Brevet FR2883431A1 — publié le 20060922

Procédé et système pour la commande d'un moteur électrique en cas de défluxage La présente invention se rapporte à un procédé et un système de correction de références mis en oeuvre dans un variateur de vitesse pour la commande d'un moteur électrique à alimentation triphasée, par exemple de type synchrone ou asynchrone. L'invention est mise en oeuvre dans un schéma de commande vectorielle classique indifféremment en boucle ouverte sans retour d'une mesure de vitesse ou en boucle fermée avec retour d'une mesure de vitesse. Dans un schéma de commande vectorielle classique en boucle ouverte, il est connu d'appliquer en entrée une référence de vitesse (ou fréquence) et une référence de flux à appliquer au moteur. En fonction de ces deux données et de mesures de courant sur les différentes phases du moteur, on détermine le courant de flux de référence et le courant de couple de référence. A partir de ces deux courants, on calcule à partir des équations du modèle du moteur, les tensions de commande à appliquer au moteur. De manière connue, ces tensions sont appliquées au moteur en utilisant un onduleur de tension usuel commandé en Modulation de Largeur d'Impulsions dit onduleur MLI. Un tel onduleur MLI délivre au moteur une suite d'impulsions d'amplitude fixe, positive ou négative et modulées en largeur, selon une loi de commande en tension. Dans ce schéma de commande vectorielle, il est connu que lorsque qu'on impose en entrée une référence de vitesse supérieure à la vitesse nominale du moteur et une référence de flux constante, la tension calculée en fonction de ces références peut être incompatible avec la tension disponible sur le réseau ou avec une limitation de tension choisie pour le moteur à alimenter. Dans une telle situation, il est difficile de maintenir le flux à une valeur constante ce qui provoque des instabilités telles que des oscillations de courant, de vitesse ou de couple sur le moteur. Cette région d'instabilité est appelée région défluxée. II a été proposé dans l'art antérieur de corriger la valeur du flux afin d'éviter ces instabilités lors de mouvement en vitesse, en provenance, à destination ou dans la région défluxée. Le brevet US 4,677, 360 propose d'effectuer une correction statique du flux en fonction de la vitesse mesurée sur le moteur et en suivant un profil de flux qui assure le respect de la loi tension-fréquence. Une telle correction du flux ne permet pas de garantir un fonctionnement stable du moteur. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé et un système de correction de références mis en oeuvre dans un variateur de vitesse pour la commande d'un moteur électrique, permettant de conserver les mêmes propriétés de stabilité de la commande du moteur aussi bien dans la région défluxée (en limitation de tension) qu'en dehors de celle-ci (hors limitation de tension). L'invention consiste pour cela à effectuer une correction dynamique des références de flux et de courants appliquées en entrée de la loi de commande du variateur de vitesse. L'invention concerne plus particulièrement un procédé pour la commande d'un moteur électrique à alimentation triphasée, mis en oeuvre dans un variateur de vitesse fonctionnant selon une loi de commande dans laquelle des références de flux et de courants sont utilisées pour calculer une tension de référence à appliquer au moteur, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer une valeur de correction des références de flux et de courants lorsque la tension de référence calculée a une valeur supérieure à une valeur limite à appliquer cette valeur de correction aux références de flux et de courants, et en ce que la valeur de correction des références de flux et de courants est calculée par un système dynamique représentant un modèle du moteur à commander, doté d'au moins un intégrateur et ayant pour entrée l'écart entre une valeur limitée d'une tension de commande à appliquer au moteur et la valeur de la tension de référence calculée. Selon une particularité de ce procédé, si la tension de référence calculée a une valeur supérieure à la valeur limite, la tension de commande à appliquer au moteur est égale à la valeur limite. L'invention concerne également un système de commande utilisé dans un variateur de vitesse pour moteur électrique à alimentation triphasée, ledit système comprenant des moyens pour calculer une tension de référence à appliquer au moteur en fonction notamment de références de flux et de courants, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour déterminer une valeur de correction aux références de flux et de courants et appliquer cette valeur de correction des références de flux et de courants à appliquer lorsque la tension de référence a une valeur supérieure à une valeur limite, la valeur de correction étant calculée à l'aide d'un système dynamique représentant un modèle du moteur à commander, doté d'au moins un intégrateur et ayant pour entrée l'écart entre une valeur limitée d'une tension de commande à appliquer au moteur et la valeur de la tension de référence calculée. Selon une particularité, ce système comporte également des moyens pour limiter la tension de commande à appliquer au moteur à une valeur égale à la valeur limite lorsque la tension de référence calculée a une valeur supérieure à la valeur limite. Selon l'invention, en cas de défluxage, afin de conserver les propriétés de stabilité dans la commande du moteur, on effectue donc une correction dynamique des références de flux et de courants tout en respectant le modèle du moteur. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels: - La figure 1 représente un schéma de commande vectorielle mis en oeuvre 15 dans un variateur de vitesse pour moteur électrique, présentant en partie grisée les étapes constituant l'invention. - La figure 2 représente schématiquement le fonctionnement du modèle du moteur utilisé dans l'invention pour effectuer une correction dynamique des références de flux et de courants. Un modèle mathématique conventionnel d'un moteur M peut être exprimé par la relation suivante: id id iq = A iq + B q Dans laquelle id représente le courant de flux du stator, iq représente le 25 courant de couple du moteur, qe- représente le flux rotor et Vd et Vq les tensions de commande appliquées au moteur. A et B représentent des matrices dont les valeurs sont calculées à partir des paramètres du moteur et de la vitesse du rotor. Des informations complémentaires sur cette relation sont disponibles dans le brevet US 6,281,659. d dt (1) Vd Vq o Cette relation (1) peut être écrite de la manière suivante: 1lx] =Ax+Bu (2) Dans laquelle x correspond au courant délivré au moteur et au flux rotor et u représente la tension de commande appliquée au moteur. D'après la figure 1, à partir du modèle mathématique du moteur M défini par la relation (2) ci-dessus, les références de flux et de courants, définies par Xref, appliquées en entrée, peuvent être définies par: dt [xref]=Axref + Bure f + C (3) dans laquelle uref est une tension de commande de référence calculée à partir de la référence de vitesse Wref et des références de flux et de courants Xref et destinée à être appliquée au moteur M et C représente un terme de régulation de x. On en déduit que la tension de référence Uref, calculée (10, figure 1) à partir des équations du modèle du moteur, est définie par la relation (4) suivante: Bu ref = a Lxref 1 Ax7ef C (4) Si notamment les références de flux et de vitesse imposées en entrée sont incohérentes, la tension de référence calculée tiret peut s'avérer incompatible avec la tension délivrée par le réseau d'alimentation ou avec une tension limite spécifiée pour un fonctionnement normal du moteur M. Dans une telle situation, si la valeur de la tension de référence tire est supérieure en module à une valeur limite de tension uli,n, on utilise un dispositif limiteur de tension (20) permettant de limiter la tension de référence uref calculée à une valeur u par exemple égale en module à la valeur limite déterminée u/;m. Cette valeur limite Ulim peut correspondre par exemple à la valeur de tension maximale délivrée par le réseau d'alimentation ou à la valeur de tension maximale qu'il est possible d'appliquer au moteur M. La tension réellement appliquée au moteur est donc la tension u de module égal à une valeur u,;m et non la tension uref. Cependant, en travaillant en limitation de tension, on se situe dans la région défluxée dans laquelle il n'est pas possible de maintenir le flux du rotor constant, ce qui peut entraîner des instabilités dans la commande du moteur M. 2883431 5 L'invention consiste alors à effectuer une correction dynamique des références de flux et de courants Xref afin de rendre la référence de flux atteignable et conserver ainsi les propriétés de stabilité de la commande du moteur M. Le principe de la correction dynamique des références de flux et de courants Xref est de calculer les valeurs de correction x, de la manière suivante: dt [xc] = Axe + B(u uTe f) (5) Cette relation (5) exprime un modèle du moteur dans lequel xx est la correction calculée à appliquer aux références de flux et de courants xref, u est la tension de commande limitée appliquée au moteur, Uref est la tension de référence calculée à partir de la référence de vitesse Wfef et des références de flux et de courants Xref et définie par exemple par la relation (4) ci-dessus. L'écart entre la tension de référence calculée lire et la tension limitée u est injectée directement dans un système d'équation représentant un modèle du moteur. On calcule ainsi, à l'aide d'un système dynamique MM doté d'intégrateurs (Int, figure 2) dont le nombre est égal au nombre d'états du moteur, la valeur de xc à partir de la relation (5) définie cidessus. La valeur de correction xe calculée est appliquée directement en entrée aux références de flux et de courants Xref afin de corriger celles-ci. Les références de flux et de courants corrigées xefc sont donc égales à la somme des références de flux et de courants Xref et des valeurs de correction xx calculées. Le calcul d'une valeur de correction x, est effectué tant qu'il existe un écart de tension entre u et Uref. On voit bien dans la relation (5) ci-dessus que, en dehors de la limitation de tension, c'est-à-dire lorsque u et Uref ont des valeurs égales, les valeurs de x, convergent naturellement vers zéro (suivant la dynamique naturelle du moteur). En revanche, en limitation de tension, l'écart u uref est négatif et les valeurs de x, ont tendance à baisser. Par conséquent, les références de flux et de courants corrigées xref baissent jusqu'à annuler l'écart de tension entre u et uref. La valeur des références de flux et de courants corrigées xrefc s'exprime par la relation suivante: dt É [xrefc] = d [xref]+ dt [xc] (6) En effectuant ce calcul, on aboutit alors à : d dt [xrefc] = Axre fc + Bu + C A partir du modèle moteur défini par la relation (2) ci-dessus selon laquelle 5 [x]= Ax+ Bu, on remarque que si la matrice A est stable, l'écart x-xrefc vérifie d dt [x xrefc]= A[x xrefc] C et a les mêmes propriétés de stabilités dans tout le domaine de fonctionnement que l'écart x-xef en dehors de la limitation de tension. En effet, en dehors de la limitation de tension (x,=0 et u=uref), les relations (2) et (3) donnent l'expression de la dynamique de l'écart x-x1ef égale à d dt [x xrefJ=A[x xref]-C Les propriétés de stabilités du système obtenues dans le domaine hors limitation de tension sont donc bien conservées dans la région défluxée. II est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. (7) REVENDICATIONS 1. Procédé pour la commande d'un moteur électrique (M) à alimentation triphasée, mis en oeuvre dans un variateur de vitesse fonctionnant selon une loi de commande dans laquelle des références de flux et de courants (Xref) sont utilisées pour calculer une tension de référence (uef) à appliquer au moteur (M), ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer une valeur de correction (xc) des références de flux et de courants (xfef) lorsque la tension de référence (U,ef) calculée a une valeur supérieure à une valeur limite (Ujim), à appliquer cette valeur de correction ()cc) aux références de flux et de courants (xfef), et en ce que la valeur de correction (xc) des références de flux et de courants (xef) est calculée par un système dynamique (MM) représentant un modèle du moteur (M) à commander, doté d'au moins un intégrateur (Int) et ayant pour entrée l'écart entre une valeur limitée d'une tension de commande (u) à appliquer au moteur (M) et la valeur de la tension de référence (Uref) calculée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, si la tension de référence (uef) calculée a une valeur supérieure à la valeur limite (Uu;m), la tension de commande (u) à appliquer au moteur est égale à la valeur limite (w;m). 3. Système de commande utilisé dans un variateur de vitesse pour moteur électrique à alimentation triphasée, ledit système comprenant des moyens pour calculer (10) une tension de référence (u,ef) à appliquer au moteur (M) en fonction notamment de références de flux et de courants (x, ef), ledit système étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour déterminer une valeur de correction ()cc) aux références de flux et de courants (x,ef) et appliquer cette valeur de correction ()cc) des références de flux et de courants (xef) à appliquer lorsque la tension de référence (uef) a une valeur supérieure à une valeur limite (u,;, ), la valeur de correction ()cc) étant calculée à l'aide d'un système dynamique (MM) représentant un modèle du moteur à commander, doté d'au moins un intégrateur ((nt) et ayant pour entrée l'écart entre une valeur limitée d'une tension de commande (u) à appliquer au moteur (M) et la valeur de la tension de référence (Uref) calculée. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé ce qu'il comporte également des moyens (20) pour limiter la tension de commande (u) à appliquer au moteur (M) à une valeur égale à la valeur limite (u,;m) lorsque la tension de référence (u,ef) calculée a une valeur supérieure à la valeur limite (ul;m).