Brevet FR2877162A1 — publié le 20060428

L'invention concerne la commande des machines à reluctance commutée, en particulier celles implantées au sein de véhicules hybrides. On connaît des véhicules hybrides comprenant d'une part un moteur thermique et d'autre part un système d'entraînement électrique qui comporte un convertisseur de puissance et une machine à reluctance commutée pouvant aussi bien fonctionner en générateur qu'en moteur. Dans un contexte automobile concurrentiel, la diffusion des véhicules hybrides sera facilitée par la réduction du coût, du poids et/ou du volume du système d'entraînement. Le convertisseur a par exemple une topologie pour chacune des phases du stator de la machine, telle qu'illustrée sur le schéma de la figurel. Sur cette dernière, VDC est la tension continue d'alimentation de l'onduleur, et Il et 12 sont deux interrupteurs électroniques commandables à l'ouverture et à la fermeture. A partir d'une tension d'alimentation donnée, l'objectif est d'obtenir le couple le plus élevé possible, tant en mode moteur qu'en mode générateur, sur toute la plage de vitesse d'une machine donnée. En particulier, une amélioration du couple à haute vitesse permettrait d'améliorer le compromis coût / poids / volume pour un système onduleur machine donné. Les figures 2 et 3 représentent l'allure des courants et tensions correspondant au montage de la figure 1, à basse et haute vitesses respectivement, en fonction de l'angle électrique du rotor (cet angle est nul lorsque la dent du rotor est en conjonction avec la dent du stator). Les paramètres qui permettent de piloter la machine sont d'une part les angles de début de magnétisation ON, de fin de magnétisation OFF et, dans les basses vitesses, le niveau de limitation du courant crête Ilim. La magnétisation de la phase de la machine se fait dans l'intervalle de temps constitué par l'angle de conduction: Op= OFF ON. De façon à assurer une démagnétisation complète, l'angle de conduction est inférieur à 180 . Le moyen utilisé le plus couramment consiste, pour chaque point de fonctionnement couple vitesse, à optimiser les paramètres de commande (ON, Op, Ilim) à basse vitesse et (ON, Op) à haute vitesse. Cette optimisation se traduit par des tables de valeurs pour chacun des paramètres de commande (ON, Op, Ilim), qui sont adressées par la vitesse de la machine électrique, le couple demandé, et éventuellement la tension d'alimentation continue (VDC) de l'onduleur si celle-ci est susceptible de varier ainsi que d'autres paramètres tels que la température des bobinages. A chaque période électrique, un pointeur est défini en fonction de paramètres externes (vitesse, tension d'alimentation, température du bobinage, etc.) et de la consigne de couple. Ce pointeur adresse alors les tables qui fournissent les paramètres de la commande. L'énergie issue de la conversion électromécanique est caractérisée par la surface (le cycle énergétique) délimitée par la trajectoire parcourue par le flux et le courant au court d'une période électrique telle que représentée à la figure 4 pour une machine fonctionnant à haute vitesse. On constate que ce cycle énergétique est très réduit par rapport à la quantité d'énergie potentiellement utilisable délimitée par les inductances de phases minimum (dents en opposition), maximum (dents en conjonction), et le courant de phase maximum admissible Ilim. Le cycle énergétique est mieux utilisé à basse vitesse comme le montre la figure 5 où la quasi totalité de la surface maximale est utilisée. Le document EP-0 634 761 divulgue l'emploi du mode de fonctionnement à courant continu dans lequel le courant dans chaque enroulement de phase est non nul dans toute sa période de phase. Cet emploi a lieu pour les hautes vitesses de la machine. Un but de l'invention est de fournir un dispositif à machine à reluctance commutée perfectionné. A cet effet, on prévoit selon l'invention un dispositif comprenant: - une machine à reluctance commutée comportant des enroulements de phase; et des moyens de commande, les moyens de commande étant agencés pour commander la machine, sur toute la plage de vitesse de la machine, en mode à courant continu de sorte qu'un courant dans chaque enroulement de phase demeure non nul. Le dispositif selon l'invention pourra présenter en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes: - les moyens de commande sont agencés pour commander la machine en mode à courant continu en mode moteur; - les moyens de commande sont agencés pour commander la machine en mode à courant continu en mode générateur; - chaque enroulement de phase comprend un unique bobinage; - les moyens de commande sont agencés pour commander la machine avec une puissance constante sur une plage de vitesses comprise entre deux vitesses prédéterminées Vbase et Vmax telles que le rapport Vmax I Vbase soit supérieur à 5; - les moyens de commande sont agencés pour commander la machine de sorte qu'un courant de crête demeure inférieur à une valeur prédéterminée; et - il comprend des moyens pour détecter un instant prédéterminé pour chaque phase et chaque période électrique, les moyens de commande étant agencés pour réinitialiser, lors de chaque détection, un timer commandant des instants de début et de fin de magnétisation de phase. On prévoit également selon l'invention un procédé de commande d'une machine à reluctance commutée dans lequel sur toute la plage de vitesses de la machine, on commande la machine dans un mode à courant continu de sorte qu'un courant dans chaque enroulement de phase de la machine demeure non nul. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante d'un mode préféré de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 illustre une topologie d'un onduleur d'un dispositif selon l'invention pour la commande d'une phase de la machine à reluctance commutée; - la figure 2 illustre l'évolution du courant dans une phase de la machine et la tension appliquée sur celle-ci en fonction de l'angle électrique à basse vitesse; - la figure 3 présente des courbes analogues à haute vitesse; - les figures 4 et 5 illustrent l'énergie transmise lors d'une période électrique respectivement à haute vitesse et à basse vitesse dans une machine de l'art antérieur; - la figure 6 présente une courbe illustrant l'amélioration du couple maximum en fonction de la vitesse dans la machine selon un mode préféré de réalisation de l'invention; - la figure 7 est une courbe illustrant le gain en puissance dans cette machine; - la figure 8 illustre l'évolution de l'énergie transmise sur plusieurs périodes électriques dans la machine selon l'invention; - la figure 9 illustre l'augmentation relative du couple moyen sur chaque période électrique dans cette machine; - la figure 10 illustre l'évolution du couple et du courant avec une commande classique dans une machine de l'art antérieur; - la figure 11 illustre l'évolution du couple et du courant dans la machine selon l'invention; la figure 12 illustre l'évolution du couple et du courant pour une machine selon l'invention ayant 20% de spires supplémentaires; - la figure 13 présente un schéma montrant l'intervention d'un timer dans la machine selon l'invention et des diagrammes relatifs aux modalités de cette intervention; et - la figure 14 est une vue schématique du dispositif selon un mode préféré de réalisation de l'invention. On a illustré à la figure 14 un mode préféré de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Le dispositif 2 comprend une machine à reluctance commutée 4, un onduleur ou convertisseur 6, et un moteur thermique 8 tel qu'un moteur à essence ou un moteur diesel. Le dispositif comprend en outre des moyens de commande 10 pilotant chacun de ces éléments, à savoir le convertisseur 6, la machine 4 et le moteur 8. Suivant les circonstances de fonctionnement, le mouvement du rotor de la machine à reluctance commutée 4 est transmis au vilebrequin du moteur 8 ou inversement. Cette transmission sera ou bien directe ou bien opérée par l'intermédiaire d'un mécanisme adapté avec interposition éventuelle d'un organe tel qu'un embrayage, un crabotage, etc. La topologie de l'onduleur 6 pour la commande de chaque phase de la machine à reluctance commutée 4 est conforme à celle qui a déjà été décrite en référence à la figure 1. A chaque phase est associé un unique bobinage 12, deux interrupteurs 14 et 16 ainsi que deux diodes 18 et 20. Les moyens de commande 10 sont agencés pour commander la machine sur toute la plage de vitesse de la machine en mode à courant continu de sorte qu'un courant dans chaque enroulement de phase demeure non nul. L'effet de l'application d'un angle de conduction Op supérieur à 180 électrique (la durée du fluxage est supérieure à celle du défluxage) est illustré par la figure 8 qui montre l'évolution de l'énergie transmise sur plusieurs périodes électriques à vitesse de rotation constante. L'augmentation progressive du flux maximum de période en période produit un accroissement du cycle énergétique (i.e. de la surface parcourue) et donc du couple disponible sur l'arbre moteur. La figure 9 illustre, pour une machine donnée, le gain relatif de couple moyen, délivré par la machine dans les mêmes conditions que la figure 8 sur chaque période électrique, par rapport à la première période. La discontinuité de la croissance du couple sur la figure 9 provient de l'action d'une loi de régulation qui agit sur les lois de commande (angles d'amorçage de blocage, et limitation du courant crête) de façon à maintenir constant le cycle énergétique et donc le couple. Le gain en couple dépend: - de la vitesse de la machine; - de la conception même de la machine; et - de la commande appliquée (angles, limitation du courant, roue libre). Les figures 6 et 7 montrent l'intérêt du mode à courant continu. Pour un même système convertisseur machine et une même tension d'alimentation, un gain de couple important est obtenu dans les hautes vitesses. Aussi, deux perspectives s'offrent au concepteur: - Pour un même dimensionnement du système, les performances à haute vitesse sont accrues. La stratégie de commande de l'onduleur (interrupteurs commandables) joue donc un rôle fondamental en ce sens que les prestations supplémentaires apportées le sont sans modification du dimensionnement de l'onduleur ou de la machine et d'un prix de revient de fabrication très faible, voire nul; - A performances équivalentes (même couple sur toute la plage de vitesse), ce mode de commande à courant continu, permet, par exemple, d'augmenter le nombre de spires de la machine et ainsi de réduire le dimensionnement du convertisseur de puissance. Une réduction de coût est ainsi obtenue. Le mode à courant continu est utilisé en fonctionnement normal de la machine et non pas seulement en mode dégradé. II est mis en oeuvre pour chaque phase au moyen de l'unique bobinage 12 sans adjonction d'un second bobinage au stator. II est utilisé aussi bien en mode de fonctionnement générateur qu'en mode de fonctionnement moteur. L'invention permet, grâce à l'utilisation du mode à courant continu par augmentation de l'angle de magnétisation Op à plus de 180 électriques (donc sans bobinage additionnel dédié au stator) de réduire le courant de phase de la machine et donc de réduire au minimum le calibre en courant de l'onduleur, pour des performances du système constantes. Ainsi, le courant ne s'annule plus en fin de première période électrique. La seconde période commençant avec un courant initial non nul, va permettre de saturer davantage la machine et d'obtenir ainsi davantage de couple. Ce processus, itéré un certain nombre de fois à une vitesse donnée, permet à chaque itération d'avoir davantage de couple jusqu'à stabilisation naturelle ou contrôlée du système. Le gain en couple apporté par l'utilisation du mode à courant continu est substantiel. L'invention utilise ce mode à courant continu pour réduire au 1 o minimum le courant de phase et donc le dimensionnement et le coût de l'électronique de puissance qui constitue une part importante du coût total d'un système convertisseur machine à réluctance commutée. Dans tous les cas, l'utilisation de l'invention permet d'améliorer le compromis coût / poids / volume d'un système convertisseur machine pour un cahier des charges donné. Considérons par exemple que la machine triphasée à réluctance commutée selon le mode préféré de réalisation comprend Ns spires par bobines. La figure 10 représente l'évolution du couple maximum disponible et du courant de phase crête nécessaire sur toute la plage de vitesse en mode moteur, avec un mode de commande classique. A basse vitesse, le courant crête atteint sa valeur maximale de Iph_max. Avec la commande à courant continu, la même machine est capable de fournir une courbe de couple plus importante, en particulier à haute vitesse comme le confirme la figure 11, avec un courant crête maximum identique Iph_max. Aussi disposant d'une réserve de couple à haute vitesse, l'invention permet d'augmenter le nombre de spires du bobinage 12 de 20% à titre d'exemple, tout en utilisant la commande à courant continu. Sur la figure 12, nous constatons que cette augmentation entraîne: - une réduction de 20% du courant maximum (conservation des ampères-tours pour Cmax) ; - une réduction du couple maximum à haute vitesse. Notons toutefois que le couple fourni par cette machine est au moins égal à celui fourni par la machine de la figure 10. Nous venons donc de montrer que la commande à courant continu s permet de réduire le courant maximal commuté par l'onduleur et par conséquent de diminuer le coût de ce dernier, tout en couvrant le même domaine de fonctionnement (couple-vitesse) que la machine initiale avec une commande classique. Ce mode de commande à courant continu permet d'exploiter au lo mieux le potentiel d'une association convertisseur machine à réluctance commutée, en particulier pour des fonctionnement qui nécessitent un fonctionnement à puissance constante sur une plage de vitesses de Vbase à Vmax avec Vmax > 5 Vbase Enfin, pour permettre le contrôle optimal de ce système à haute vitesse, il est préférable de connaître ou d'estimer la position du rotor de façon suffisamment précise. La précision préférable à la commande invite à l'utilisation d'un capteur de position très précis, mais cela risque de générer un coût trop élevé. Pour réduire le coût de la fonction Estimation de position , on propose ici d'accroître, à haute vitesse, la précision d'un capteur classique par l'utilisation d'une base de temps synchronisée par un TOP venu du capteur de position, comme on le verra plus loin. On voit que le niveau du courant crête peut évoluer jusqu'à des valeurs très élevées en même temps que le couple augmente. Plusieurs limites sont à prendre en compte: - une limite thermique propre à la machine ou à l'onduleur; et - la limite en courant crête acceptable. Cette limitation peut être réalisée par la mise en jeu de lois agissant sur les angles de commande (telle que mis en évidence par la limitation du couple sur la figure 9). Elle peut aussi provenir d'un contrôle actif du courant crête qui joue le rôle de protection en cas de divergence. Pour maîtriser les risques de divergence susceptibles d'entraîner des dommages, le courant crête peut être limité à une valeur prédéterminée; cette limitation est susceptible d'agir à tout instant et dans n'importe quelle configuration de fonctionnement (moteur, générateur; haute ou basse vitesse; fort ou faible couple en sortie). Cette limitation est faite par les mêmes lois que celles utilisées à basse vitesse pour contrôler le courant de phase crête (cf. figure 2: contrôle du courant de phase à la valeur Ilim.). Cela consiste, par commutation des interrupteurs de l'onduleur alternant des phases de roue libre avec des phases de magnétisation ou démagnétisation, à appliquer une loi permettant de contrôler la valeur crête du courant de phase. Le procédé de contrôle ici mis en oeuvre permet des durées de conduction très précises correspondant à des angles de magnétisation O d'environ 1 degré électrique. Cette précision peut être obtenue par un capteur de position 20 du rotor 22 suffisamment précis ou utiliser une mesure de temps gérée par un contrôleur numérique 24 tel qu'illustré à la figure 13. A titre d'exemple, pour une machine triphasée 12/8 (12 dents au stator et 8 au rotor) 1 degré d'angle électrique pour une vitesse de 20000 tr/min., représente une durée d'une microseconde environ, durée gérable avec le timer 28 du contrôleur 24. A l'inverse, 1 degré d'angle électrique sur la même machine requerrait une précision angulaire de 15 minutes du capteur 20, ce qui est extrêmement exigeant. Pour chaque phase de la machine et chaque période électrique, à un instant (TOP) donné par le signal de position de faible résolution, le timer 28 est initialisé de façon à ce qu'il fournisse avec une précision suffisante les instants de début de magnétisation (ON) et de démagnétisation (OFF) de la machine. io L'estimation des durées "Délais" et "Magnétisation" de la figure 13 sont issus d'hypothèses sur l'évolution de la vitesse de la machine d'une période électrique à l'autre. On peut considérer la vitesse de la période électrique en cours identique à la précédente ou issue d'une extrapolation des vitesses enregistrées aux cours de plusieurs périodes électriques précédentes. Au cours d'une même période électrique, cette durée de magnétisation peut être identique pour toutes les phases de la machine ou propre à chacune d'elles. Les moyens de commande 10, nonobstant les caractéristiques qui lo précèdent, seront configurés comme ils le sont dans les dispositifs de l'art antérieur. Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. Il REVENDICATIONS 1. Dispositif (2) comprenant: - une machine à reluctance commutée (4) comportant des enroulements de phase; et - des moyens de commande (10), caractérisé en ce que les moyens de commande sont agencés pour commander la machine, sur toute la plage de vitesse de la machine, en mode à courant continu de sorte qu'un courant dans chaque enroulement de phase demeure non nul. 2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de commande sont agencés pour commander la machine en mode à courant continu en mode moteur. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commande sont agencés pour commander la machine en mode à courant continu en mode générateur. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque enroulement de phase comprend un unique bobinage (12). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commande sont agencés pour commander la machine avec une puissance constante sur une plage de vitesses comprise entre deux vitesses prédéterminées Vbase et Vmax telles que le rapport Vmax / Vbase soit supérieur à 5. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commande sont agencés pour commander la machine de sorte qu'un courant de crête demeure inférieur à une valeur prédéterminée. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (20) pour détecter un instant prédéterminé pour chaque phase et chaque période électrique, les moyens de commande étant agencés pour réinitialiser, lors de chaque détection, un timer (28) commandant des instants de début et de fin de magnétisation de phase, 8. Véhicule caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Procédé de commande d'une machine à reluctance commutée (2), caractérisé en ce que, sur toute la plage de vitesse de la machine, on commande la machine dans un mode à courant continu de sorte qu'un courant dans chaque enroulement de phase de la machine demeure non nul.