Brevet FR2968859A1 — publié le 20120615

Procédé de commande pour minimiser la puissance électrique consommée par une charge électrique La présente invention se rapporte à un procédé de commande mis en oeuvre 5 dans un convertisseur de puissance. Ce procédé de commande permet de minimiser la puissance électrique consommée par la charge électrique. Le brevet US 3,723,840 décrit une méthode permettant de déterminer, pour chaque point de fonctionnement, la tension optimale à appliquer à un moteur afin d'obtenir un courant minimum consommé par le moteur. La méthode décrite dans ce 1 o brevet consiste à augmenter ou à diminuer la tension appliquée au moteur et à regarder la variation du courant obtenu. En procédant pas à pas, il est ainsi possible de parvenir à la tension optimale correspondant au minimum de courant délivré au moteur. Des méthodes similaires sont décrites dans les brevets US 4,590,413 ou US 5,300,872. 15 Ces méthodes consistant à appliquer différents seuils de tension ou de flux en entrée de la loi de commande et à regarder le courant obtenu nécessitent de choisir des seuils suffisamment proches pour éviter les à-coups de couple. Le but de l'invention est de proposer un procédé de commande permettant 20 également de minimiser la puissance consommée par une charge électrique à chaque point de fonctionnement tout en évitant les à-coups de couple. Ce but est atteint par un procédé de commande mis en oeuvre dans un convertisseur de puissance alimenté par une tension continue et commandé selon une loi de commande principale pour contrôler un moteur électrique connecté par deux ou 25 trois phases au convertisseur de puissance, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer un flux de référence comportant une composante sinusoïdale en entrée de la loi de commande principale en vue d'obtenir une tension de commande à appliquer au moteur électrique et en ce qu'il met en oeuvre une loi de commande secondaire permettant de déterminer un nouveau flux de référence, optimisant une 30 grandeur du moteur, la loi de commande secondaire mettant en oeuvre des étapes de : détermination d'une variation de la grandeur à optimiser correspondant à la tension de commande appliquée à la charge électrique en fonction du flux de référence appliqué en entrée de la loi de commande principale, - intégration de la variation de la grandeur à optimiser obtenue pour déterminer un flux de référence moyen, - application de la composante sinusoïdale au flux de référence moyen en vue d'obtenir le nouveau flux de référence à appliquer en entrée de la loi de commande principale. Selon une particularité, en un point de fonctionnement donné, la grandeur à optimiser suit une fonction convexe par rapport au flux statorique appliqué au moteur. Préférentiellement, la grandeur à optimiser est la puissance active du moteur. Selon une variante de réalisation, la grandeur à optimiser est par exemple le courant moteur. Selon l'invention, la loi de commande secondaire met en oeuvre une étape de filtrage de la grandeur à optimiser destinée à supprimer les composantes continues de la grandeur à optimiser et à ne conserver que les composantes alternatives de la grandeur à optimiser. Selon l'invention, la loi de commande secondaire met en oeuvre une étape de démodulation destinée à démoduler les composantes alternatives de la grandeur à optimiser et à déterminer une pente de la tangente de la variation de la grandeur à optimiser. L'invention concerne également un convertisseur de puissance commandé selon une loi de commande principale pour contrôler un moteur électrique connecté par deux ou trois phases au convertisseur de puissance, ledit convertisseur comportant des moyens de commande agencés pour mettre en oeuvre le procédé de commande défini ci-dessus. 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 de manière schématique l'algorithme mis en oeuvre dans l'invention, la figure 2 représente de manière mathématique l'algorithme de commande de la figure 1, la figure 3 représente, pour différents points de fonctionnement, les courbes de puissance active consommée par le moteur en fonction du flux statorique. Dans la suite de la description, un point de fonctionnement du moteur se définit par une vitesse rotor et un couple déterminés. Dans la suite de la description, l'invention est décrite avec la puissance active consommée par le moteur comme variable à optimiser. Bien entendu, l'algorithme de commande décrit dans cette demande peut être employé pour optimiser une autre grandeur que la puissance active comme par exemple le courant consommé par le moteur électrique ou même toute autre grandeur suivant une fonction convexe par rapport au flux statorique appliqué au moteur. De manière connue, une charge électrique telle qu'un moteur M, est commandée à l'aide d'un convertisseur de puissance tel que par exemple un variateur de vitesse. Le convertisseur de puissance est alimenté par le réseau électrique via deux ou trois phases d'entrée et est connecté aux phases du moteur électrique M via deux ou trois phases de sortie (par exemple trois phases sur la figure 1). Pour commander le moteur électrique M, le convertisseur de puissance comporte des moyens de commande agencés pour appliquer une loi de commande, désignée ci-après loi de commande principale LCP, lui permettant de déterminer les tensions de sortie V,, V2, V3 à appliquer sur chacune des phases de sortie. Pour cela, un flux de référence `Yref et une vitesse de référence Wref sont appliqués en entrée de la loi de commande principale LCP en vue d'obtenir ces tensions. L'application des tensions V,, V2, V3 sur les phases de sortie permet de générer les courants Il, 12, 13 dans les phases du moteur M. Les courants Il, 12, 13 peuvent s'exprimer par les deux variables courant de flux Id et courant de couple Ici définissant le courant moteur Imot par la relation connue Le, = '/Id2 + Iq2 . La puissance active appliquée au moteur est décrite en fonction des tensions V,, V2, V3 et des courants Il, 12, 13 par l'expression : l'active Vl - Il + V2 - IZ +V3.13 = mécanique mot +Ppertesmot avec : P e _mot = - - RS -Ida + 2 - (RS + RReq )- Iq2 , où Rs représente la résistance des ptes enroulements du stator et Rreq représente la résistance équivalente du rotor. 10 La figure 3 montre, pour différents points de fonctionnement, la courbe (Cl, C2, C3) de variation de la puissance active en fonction du flux statorique (ps magnétisant appliqué à un moteur M. Sur cette figure 3, on peut voir que les courbes Cl, C2, C3 sont convexes et présentent chacune une valeur minimum Pactive min de 5 puissance active. La détermination du flux optimal (ps_op, correspondant à cette valeur minimum Pactive min de puissance permettrait donc de minimiser la puissance active consommée par le moteur M et donc d'économiser de l'énergie. Minimiser la puissance active autour d'un point de fonctionnement mécanique donné revient à électriques et donc la fonction minimiser les pertes Ppertes _mot = 2 - RS Id2 + 2 - (RS + RReq )- Iq2 . Il vient l'expression suivante du "courant de pertes" équivalent : Ipertes _mot = P ertes_mot _ Ia2 + RS + RReq 12 3 R q _R s s 2 Selon l'invention, les moyens de commande du convertisseur de puissance sont agencés pour mettre en oeuvre une loi de commande secondaire LCS (figure 1) qui s'ajoute à la loi de commande principale LCP et qui permet de converger vers un 15 flux de référence optimal (prefopt à appliquer en entrée de la loi de commande principale LCP. Pour une vitesse de référence Orel fixe, cette loi de commande secondaire LCS vise à modifier le flux de référence `Yref jusqu'à converger vers le flux de référence optimal (prefopt correspondant à la valeur minimum Pactive min de la puissance active consommée par le moteur électrique M. La loi de commande 20 secondaire LCS est donc une boucle de régulation destinée à calculer à des intervalles de temps fixes ou variables le flux de référence `Yref appliqué en entrée de la loi de commande principale LCP à partir des courants Il, 12, 13 mesurés ou estimés sur les phases du moteur M et des tensions V,, V2, V3 calculées ou mesurées sur les phases du moteur M. 25 En référence à la figure 1, un flux de référence `Yref comportant une composante sinusoïdale (a - sin(cot) sur la figure 1) est injecté dans la loi de commande principale LCP. La fréquence des oscillations de la composante sinusoïdale est choisie suffisamment lente pour que la loi de commande principale LCP ne tienne pas compte de cette perturbation et la rejette par rapport à la vitesse de référence cBref . En revanche, la présence de la composante sinusoïdale permet de visualiser une variation de puissance active Pactive et donc de savoir sur quelle partie de la courbe flux-puissance on se trouve et ainsi de pouvoir converger vers le minimum. Sur la figure 1, une vitesse de référence cBref et le flux de référence cpref intégrant la composante sinusoïdale sont ainsi injectés dans la loi de commande principale LCP en vue de déterminer les tensions V,, V2, V3 à appliquer sur chaque phase du moteur M. Les variations des courant Il, 12, 13 circulant sur chaque phase du moteur M sont mesurées et/ou estimées. Pour ce point de fonctionnement, les variations des courants Il, 12, 13 obtenus sont alors injectées dans la loi de commande 1 o secondaire LCS. Selon l'invention, la loi de commande secondaire LCS utilise : un module de calcul CPA de la puissance active Pactive à partir des courants Il, 12, 13 mesurés ou estimés sur chaque phase du moteur M, et des tensions V,, V2, V3 calculées ou mesurées sur les phases du moteur M. un filtre passe-haut FPH destiné à supprimer les composantes continues présentes dans la puissance active Pactive et à ne conserver que les composantes alternatives k1, un démodulateur (sin(cot)) destiné à déterminer la pente k2 de la tangente de la variation de la puissance active Pactive, un intégrateur destiné à intégrer la pente k2 obtenue afin de déterminer en sortie un flux de référence moyen cpref moy , un modulateur destiné à ajouter une composante sinusoïdale ( a. sin(cwt) ) 25 au flux de référence moyen cpref moy afin de déterminer un nouveau flux de référence `Yref2 à injecter en entrée de la loi de commande principale LCP. Ce nouveau flux de référence calculé devient le flux de référence cpref à appliquer en entrée de la loi de commande principale LCP. 15 20 L'algorithme de la figure 2, qui correspond à l'algorithme de la figure 1, permet d'illustrer le principe de convergence du flux de référence `Yref vers le flux de référence optimal (prof op,. A partir de cette figure 2, nous avons le système suivant : ixi - Y Yfiltré xz = x1 - sin(cwt) x3 = xz -kTs - xz u=x3+a-sin(cwt) Avec yfiltré = Yfiltré + Ts - h - (y - Yfiltré ) Et dans lequel : y correspond au courant moteur, yfiltré correspond aux composantes continues du courant moteur filtrées par le 10 filtre passe-haut (FPH), Ts correspond à la période d'échantillonnage du convertisseur, h correspond à la constante de temps du filtre passe-haut (FPH), k correspond à la constante d'intégration de l'intégrateur (INT), u correspond à la somme entre le flux de référence moyen exprimé par la 15 variable x3 et un signal sinusoïdal ( a. sin(cot)) permettant d'exciter le système afin d'obtenir de l'information. Si on considère le moteur à un point de fonctionnement fixe, on se situe sur 20 l'une des courbes de la figure 3. Le signal sinusoïdal u appliqué en entrée de la loi de commande principale LCP provoque donc une variation du signal de sortie y. Supposons par exemple une fonction f de la forme : y=f(u)=f*+ f (u-uY. 25 On considère û = (u* -û) avec u* le flux de référence au point optimal et û l'estimation du flux. En ajoutant la composante sinusoïdale, on obtient alors : u-u* =asin(cot)-û Le courant moteur y est alors de la forme : 5 15 20 y=f*+ f (û-asin(cot))2 Soit : y=f*+a4 + f 24 cos(2cot) La composante continue est retirée grâce au filtre passe-haut FPH de la forme s selon la relation suivante : s+h z y 2 û- af ..û sin(or) + a 4 cos(2a)t) Le signal est ensuite démodulé en le multipliant par sin(ot) z 2 û sin(COt) - af "il sin 2 (cot) + a 4 cos(2cot) sin(cot) - af u + af û cos(2cot) + a a f (sin(cot) - sin(3cot) + f û 2 sin(cot) 2 2 8 2 Comme u* est constant, on a = af af ûcos(2cot)+ a~f (sin(cot) -sin(3cot))+ f û~ - u + sin(cot) 2 2 8 2 On peut négliger le terme quadratique en û car on ne s'intéresse ici qu'à l'analyse locale du système. Le terme intégral atténue les termes multiplicatifs des fonctions sinus et cosinus. On peut donc approximer la fonction par : kaf u - u 2 Le système est donc stable si kaf > 0 , et on aû - 0 7 s s+h û k s5 Selon l'invention, plutôt que d'optimiser la puissance active consommée par le moteur, il est possible d'optimiser le courant consommé par le moteur ou même imaginer d'optimiser toute variable mesurée suivant une fonction convexe. Il 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. 10 REVENDICATIONS1. Procédé de commande mis en oeuvre dans un convertisseur de puissance alimenté par une tension continue et commandé selon une loi de commande principale (LCP) pour contrôler un moteur électrique (M) connecté par deux ou trois phases au convertisseur de puissance, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer un flux de référence ((pref) comportant une composante sinusoïdale en entrée de la loi de commande principale (LCP) en vue d'obtenir une tension de commande à appliquer au moteur électrique (M) et en ce qu'il met en oeuvre une loi de commande secondaire (LCS) permettant de déterminer un nouveau flux de référence ((pref2) optimisant une grandeur du moteur, la loi de commande secondaire (LCS) mettant en oeuvre des étapes de : détermination d'une variation de la grandeur à optimiser correspondant à la tension de commande appliquée à la charge électrique en fonction du flux de référence ((pref) appliqué en entrée de la loi de commande principale (LCP), intégration (INT) de la variation de la grandeur à optimiser obtenue pour déterminer un flux de référence moyen ((pref moy ), application de la composante sinusoïdale au flux de référence moyen ((pref moy) en vue d'obtenir le nouveau flux de référence ((pref2) à appliquer en entrée de la loi de commande principale (LCP). 2. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur à optimiser suit une fonction convexe par rapport au flux statorique ((cps) appliqué au moteur. 3. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur à optimiser est la puissance active (Pactive) du moteur. 4. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur à optimiser est le courant moteur. 5. Procédé de commande selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la loi de commande secondaire (LCS) met en oeuvre une étape de filtrage (FPH) de la grandeur à optimiser destinée à supprimer les composantes continues de la grandeur à optimiser et à ne conserver que les composantes alternatives (k1) de la grandeur à optimiser. 6. Procédé de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce que la loi de commande secondaire (LCS) met en oeuvre une étape de démodulation destinée à démoduler les composantes alternatives de la grandeur à optimiser et à déterminer une pente (k2) de la tangente de la variation de la grandeur à optimiser. 7. Convertisseur de puissance commandé selon une loi de commande principale (LCP) pour contrôler un moteur électrique (M) connecté par deux ou 1 o trois phases au convertisseur de puissance, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande agencés pour mettre en oeuvre le procédé de commande défini dans l'une des revendications 1 à 6. 15