloqueurs sont, après conversion par le convertisseur Analogique / Numérique CA/N, utilisés par le microprocesseur J ! C qui gère les algorithmes de commutation des transistors T1 à T6 et génère le signal ITsample. Les instants du front descendant de ITsample sont synchrones avec la porteuse en dent de scie P. En se référant à la figure 2, les instants de commutation des transistors T1 à T6 sont déterminés par comparaison d'une onde de référence représentant la tension de sortie d'une phase et d'une porteuse triangulaire et symétrique ou en dents de scie référencée P. Un courant phase Ip prend la valeur du fondamental de courant Ipf en haut et en bas de la dent de scie P comme le montre la figure 2. De ces deux instants possibles pour la mesure, seule la mesure en haut de la dent de scie est accessible par des shunts placés en partie basse des branches de l'onduleur. En effet un interrupteur bas T4, T6, T2 est passant quand sa référence de tension Vp est inférieure au niveau de la dent de scie P. Les courants Is traversant les shunts Rs sont des impulsions de courant centrées autour du haut de la dent de scie P. En se référant à la figure 4, la tension de référence Vref est comparée à la dent de scie P pour obtenir l'ordre de commande théorique CT de la branche. L'ajout des retards intervoies Triv à CT permet d'obtenir les ordres de commutation effectifs CTh et CTb respectivement pour l'interrupteur haut et pour l'interrupteur bas. La figure 4 montre le positionnement des impulsions de courant Is traversant les shunts de mesure Rs en prenant en compte les retards intervoies Triv, les retards Ton et Toff propres aux commutations des interrupteurs et l'apparition d'un éventuel courant de perturbation haute fréquence dû aux câbles entre variateur et moteur s'étendant sur une durée Tper. Tant que l'ordre de commande CT a une durée Tref supérieure à une valeur calculée Trefnin, le courant shunt mesuré à l'instant Tmes correspondant au front descendant du signal ITsample est le courant phase moteur : c'est la mesure directe. La valeur calculée est fonction du retard intervoies Triv et de la durée Tper. A titre indicatif on peut prendre Tref"égal à la moyenne arithmétique de Triv et Tper, Triv étant le retard intervoies et Tper la durée de la composante haute fréquence du courant phase. Dans le cas où la branche est saturée en haut ou si la durée de l'ordre de commande CT est trop faible (durée inférieure à Trefnin) et ne respecte pas les conditions de validité des mesures, le courant phase Is1, Is2 ou Is3 mesuré directement n'est pas utilisable. Le courant dans cette phase peut malgré tout être connu en le calculant, à partir des deux autres mesures par la relation : ipl + ip2 + ip3 = 0. Cette situation arrive par exemple au voisinage et au delà de la vitesse nominale de la machine quand les tensions à développer par la machine sont proches ou supérieures aux tensions du réseau. Si deux ou trois ordres de commande ont des durées inférieures à Trefmin, le courant phase n'est pas calculable par les deux autres mesures, la valeur du courant phase est figée jusqu'à obtenir des conditions de mesures ou un calcul valides. Il est bien entendu que l'on peut sans sortir du cadre de l'invention imaginer des variantes et des perfectionnements de détail ou envisager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS 1. Système de mesure des courants moteur dans un onduleur de variateur de vitesse comportant dans les bras de pont des capteurs de mesure de courant (Rs) délivrant des signaux à des échantillonneurs bloqueurs (EB) aptes à mémoriser des mesures de courant pouvant être envoyées à un micro-contrôleur (J. ! C) après conversion par un convertisseur analogique-numérique et des moyens pour commander les interrupteurs (T1 à T6) dont les instants de commutation sont déterminés par la comparaison entre une onde de référence et une porteuse triangulaire (P), caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour calculer la durée (Tref) des ordres de commande (CT), des moyens pour faire délivrer par le microcontrôleur (J. ! C) un signal (ITsample) de commande des échantillonneurs bloqueurs, ce signal (ITsample) étant synchrone avec les sommets de la porteuse triangulaire (P), à mesurer la tension aux bornes d'un capteur (Rs) et utiliser les mesures de courant si la durée de l'ordre de commande est supérieure à une valeur prédéterminée ou pour calculer le courant de phase (lp1, Ip2 ou Ip3) si la durée de l'ordre de commande est inférieure à la valeur prédéterminée. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les capteurs de mesure (Rs) sont montés dans les branches basses de l'onduleur et qu'il comporte des moyens pour mesurer les courants délivrés par ces capteurs aux instants (Tmes) déterminés par le signal de commande (ITsample), les courants traversant les capteurs de mesure prenant la valeur du fondamental des courants des phases du moteur. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour déterminer le meilleur instant de mesure pour obtenir une plage de validité des mesures directes la plus étendue possible et des moyens pour déterminer les limites où la mesure d'un courant n'est plus exploitable directement et pour proposer une reconstruction à partir des mesures des autres phases. 4. Système selon la revendication 1 ou 2 ou 3, caractérisé par le fait que les capteurs de mesure (Rs) sont des shunts.