Brevet FR2947117A1 — publié le 20101224

GESTION DE DEFAUT DE CHARGE POUR DES MACHINES DU TYPE A RELUCTANCE COMMUTEE OU A INDUCTION L'objet présenté ici concerne des génératrices d'énergie électrique et, en particulier, la mise en oeuvre de machines à reluctance commutée ou de machines à induction dans le cas d'un défaut de charge. Des systèmes à base de machine à reluctance commutée et à induction qui comprennent une machine électrique et une électronique de conversion de puissance bidirectionnelle associée sont capables de fonctionner en tant que dispositifs de commande de moteur à quatre quadrants. Dans des applications types, le système sera connecté à une alimentation électrique et à une charge mécanique. Pendant un fonctionnement en moteur, la puissance est transférée de l'alimentation électrique à la charge mécanique. Pendant un freinage à récupération d'énergie, la puissance est transférée de la charge à l'alimentation électrique. L'alimentation électrique est alimentée en permanence et fournit l'énergie d'excitation pour la machine électrique. La machine à reluctance commutée et la machine à induction nécessitent toutes deux une excitation à tout moment. L'énergie d'excitation est transférée par les mêmes lignes d'alimentation électrique que celles qui assurent la circulation de puissance réelle entre le convertisseur de puissance et la machine électrique. Une application des systèmes à base de machine à reluctance commutée et à induction consiste en la génération d'énergie électrique. Dans une telle application, un moteur d'entraînement fait tourner initialement la machine électrique. Du fait de la rotation de la machine électrique, la puissance est transférée du moteur d'entraînement, à travers la machine électrique et l'électronique de conversion de puissance, à la charge électrique. La variable commandée est la tension pour la charge électrique au point de régulation (POR). Dans une application d'avion, et dans certaines applications industrielles, le système de génération d'énergie électrique délivre une puissance continue, par exemple, à 270 Vcc. Dans les systèmes antérieurs, les charges électriques sont connectées à la conversion de puissance continue de l'électronique de conversion de puissance par l'intermédiaire d'un filtre de qualité de puissance. Dans un fonctionnement en régime permanent, l'énergie d'excitation pour la machine électrique est stockée dans les condensateurs de conversion de puissance continue et est transférée entre la machine et ces condensateurs. L'excitation initiale doit être assurée par une alimentation externe. Une fois qu'un fonctionnement en régime permanent est atteint, l'alimentation externe peut être déconnectée. Dans une application d'avion, le moteur d'entraînement est habituellement un moteur principal. Ce moteur doit être pourvu d'un démarreur. La génératrice peut assurer la fonction de démarrage si elle a une capacité suffisante. Un grand moteur nécessitera, pour démarrer, une quantité importante de puissance, supérieure à celle qui peut être fournie par des batteries. L'alimentation électrique pour le démarrage du moteur est alors généralement une unité d'alimentation auxiliaire (APU), un groupe électrogène externe au sol, ou un autre moteur. Ces sources sont déconnectées une fois que le moteur a démarré. Le problème concerne la capacité du système, dans le mode de génération d'énergie électrique, à rester excité dans le cas d'un défaut de charge. Un défaut de charge peut prélever un courant excessif qui, dans un système dans lequel les charges sont connectées directement à la conversion de puissance continue par l'intermédiaire d'un filtre de qualité de puissance, serait délivré par les condensateurs de conversion de puissance continue. A son tour, la tension de conversion de puissance continue commencera à diminuer et la source d'excitation de machine sera réduite. Un cas extrême d'un défaut de charge est un court-circuit direct à la sortie de l'électronique de conversion de puissance. Les spécifications du système électrique peuvent nécessiter que le système de génération de puissance continue de délivrer de l'énergie dans le cas de ces défauts. Ainsi, des moyens pour poursuivre l'excitation de la machine, dans le cas de défauts de charge, doivent être prévus. Une approche antérieure pour maintenir l'excitation dans le cas d'un défaut consiste à inclure une génératrice à aimant permanent (PMG) dans le système de génération d'énergie. L'architecture de système serait configurée pour permettre à la PMG de délivrer une énergie d'excitation à la machine électrique, ou de délivrer un courant de défaut aux charges. La capacité de la PMG peut être un pourcentage important de celle de la génératrice principale, ce qui a un impact sur la taille et le poids du système global. De plus, il peut y avoir d'autres inconvénients à l'utilisation d'une PMG. Par exemple, si une autre machine électrique doit être entraînée par le moteur d'entraînement, une plaquette supplémentaire peut devoir être prévue sur la boîte de vitesse du moteur. Pour un système de démarreur/génératrice intégral (ISG) logé dans le moteur, en plus de l'espace pour le démarreur/ génératrice, un espace doit être attribué dans le moteur à la PMG. Par ailleurs, le problème de gestion des défauts électriques dans la PMG elle-même doit être abordé. Selon un aspect de l'invention, un système de génération d'énergie électrique est proposé. Le système de ce mode de réalisation comprend une source de puissance et une électronique de conversion de puissance couplée à la source de puissance pour redresser les courants de phase reçus de la source de puissance et maintenir une tension de conversion de puissance utilisée pour fournir une excitation à la source de puissance. Le système de ce mode de réalisation comprend également un conditionneur de puissance couplé entre l'électronique de conversion de puissance et une charge, le conditionneur de puissance fonctionnant en tant que filtre dans un mode de fonctionnement normal et en tant que hacheur série dans un mode de fonctionnement anormal. La source de puissance peut par exemple comprendre une machine à induction et/ou une machine à reluctance commutée. Selon un mode de réalisation, l'électronique de conversion de puissance peut comprendre un onduleur d'excitation couplé à la machine à induction et un condensateur de sortie couplé à une sortie de l'onduleur d'excitation. Selon un mode de réalisation, l'électronique de conversion de puissance peut par exemple comprendre un convertisseur simple alternance asymétrique couplé à la machine à reluctance commutée et un condensateur de sortie couplé à une sortie du convertisseur simple alternance. Avantageusement, le conditionneur de puissance peut comprendre un premier transistor dont le collecteur est couplé à une sortie de l'électronique de conversion de puissance, une inductance ayant une première borne couplée à un émetteur du premier transistor et un deuxième condensateur couplé entre une deuxième borne de l'inductance et la masse. Avantageusement, l'inductance comprend des enroulements à la fois sur une borne positive et sur une borne négative. Avantageusement, dans le mode de fonctionnement normal, le premier transistor peut permettre la circulation de courant de la sortie de l'électronique de conversion de puissance vers l'inductance et, dans le mode de fonctionnement anormal, le premier transistor peut empêcher la circulation de courant pendant au moins une partie d'un temps de fonctionnement du mode de fonctionnement anormal. Avantageusement, le premier transistor peut être commuté de manière répétée d'un état ouvert vers un état fermé pendant le temps de fonctionnement du mode de fonctionnement anormal. Avantageusement, le système peut en outre comprendre la charge. Avantageusement, le système peut en outre comprendre un contrôleur couplé à l'électronique de conversion de puissance et au conditionneur de puissance. Avantageusement, le contrôleur peut recevoir des entrées contenant des paramètres relatifs à un premier condensateur contenu dans l'électronique de conversion de puissance, à l'inductance et à un deuxième condensateur couplé en parallèle avec la charge. Avantageusement, le système peut être couplé à un moteur d'entraînement et/ou à un avion. Avantageusement, le conditionneur de puissance peut fonctionner dans le mode de fonctionnement anormal dans le cas d'un court-circuit dans la charge. Selon un aspect de l'invention, un procédé de mise en oeuvre d'un système comprenant une source de puissance, une électronique de conversion de puissance couplée à la source de puissance et un conditionneur de puissance couplé entre l'électronique de conversion de puissance et une charge est proposé. Le procédé de ce mode de réalisation consiste à fonctionner dans un premier mode de fonctionnement avec le conditionneur de puissance fonctionnant en tant que filtre en pi ; déterminer qu'un défaut de charge existe au niveau de la charge ; et commuter vers un deuxième mode de fonctionnement avec le conditionneur de puissance fonctionnant en tant que hacheur série dans le cas où un défaut de charge existe. Avantageusement, le deuxième mode de fonctionnement peut comprendre l'ouverture et la fermeture de manière sélective d'un commutateur contenu dans le conditionneur de puissance. Avantageusement, le commutateur peut être ouvert et fermé sur la base d'au moins une tension d'un condensateur de sortie contenu dans l'électronique de conversion de puissance. Le commutateur peut, par exemple, comprendre un transistor. Ces caractéristiques et d'autres deviendront plus évidentes à partir de la description qui suit lue conjointement avec les dessins. L'objet, qui est considéré comme l'invention, est particulièrement montré et revendiqué distinctement dans les revendications à la fin de la description. Les caractéristiques et avantages qui précèdent et d'autres de l'invention sont évidents à partir de la description détaillée qui suit lue conjointement avec les dessins joints, sur lesquels : la figure 1 est un schéma de principe montrant un mode de réalisation de la présente invention ; et la figure 2 est un schéma de circuit montrant un mode de réalisation de la présente invention. La description détaillée explique des modes de réalisation de l'invention, et les avantages et caractéristiques, à titre d'exemple en faisant référence aux dessins. La figure 1 montre un exemple d'un système 100 selon un mode de réalisation de la présente invention. Le système 100 comprend une source de puissance 102. Dans un mode de réalisation, la source de puissance 102 peut être une machine à induction. Dans un autre mode de réalisation, la source de puissance 102 peut être une machine à reluctance commutée. Dans l'un ou l'autre cas, la source de puissance 102 peut initialement nécessiter une APU (non montrée) pour démarrer la source de puissance 102. La source de puissance 102 peut avoir un nombre quelconque de phases. Le système 100 peut également comprendre une électronique de conversion de puissance 104. L'électronique de conversion de puissance 104 a un double objet. Premièrement, l'électronique de conversion de puissance 104 convertit la sortie de la source de puissance 102 en une sortie de puissance continue (DC). Deuxièmement, l'électronique de conversion de puissance 104 comprend un composant (généralement, un condensateur) pour stocker l'énergie d'excitation pour l'excitation continue de la source de puissance et pour éviter ainsi le besoin d'une APU après que la source de puissance 102 a démarré. Dans le cas où l'alimentation 102 est une machine à induction, l'électronique de conversion de puissance 104 peut comprendre un onduleur d'excitation comportant deux transistors par phase de la machine à induction. Dans le cas où l'alimentation 102 est une machine à reluctance commutée, l'électronique de conversion de puissance 104 peut comprendre un convertisseur simple alternance asymétrique. Dans l'un ou l'autre cas, la sortie de l'électronique de conversion de puissance 104 peut comprendre un condensateur (Cl) à sa sortie. Ce condensateur sert à stocker l'énergie pour maintenir l'excitation de l'alimentation 102. Le système 100 peut, comme dans l'art antérieur, également comprendre une charge 106. La puissance est délivrée de la source de puissance 102 à la charge. En fonctionnement normal, l'électronique de conversion de puissance 104 maintient l'excitation sur la source de puissance 102 alors que la puissance est délivrée à la charge 106. Cependant, dans certains cas, un défaut de charge, tel qu'un court circuit, peut exister. Dans un tel cas, la puissance stockée dans l'électronique de conversion de puissance 104 pour l'excitation de l'alimentation 102 diminuera finalement, et disparaîtra éventuellement, à un point tel qu'elle ne pourra pas réellement appliquer une excitation à l'alimentation 102. Pour éviter une telle situation, des modes de réalisation de la présente invention peuvent comprendre un conditionneur de puissance 108 couplé entre l'électronique de conversion de puissance 104 et la charge 106. Le conditionneur de puissance 108 peut comprendre des composants qui lui permettent de fonctionner en tant que filtre de puissance en fonctionnement normal et en tant que hacheur série régulé en courant dans le cas d'un défaut de charge. Dans le cas d'un défaut de charge, le conditionneur de puissance 108 fonctionne pour garantir que l'électronique de conversion de puissance 104 peut encore délivrer une énergie d'excitation à l'alimentation 102. Le système 100 peut également comprendre un contrôleur 110 couplé à la fois à l'électronique de conversion de puissance 104 et au conditionneur de puissance 108. Le contrôleur 110, dans un mode de réalisation, surveille les conditions de certains composants électriques dans l'électronique de conversion de puissance 104 et amène l'électronique de conversion de puissance 104 et le conditionneur de puissance 108 à fonctionner d'une manière particulière pour garantir que l'énergie d'excitation pour l'alimentation 102 ne diminue pas trop. Dans un fonctionnement normal (c'est-à-dire, un fonctionnement sans défaut de charge), le contrôleur 110 peut amener le conditionneur de puissance 108, en combinaison avec le condensateur C 1, à fonctionner en tant que filtre CLC en pi. Dans le cas d'un défaut de charge, le contrôleur 110 peut amener le conditionneur de puissance 108 à fonctionner en tant que hacheur série régulé en courant. La figure 2 montre un exemple de circuit comprenant une machine à induction triphasée 200 selon un mode de réalisation de la présente invention. Bien entendu, le nombre de phases ne doit pas être égal à trois et la machine 200 pourrait avoir un nombre quelconque de phases. La machine à induction 200 est couplée à un convertisseur d'excitation standard 202, comme cela est connu dans l'art antérieur. Comme le convertisseur d'excitation 202 est triphasé dans cet exemple, le convertisseur d'excitation 202 comprend six transistors Q1 à Q6, deux étant connectés en série chacun à une phase particulière de la machine à induction 200. Bien entendu, chaque transistor peut comprendre une diode couplée entre son collecteur et son émetteur. Le convertisseur d'excitation 202 peut comprendre un condensateur de sortie C 1 couplé à sa sortie. Le convertisseur d'excitation 202 et le condensateur de sortie Cl forment l'électronique de conversion de puissance 104. Comme examiné ci-dessus, le condensateur de sortie C 1 est utilisé pour fournir une énergie d'excitation à la machine à induction 200. Dans un mode de réalisation, le conditionneur de puissance 108 est couplé en parallèle avec le condensateur de sortie C 1. Dans un mode de réalisation, le conditionneur de puissance 108 comprend deux transistors Q7 et Q8, une inductance L1 et un deuxième condensateur C2. Le collecteur du transistor Q7 est couplé à la sortie de l'électronique de conversion de puissance 104. L'émetteur de Q7 est couplé au collecteur de Q8 qui a son émetteur couplé à la masse. L'émetteur de Q7 est également couplé à une extrémité de l'inductance L1. Comme montré, l'inductance L1 a des enroulements à la fois sur les côtés positif et négatif. Bien entendu, tous les enroulements pourraient être du côté positif du circuit. L'autre extrémité de l'inductance L1 est couplée à la charge 106 et est également couplée au deuxième condensateur C2 qui est couplé aux bornes de la charge 106. Les bases de tous les transistors Q1 à Q8 peuvent être couplées au contrôleur (non montré). Le contrôleur peut également être couplé de sorte qu'il puisse soit effectuer, soit recevoir des mesures des conditions concernant Cl, C2 et L1. En tant qu'exemple, le circuit montré sur la figure 2 pourrait être utilisé pour fournir une puissance sous 270 Vcc à des charges électriques d'avion. La machine à induction 200 serait placée soit sur une plaquette de boîte de vitesse, soit à l'intérieur du moteur sur l'arbre de bobine haut ou bas. Elle pourrait fonctionner avec une plage de vitesse variable. Le convertisseur d'excitation 202 fournit des tensions de phase pour exciter la machine à induction et également redresser les courants de phase pour fournir une tension de conversion de puissance continue sur le condensateur de sortie C 1. Dans un mode de réalisation, les courants de phase, la tension des deux condensateurs C 1 et C2 et le courant à travers l'inductance L1 sont mesurés. La tension sur Cl est régulée à 270 Volts avec la machine à induction 200 et une commande appropriée de l'onduleur 202. Les composants restants (Q7, Q8, L1 et C2) ont deux modes de fonctionnement différents : normal et anormal. Dans un fonctionnement normal, Q7 est maintenu passant, Q8 est maintenu bloqué et C1, Q7, L1 et C2 forment un filtre CLC en pi conçu pour satisfaire aux spécifications de puissance MIL-STD-704E. La tension sur C2 est le paramètre commandé dans l'algorithme de régulation de tension. Les tailles de C 1, L1 et C2 sont commandées par la bande passante que le contrôleur 110 peut obtenir. Un contrôleur lent ne réagira pas rapidement à un transitoire de charge électrique de 100 %, aussi les composants passifs doivent stocker suffisamment d'énergie pour traverser la charge transitoire. Inversement, un contrôleur à bande passante élevée ne nécessite pas de grands éléments de stockage d'énergie passifs. Un fonctionnement anormal apparaît dans le cas d'un défaut de charge électrique, comme dans le cas extrême d'un court-circuit. Dans un fonctionnement anormal, la tension sur Cl doit être régulée de sorte que la condition de défaut ne permette pas à la tension de diminuer de sorte que la machine à induction 200, ou en variante une machine à reluctance commutée, soit désexcitée. Aucune puissance ne pourrait alors être délivrée par la machine. Dans le scénario de fonctionnement anormal, Q7, Q8 et L1 sont utilisés en tant que hacheur série régulé en courant. Le niveau de courant de L1 est choisi pour maintenir une charge de sortie de puissance constante sur Cl, l'onduleur 104 et la machine à induction 200. En fonctionnement, le régulateur Buck permet à la tension sur C2 de chuter, mais maintient la tension sur C 1 pour exciter la machine à induction. Cela peut être accompli en bloquant et en rendant passant Q7 d'une manière (par l'intermédiaire du contrôleur) telle que C 1 ne diminue pas. Dans un mode de réalisation, Q8 peut être remplacé par une diode ou omis. Bien entendu, un dispositif actif avec des pertes plus faibles que la diode pourrait être utilisé. La commutation de Q7 et Q8 devrait garantir que les deux ne sont pas rendus passants simultanément. Dans un convertisseur basse puissance, il est possible qu'un transistor MOSFET puisse avoir des pertes plus faibles que la diode. Dans une application à forte puissance, il est plus probable que la diode aurait des pertes plus faibles que Q8. Si une circulation de puissance est nécessaire dans la direction inverse - d'une certaine autre source sur le bus de 270 Vcc vers la machine à induction ou à reluctance commutée- par exemple si la machine électrique devait être utilisée en tant que démarreur, alors L1, Q8 et la diode D7 aux bornes de Q7 peuvent être utilisés en tant que convertisseur élévateur. Q7 resterait bloqué lorsque le circuit est mis en oeuvre en tant que convertisseur élévateur. Le fait d'avoir une capacité de convertisseur élévateur présente un avantage en ce que la tension aux bornes de C 1 est supérieure à la tension aux bornes de C2. Ainsi, la tension au niveau de la machine électrique peut rester plus optimale même si la puissance est délivrée par une batterie dont la tension commence à diminuer. L'utilisation du régulateur Buck/ convertisseur élévateur évite le besoin de la PMG. Dans certaines circonstances, il peut être avantageux de limiter initialement le courant de sortie en permettant à la tension sur C 1 de diminuer à un minimum suffisant pour maintenir l'excitation. Dans ce mode, Q7 ne hache pas. Lorsque la tension minimum sera atteinte, Q7 commencera le hachage afin de réguler le courant de sortie. Bien que l'invention ait été décrite en détail en relation avec seulement un nombre limité de modes de réalisation, on devrait facilement comprendre que l'invention n'est pas limitée à ces modes de réalisation présentés. Au lieu de cela, l'invention peut être modifiée pour incorporer un nombre quelconque de variantes, de modifications, de substitutions ou d'agencements équivalents qui n'ont pas été décrits jusqu'ici, mais qui sont dans l'esprit et l'étendue de l'invention. De plus, bien que divers modes de réalisation de l'invention aient été décrits, on doit comprendre que des aspects de l'invention peuvent ne comprendre que certains des modes de réalisation décrits. Par conséquent, l'invention ne doit pas être vue comme étant limitée par la description qui précède, mais doit être vue comme n'étant limitée que par l'étendue des revendications jointes. REVENDICATIONS1. Système de génération d'énergie électrique comprenant : une source de puissance (102) ; une électronique de conversion de puissance (104) couplée à la source de puissance pour redresser les courants de phase reçus de la source de puissance et maintenir une tension de conversion de puissance utilisée pour fournir une excitation à la source de puissance ; et un conditionneur de puissance (108) couplé entre l'électronique de conversion de puissance et une charge (106), le conditionneur de puissance fonctionnant en tant que filtre dans un mode de fonctionnement normal et en tant que hacheur série dans un mode de fonctionnement anormal. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel la source de puissance est une machine à induction. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel l'électronique de conversion de puissance comprend : un onduleur d'excitation (202) couplé à la machine à induction ; et un condensateur de sortie (C 1) couplé à une sortie de l'onduleur d'excitation. 4. Système selon la revendication 1, dans lequel la source de puissance est une machine à reluctance commutée. 5. Système selon la revendication 4, dans lequel l'électronique de conversion de puissance comprend : un convertisseur simple alternance asymétrique couplé à la machine à reluctance commutée ; et un condensateur de sortie couplé à une sortie du convertisseur simple alternance. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le conditionneur de puissance comprend : un premier transistor (Q7) comprenant un collecteur couplé à une sortie de l'électronique de conversion de puissance; une inductance (L1) ayant une première borne couplée à un émetteur du premier transistor, et comprenant de préférence des enroulements à la fois sur une borne positive et une borne négative ; et un deuxième condensateur (C2) couplé entre une deuxième borne de l'inductance et la masse. 7. Système selon la revendication 6, dans lequel, dans le mode de fonctionnement normal, le premier transistor permet une circulation de courant de la sortie de l'électronique de conversion de puissance vers l'inductance et, dans le mode de fonctionnement anormal, le premier transistor empêche une circulation de courant pendant au moins une partie d'un temps de fonctionnement du mode de fonctionnement anormal, dans lequel, de préférence, le premier transistor est commuté de manière répétée d'un état ouvert vers un état fermé pendant le temps de fonctionnement du mode de fonctionnement anormal. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre : la charge (106). 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant en outre : un contrôleur (110) couplé à l'électronique de conversion de puissance et au conditionneur de puissance, dans lequel le contrôleur reçoit de préférence des entrées contenant des paramètres relatifs à un premier condensateur contenu dans l'électronique de conversion de puissance, l'inductance et un deuxième condensateur couplé en parallèle avec la charge. 10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le système est couplé à un moteur d'entraînement et/ou à un avion. 11. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le conditionneur de puissance fonctionne dans le mode de fonctionnement anormal dans le cas d'un court-circuit dans la charge. 12. Procédé de mise en oeuvre d'un système comprenant une source de puissance, notamment une machine à induction ou une machine à reluctance commutée, une électronique de conversion de puissance (104) couplée à la source de puissance (102), et un conditionneur de puissance (108) couplé entre l'électronique de conversion de puissance et une charge (106), le procédé consistant à : fonctionner dans un premier mode de fonctionnement avec le conditionneur de puissance fonctionnant en tant que filtre en pi ; déterminer qu'un défaut de charge existe au niveau de la charge ; et commuter dans un deuxième mode de fonctionnement avec le conditionneur de puissance fonctionnant en tant que hacheur série dans le cas où un défaut de charge existe. 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le deuxième mode de fonctionnement comprend l'ouverture et la fermeture de manière sélective d'un commutateur (Q7), notamment un transistor, contenu dans le conditionneur de puissance, et dans lequel, de préférence, le commutateur est ouvert et fermé sur la base d'au moins une tension d'un condensateur de sortie (C 1) contenu dans l'électronique de conversion de puissance.