Brevet FR2872647A1 — publié le 20060106

La présente invention concerne les systèmes de contrôle de la vitesse d'un moteur électrique, par exemple un moteur électrique de traction ou de levage. La société demanderesse commercialise actuellement des systèmes de contrôle de la vitesse de moteurs électriques asynchrones ou synchrones triphasés qui comportent un redresseur relié d'une part au réseau et d'autre part à un bus continu. Ce dernier comporte un étage de filtrage et alimente un étage de puissance, lequel est contrôlé par une unité de commande. L'étage de filtrage comporte plusieurs condensateurs pour une capacité totale relativement élevée, par exemple de l'ordre de 2200 gF pour une puissance de 22 kW. Le système peut également comporter un dispositif de précharge des condensateurs de l'étage de filtrage, un hacheur et une résistance pour dissiper l'énergie restituée par le moteur électrique lors d'un freinage. L'étage de filtrage permet de réduire le risque d'instabilité du moteur et d'absorber les surtensions lors du renvoi d'énergie du moteur vers le système de contrôle. Les condensateurs utilisés dans l'étage de filtrage présentent l'inconvénient d'avoir, comparativement aux autres composants, une durée de vie relativement faible, notamment à température élevée, et de plus sont des composants relativement coûteux et volumineux. L'invention vise à remédier aux inconvénients liés à l'utilisation de ces condensateurs de capacité relativement élevée et d'une inductance dans l'étage de filtrage, afin notamment d'accroître la fiabilité et diminuer le coût et l'encombrement des systèmes de contrôle. Selon l'un de ses aspects, l'invention a pour objet un système de contrôle de la vitesse d'un moteur électrique, comportant: - un convertisseur à relier à un réseau électrique polyphasé et relié à un 25 bus continu, - un étage de filtrage du bus continu comportant au moins un condensateur, - un étage de puissance à relier au moteur électrique, - une unité de commande de l'étage de puissance, le convertisseur étant réversible et agencé pour renvoyer vers le réseau au moins une fraction de l'énergie susceptible d'être restituée par le moteur électrique en cours de fonctionnement, l'étage de filtrage présentant de préférence une capacité insuffisante pour stabiliser le fonctionnement du moteur, notamment absorber en totalité cette énergie. Grâce à l'invention, l'étage de filtrage peut ne comporter qu'un ou plusieurs condensateurs de capacité relativement faible, comparativement aux valeurs rencontrées dans les étages de filtrage des systèmes de contrôle connus. L'étage de filtrage peut notamment être réduit à un ou plusieurs condensateurs de filtrage des hautes fréquences, ce ou ces condensateurs pouvant éventuellement être intégré(s) au redresseur et/ou à l'étage de puissance. L'absence d'étage de filtrage comportant des condensateurs de forte capacité permet de diminuer le coût et l'encombrement du système de contrôle et accroît la fiabilité. L'invention peut permettre également, malgré une valeur faible en farads des condensateurs, de ne pas limiter la fréquence de sortie du courant alimentant le moteur, par exemple pour atteindre une valeur supérieure à 300 Hz, afin d'alimenter des moteurs ayant un nombre de pôles relativement grand, par exemple des moteurs à 10, 12 ou 32 pôles. L'invention peut encore permettre d'améliorer la dynamique de contrôle du moteur, afin par exemple de pouvoir ralentir plus rapidement. La capacité totale du ou des condensateurs de l'étage de filtrage est par exemple inférieure ou égale à 300 F pour une puissance de plus de 160 kW, la valeur de la capacité totale dépendant de la puissance. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le système de contrôle est dépourvu de hacheur et de résistance de freinage. Cela permet de réduire davantage encore l'encombrement et le coût du système de contrôle. Lors du freinage, de l'énergie peut être restituée vers le réseau plutôt que dissipée dans une résistance. Le système de contrôle peut être dépourvu de circuit d'aide à la charge du ou 25 des condensateurs de l'étage de filtrage. Dans le cas de moteurs de très fortes puissances, l'invention peut permettre de limiter les courants d'appel. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'unité de commande de l'étage de puissance et l'étage de puissance sont configurés pour alimenter un moteur asynchrone ou synchrone, notamment un moteur triphasé. L'invention s'applique avantageusement aux systèmes de contrôle dont l'étage de puissance est configuré pour entraîner un moteur dont la puissance est supérieure ou égale à un kilowatt, voire quelques kilowatts (par exemple 7,5 kW et plus) du fait de la plus grande instabilité des moteurs de fortes puissances. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le convertisseur comporte des cellules de commutation autocommutées. L'utilisation de telles cellules de commutation est particulièrement avantageuse puisqu'elle facilite la réalisation d'un convertisseur ayant un temps de réponse relativement court et de fonctionnement autonome. Cela peut en outre permettre de modifier des systèmes de contrôle existants à étage de filtrage et redresseur conventionnels, en remplaçant le redresseur conventionnel par un convertisseur et l'étage de filtrage conventionnel par un étage de filtrage à moindre capacité de filtrage. Dans un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention, le convertisseur comporte des cellules de commutation commandées par une unité de pilotage du convertisseur. Cette unité de pilotage est avantageusement intégrée à l'unité de commande de l'étage de puissance, en étant par exemple montée dans un même boîtier et/ou réalisée sur la même carte électronique, avec partage éventuel de composants. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 illustre l'état de la technique, - la figure 2 représente un système de contrôle réalisé conformément à l'invention, - la figure 3 représente un exemple de convertisseur autonome, - les figures 4 et 5 représentent des détails de réalisation du convertisseur, et - la figure 6 illustre la possibilité d'utiliser un convertisseur non autonome. On a représenté de manière schématique à la figure 1 un système de contrôle réalisé conformément à la technique antérieure. Ce système de contrôle 10 comporte un redresseur non réversible 11 à pont de diodes, relié d'une part au réseau électrique triphasé 12, par exemple le réseau triphasé 400 Volts 50 Hertz, et d'autre part à un bus continu 13. Ce bus continu 13 alimente à travers un étage de filtrage un étage de puissance 15, par exemple à IGBT, auquel est relié un moteur électrique triphasé 16, l'étage de puissance 15 étant contrôlé par une unité de commande 18. Un filtre 19 assurant la compatibilité électromagnétique est branché sur le réseau 12 en amont du redresseur 11, comme illustré. Un étage de filtrage 14 est relié au bus continu. Cet étage de filtrage 14 comporte une self 21 en série sur l'une des lignes du bus continu et une pluralité de 5 condensateurs 22 équivalents à un condensateur unique. La valeur de la capacité totale vue entre le + et le - du bus continu 13 dépend de la puissance électrique du moteur 16, étant par exemple typiquement de l'ordre de 390 F pour une puissance de 2,2 kW, de l'ordre de 1100 F pour une puissance de 11 kW, de l'ordre de 2200 g pour une puissance de 22 kW, de l'ordre de 4400 F pour une puissance de 60 kW et de l'ordre de 13200 F pour une puissance de 160 kW. L'unité de commande 18 est par exemple agencée pour contrôler la vitesse du moteur 16, par exemple selon différentes lois de contrôle connues: une loi U/f, un contrôle en boucle ouverte (sans retour) ou en boucle fermée (avec un retour) où U désigne la tension entre phases aux bornes du moteur 16 et f la fréquence du courant dans l'une des phases. On a représenté à la figure 2 un exemple de système de contrôle 30 réalisé conformément à l'invention. Ce système de contrôle 30 peut comporter un étage de puissance 15 à IGBT ou tout autre composant électronique de puissance convenant au contrôle d'un moteur, contrôlé par une unité de commande 18 adaptée, à l'instar des systèmes de contrôle connus tels que par exemple celui décrit en référence à la figure 1. Le système de contrôle 30 diffère du système de contrôle 10 précédemment décrit par le fait que le redresseur 11 à pont de diodes est remplacé par un convertisseur 31 relié au réseau sans l'intermédiaire d'une inductance polyphasée, par le fait que l'étage de filtrage 14 est remplacé par un étage de filtrage 32 ne comportant pas la self 21 et de capacité totale de filtrage pouvant être nettement inférieure. Le convertisseur 31 peut encore être appelé redresseur réversible . Si l'on se reporte à la figure 3, on voit que le convertisseur 31 comporte trois bras 40, 41 et 42 respectivement associés aux trois phases u, v et w du réseau 12. Sur chaque bras 40, 41 ou 42 est montée une unité 50 de commutation comportant deux bornes 51 et 52 respectivement reliées au + et au du bus continu 13 et une entrée 53 reliée à la phase associée u, v ou w. Chaque unité de commutation 50 comporte deux cellules de commutation 61 et 62 permettant d'établir ou de couper le passage du courant entre les bornes 51 et 53 pour la cellule 61 et entre les bornes 52 et 53 pour la cellule 62. Avantageusement, chaque unité de commutation 50 est de fonctionnement 5 autonome, les cellules de commutation 61 et 62 étant commandées de manière à obtenir le fonctionnement suivant, si l'on se réfère à la figure 4. La cellule de commutation 61 s'auto-amorce au passage par zéro de la tension dans le sens Vs supérieur à Vl (courant Il négatif). La cellule de commutation 61 se bloque dès que le courant est positif et devient supérieur à une intensité de seuil donnée, correspondant à un courant de disjonction. La cellule de commutation 62 s'auto-amorce au passage par zéro de la tension dans le sens V2 supérieur à Vs (courant I2 négatif). La cellule de commutation 62 se bloque dès que le courant est positif et devient supérieur à une intensité de seuil prédéfinie, correspondant à un courant de disjonction. Les cellules de commutation 61, 62 peuvent comporter par exemple chacune une diode 64 de manière à ce que le transfert d'énergie du réseau 12 vers l'étage de filtrage 32 soit assuré par un pont de diodes. Dans l'autre sens, c'est-à-dire de l'étage de filtrage vers le réseau, le transfert d'énergie peut être assuré par des transistors de puissance 65 montés chacun en parallèle avec une diode 64, par exemple un ou plusieurs IGBT, commandés en commutation par un circuit électronique adapté 66 de manière à avoir la loi de fonctionnement précitée. L'unité de commutation 50 peut être par exemple réalisée conformément aux enseignements de la demande internationale WO 03/067745. On pourra également se référer utilement à l'article Self-Switching 25 Converters: Application to the Design of a Naturally Reversible Rectifier publié dans EPE 2003 Toulouse, ISB 90-75815-07-7. Dans une variante de réalisation, le convertisseur 31 n'est pas de fonctionnement autonome et les cellules de commutation 61 et 62 sont commandées par une unité de pilotage 70, laquelle peut par exemple être intégrée à une unité de commande 18. L'unité de pilotage 70 agit sur les cellules de commutation 61 et 62 afin de provoquer les circulations de courant qui conviennent, notamment lorsque l'énergie doit être restituée vers le réseau 12. Grâce à l'invention, il est possible d'éviter des instabilités de contrôle du moteur malgré la faible capacité du ou des condensateurs de l'étage de filtrage 32. Le renvoi de l'énergie restituée par le moteur 16 vers le réseau 12 permet encore, le cas échéant, de supprimer le hacheur et la résistance habituellement utilisée pour dissiper cette énergie. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. On peut notamment exploiter les avantages de l'invention pour augmenter seulement la fréquence de sortie du courant vers le moteur 16, en conservant une capacité 10 de filtrage beaucoup plus faible à celle de l'art antérieur, comme mentionné plus haut. REVENDICATIONS 1. Système de contrôle (30) de la vitesse d'un moteur électrique (16), comportant: - un convertisseur (31) à relier à un réseau électrique polyphasé et relié à un bus continu (13), - un étage de filtrage (32) du bus continu comportant au moins un condensateur, - un étage de puissance (15), - une unité de commande (18) de l'étage de puissance, le convertisseur (31) étant réversible et agencé pour renvoyer vers le réseau (12) au moins une fraction de l'énergie susceptible d'être restituée par le moteur électrique en cours de fonctionnement. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étage de 15 filtrage (32) présente une capacité insuffisante pour stabiliser le fonctionnement du moteur. 3. Système de contrôle selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il est dépourvu de hacheur et de résistance de freinage. 4. Système de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'unité de commande (18) de l'étage de puissance (15) et l'étage de puissance (15) sont configurés pour alimenter un moteur (16) asynchrone ou synchrone. 5. Système de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'unité de commande (18) de l'étage de puissance et l'étage de puissance (15) sont agencés pour alimenter un moteur (16) triphasé. 6. Système de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'étage de puissance (15) est configuré pour entraîner un moteur dont la puissance est supérieure ou égale à 1 kW, voire 7,5 kW. 7. Système de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le convertisseur (31) comporte des cellules de commutation (61, 62) autocommutées. 8. Système de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le convertisseur comporte des cellules de commutation (61, 62) commutées par une unité (70) de pilotage du convertisseur (31). 9. Système de contrôle selon la revendication précédente, caractérisé par le 5 fait que l'unité (70) de pilotage du convertisseur est intégrée à l'unité de commande (18) de l'étage de puissance (15). 10. Système de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la capacité du ou des condensateurs (33) de l'étage de filtrage (32) est inférieure ou égale à 300 F. 11. Système de contrôle selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moteur est alimenté par un courant ayant une fréquence supérieure à 300 Hz.