Brevet FR2976143A1 — publié le 20121207

-1- PROCEDE DE COMMANDE D'UN ONDULEUR DE TENSION ET DISPOSITIF ASSOCIE La présente invention concerne le domaine des dispositifs électriques de commande des moteurs électriques et plus particulièrement les onduleurs et leur alimentation. La figure 1 présente un exemple de dispositif électrique de commande pour un moteur 5 triphasé. Dans l'état de la technique, les moteurs électriques 5 sont alimentés par des batteries rechargeables 1 délivrant une tension continue à un onduleur de tension 3 qui transforme cette tension continue en tension alternative permettant d'alimenter le moteur électrique 5. Le moteur électrique 5 assure la mise en mouvement d'un équipement mécanique. Le schéma électrique équivalent d'une des phases du moteur peut être représenté comme 10 sur la figure 2 par un premier générateur de tension 7 correspondant à l'onduleur de tension 3, une résistance 9 correspondant à la résistance statorique, une inductance 11 correspondant à l'inductance statorique et un deuxième générateur de tension 13 correspondant à la force électromotrice générée au niveau du stator. Ainsi, afin de contrôler le courant statorique, la tension produite par l'onduleur de tension 3 15 doit toujours être supérieure à la somme des tensions aux bornes de la résistance 9, de l'inductance 11 et de la force contre-électromotrice. La force contre-électromotrice est donnée par la relation suivante: dT d(T sin(cwt)) e _ _ dt dt = co ' T - cos(cwt) avec e la force contre-électromotrice, 20 T le flux magnétique dans le moteur, g 1 l'intensité du flux magnétique, w la vitesse de rotation du rotor (ou la pulsation du courant statorique à une constante près) et t le temps. Le couple électro-magnétique produit est donné par la relation: 25 Cein = 3.p. Or - Is - cos(LP) avec p le nombre de paires de pôles du moteur, Or l'intensité du flux magnétique O au niveau du rotor, CFR0433 2976143 -2- le courant statorique ,et yr le déphasage (ou angle) entre le courant statorique et la force contre-électromotrice e. Généralement, l'angle yr est constant, le moteur étant contrôlé par son courant statorique , et le flux magnétique O. On obtient ainsi la caractéristique couple-vitesse représentée sur la figure 5 3. La figure 3 montre un graphique dont l'abscisse représente la vitesse de rotation w du moteur et l'ordonnée est une ordonnée multiple représentant le couple C, le courant statorique Is (ou au niveau de l'induit), le flux magnétique 0, la force contre électromotrice e et l'angle y entre le courant statorique Is et la force contre électromotrice e. Les courbes 15, 17, 19, 21, 23, 10 représentent respectivement l'évolution du couple C, du courant statorique Is, de l'intensité Or du flux magnétique au niveau du rotor, de la force contre électromotrice e et de l'angle y entre le courant statorique Is et la force contre électromotrice e. La partie gauche de la figure correspond à une zone à couple constant dans laquelle, le couple 15, le courant statorique 17 et le flux magnétique 19 sont constants tandis que la force contre- 15 électromotrice 21 croît jusqu'au niveau de l'alimentation Ua délivrée par la batterie 1. La partie droite de la figure correspond à une zone à flux réduit ou zone de défluxage. Dans cette zone de défluxage, la force contre-électromotrice e reste constante et ne dépasse pas la tension d'alimentation Ua. A partir de l'équation de la force contre électromotrice e donnée ci-dessus, on observe que pour garder une force contre-électomotrice e constante mais augmenter 20 la vitesse de rotation w, il faut réduire l'amplitude 1TI du flux magnétique. Or l'amplitude 1TI du flux magnétique est fonction de l'intensité Or du flux magnétique au niveau du rotor, du courant statorique Is, et de l'angle y entre le courant statorique Is et la force contre électromotrice e. Ainsi, on observe, dans la zone à flux réduit, une force contre électromotrice 21 constante qui correspond à la tension d'alimentation Ua alors que le courant statorique 17 et le flux magnétique 25 produit par le rotor 19 ont un profil décroissant, l'angle y 23 restant constant. Le couple 15 diminue également. Le contrôle de l'intensité Or du flux magnétique au niveau du rotor varie suivant le moteur. On connaît des moteurs à aimants dans lesquels le flux produit par les aimants n'est pas réglable. Pour augmenter la vitesse de rotation w, il faut produire un flux qui s'oppose à celui des 30 aimants ce qui correspond à de grosses pertes de rendement. CFR0433 2976143 -3- On connaît d'autre part des moteurs à rotor bobiné afin de pouvoir contrôler le flux magnétique du rotor. Dans ces moteurs, les aimants sont remplacés par un bobinage alimenté en continu. On connaît également des moteurs à double excitation comprenant un aimant et un rotor bobiné. Ces rotors bobinés permettent de contrôler l'intensité du flux magnétique créé au niveau du rotor et donc d'obtenir un degré de liberté supplémentaire dans le contrôle de la commande moteur. Cependant, il est recherché de minimiser les pertes de rendement du moteur. Le but de la présente invention est donc de proposer un procédé et un dispositif permettant d'obtenir un degré de liberté supplémentaire dans le contrôle du régime de fonctionnement du 10 moteur et ainsi d'améliorer le rendement global du moteur. L'invention vise à ajouter un autre degré de liberté supplémentaire, ce qui permettrait d'augmenter encore les possibilités de réglage du moteur et d'optimiser le rendement global du moteur. 15 Les modes de réalisation de la présente invention concernent un procédé de commande d'un dispositif électrique d'entraînement d'un moteur comprenant un rotor, ledit dispositif électrique d'entraînement comprenant un onduleur de tension alimenté par une source de tension continue et destiné à piloter ledit moteur, et un convertisseur de tension continue-continue connecté entre 20 la source de tension continue et l'onduleur de tension, ledit procédé comprenant des étapes de : détermination d'au moins un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur, commande de l'intensité du flux magnétique créé au niveau du rotor du moteur en fonction d'au moins un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur, 25 commande de l'amplitude de la tension délivrée par le convertisseur de tension continue-continue en fonction d'au moins un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur. Selon un autre aspect de la présente invention, la détermination d'au moins un paramètre 30 représentatif du régime de fonctionnement du moteur comprend une mesure de la vitesse de CFR0433 -4- rotation du moteur ou une estimation de la vitesse de rotation du moteur. Selon un aspect additionnel de la présente invention, la détermination d'au moins un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur comprend une mesure du flux 5 produit au niveau du moteur ou une estimation du flux produit au niveau du moteur. Selon un aspect supplémentaire de la présente invention, la détermination d'au moins un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur comprend une mesure de la charge moteur ou une estimation de la charge moteur. Selon un autre aspect supplémentaire, la commande de l'intensité du flux magnétique créé au niveau du rotor comprend l'utilisation d'un rotor bobiné. Selon un autre aspect de la présente invention, la commande de l'intensité du flux magnétique 15 créé au niveau du rotor comprend l'utilisation d'une double excitation au niveau du rotor. Les modes de réalisation de la présente invention concernent également un dispositif électrique d'entraînement d'un moteur comprenant un rotor, ledit dispositif électrique d'entraînement comprenant : 20 un onduleur de tension alimenté par une source de tension continue, un convertisseur de tension continue-continue connecté entre la source de tension continue et l'onduleur de tension, ledit dispositif comprenant en outre : - des moyens de détermination d'au moins un paramètre représentatif du régime de 25 fonctionnement du moteur, - des moyens de commande de l'intensité du flux magnétique créé au niveau du rotor du moteur (5) en fonction d'au moins un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur (5), - des moyens de commande de l'amplitude de la tension délivrée par le convertisseur de 30 tension continue-continue en fonction d'au moins un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur. Selon un autre aspect de la présente invention, les moyens de détermination d'un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur comprennent des moyens de mesure de la 10 CFR0433 -5- vitesse de rotation du moteur, ou des moyens d'estimation de la vitesse de rotation du moteur. Selon un aspect additionnel de la présente invention, les moyens de détermination d'un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur comprennent des moyens de mesure du flux produit au niveau du moteur (5) ou des moyens d'estimation du flux produit au niveau du moteur. Selon un aspect additionnel de la présente invention, le dispositif électrique comprend en outre des moyens de commande de l'intensité du flux magnétique créé au niveau du rotor du moteur en fonction d'un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur. 10 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés qui en représentent, à titre indicatif mais non limitatif, un mode de réalisation possible. 15 Sur ces dessins: - la figure 1 représente un schéma d'un onduleur alimenté par une source de tension continue et alimentant les phases d'un moteur électrique triphasé; - la figure 2 représente un schéma électrique équivalent d'une phase d'un moteur électrique 20 triphasé; - la figure 3 représente le couple, le courant statorique, le flux magnétique, la force contre-électromotrice et l'angle entre le courant statorique et la force contre électromotrice d'un moteur triphasé en fonction de sa vitesse de rotation ; - la figure 4 représente un schéma d'un onduleur de tension alimenté par une source de tension 25 continue par l'intermédiaire d'un convertisseur de tension continue-continue dans un dispositif selon la présente invention; - la figure 5 représente un schéma d'un dispositif selon l'invention comprenant un onduleur de tension à pont en H; - la figure 6 représente un schéma d'un élévateur de tension; 30 - la figure 7 représente un schéma d'un élévateur-abaisseur de tension; - la figure 8 représente une caractéristique couple-vitesse de rotation d'un moteur électrique CFR0433 2976143 -6- triphasé pour deux amplitudes de flux magnétique différentes; Dans la description qui va suivre, on désigne de façon générale: 5 Le terme « transistor bipolaire à grille isolée « insulated gate bipolar transistor (IGBT) » en anglais » correspond à un transistor hybride, regroupant un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde (« metal-oxyd semiconductor field effect transistor (MOSFET) » en anglais) en entrée et un transistor bipolaire en sortie. L'invention concerne un procédé de commande d'un dispositif électrique d'entraînement d'un moteur. Les figures 4 et 5 présentent des exemples de dispositif électrique d'entraînement. Le procédé selon l'invention comprend la commande d'un onduleur de tension 3 alimenté par une source de tension continue 1 et destiné à piloter un moteur électrique 5. L'amplitude de la tension UDC fournie par le convertisseur de tension continue-continue 25 est asservie en fonction d'un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur 5, comme par exemple la vitesse de rotation w ou le flux magnétique T produit au niveau du moteur 5. L'intérêt de contrôler la tension UDC délivrée par le convertisseur de tension continue-continue 25 sera mieux compris en faisant référence à la figure 8. La figure 8 présente les amplitudes du couple C et de la force contre-électromotrice e en fonction de la vitesse de rotation w pour différentes valeurs d'amplitude du flux magnétique T dans le moteur 5. Les évolutions de la force contre-électromotrice ei et du couple correspondant Ci, pour une première valeur Ti du flux magnétique T dans le moteur 5, vont d'abord être décrites. Dans une première zone, on observe que la force contre-électromotrice ei augmente linéairement jusqu'à atteindre une valeur Ua à la vitesse de rotation wi. Le couple correspondant Ci reste constant. A partir de la vitesse wi, le moteur 5 est dans une zone de défluxage. La force contre-électromotrice ei reste constante et égale à la valeur Ua, tandis que le couple Ci décroît. La tension UDC1 délivrée par le convertisseur continue-continue 25 est ajustée en fonction de la vitesse de rotation w du moteur 5 afin d'être au plus près de la force contre-électromotrice ei. La valeur Ua est inférieure à la tension maximale UDCmax délivrée par le convertisseur de tension CFR0433 2976143 -7- continue-continue 25. Par exemple, la tension UDC1 délivrée par le convertisseur de tension continue-continue 25 est supérieure de 10% à la force contre électromotrice el. La commande de la tension UDC délivrée par le convertisseur de tension continue-continue 25 en fonction de la vitesse de rotation w permet de réduire les pertes du moteur 5. En effet, une 5 partie des pertes du moteur 5 est liée au découpage de la tension UDC délivrée par le convertisseur continu-continu 25 par l'onduleur de tension 3, 35. En réduisant la tension UDC à découper, on réduit les pertes au niveau de l'onduleur de tension 3, 35. L'amplitude de la tension produite par l'onduleur de tension 3, 35 est sensiblement égale à celle délivrée par le convertisseur de tension continu-continu 25. En réduisant la tension fournie 10 par l'onduleur 3, 35, on réduit les ondulations de courant qui créent des pertes fer haute fréquence au niveau du moteur 5. Dans un mode de réalisation, la commande de la tension UDC délivrée par le convertisseur de tension continue-continue 25 est en outre fonction du flux magnétique T produit au niveau du moteur 5. 15 En diminuant le flux magnétique T produit au niveau du moteur 5, le couple C diminue et l'amplitude de la force contre-électromotrice e augmente plus lentement avec la vitesse de rotation w. Ainsi, la vitesse de rotation à partir de laquelle la force contre-électromotrice e est constante est plus élevée. Le fait de réduire le flux magnétique T produit au niveau du moteur 5 permet de repousser la zone de défluxage vers des valeurs de vitesse de rotation w plus élevées. 20 Ainsi, la zone d'utilisation du convertisseur de tension continu-continu 25 à sa valeur maximale UDCmax est repoussée vers des valeurs de vitesse de rotation plus élevées. Ainsi la réduction des pertes du moteur est améliorée. En particulier, le flux magnétique T produit au niveau du moteur 5 est diminué dans les zones de fonctionnement à faible charge moteur. Le fait de pouvoir contrôler la tension UDC délivrée 25 par le convertisseur de tension continue-continue 25, notamment dans les zones de fonctionnement à faible charge moteur, permet d'améliorer encore plus les réglages et les pertes du moteur 5. Ceci sera mieux compris en décrivant les courbes de la force contre-électromotrice e2 et du couple C2 correspondant, obtenues pour une deuxième valeur T2 du flux magnétique T dans le 30 moteur 5. Le flux magnétique T produit au niveau du moteur 5 est réduit à une seconde valeur T2 CFR0433 2976143 -8- inférieure à la première valeur T1. La force contre-électromotrice e2 atteint la valeur Ua à une valeur (02 de la vitesse de rotation supérieure à la valeur m. Ainsi, le convertisseur de tension continue-continue 25 est utilisé en dessous de sa valeur maximale UDCmax pour des valeurs de vitesse de rotation w plus élevées. La diminution des pertes du moteur en est donc améliorée. 5 Le couple C2 correspondant est inférieur au couple C1. Cependant ceci a peu de conséquences sur l'entraînement du moteur 5, en particulier lors de faibles charges moteur. Le flux magnétique T produit au niveau du moteur 5 est notamment modifié par la commande de l'intensité Or du flux magnétique créé au niveau du rotor du moteur 5 en fonction d'un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur 5. Un paramètre représentatif du 10 régime de fonctionnement du moteur 5 est par exemple la charge associée au moteur 5. Ainsi, notamment dans les zones de fonctionnement à faible charge moteur, le fait de pouvoir contrôler et donc réduire la tension d'alimentation permet d'optimiser les réglages du moteur et de réduire les pertes. Par exemple, pour un premier point de fonctionnement correspondant à un couple de 200 N.m 15 la tension UDC délivrée par le convertisseur de tension continu-continu 25 atteint la valeur maximale Ua à une première valeur W1 de vitesses de rotation égale à 3000 tours.min-1. Pour un deuxième point de fonctionnement correspondant à un couple de 100 N.m la tension UDc délivrée par le convertiseur de tension continu-continu 25 atteint la valeur maximale Ua à une seconde valeur w2 de vitesses de rotation égale à 6000 tours.min-1. 20 En fonction du couple et du régime de fonctionnement du moteur désiré (correspondant à un point de fonctionnement donné), la tension UDc optimale à appliquer à ce point de fonctionnement pourra être déterminée. L'asservissement de la tension UDC délivrée par le convertisseur de tension continu-continu 25 en fonction de la zone de fonctionnement du moteur 5 permet de réduire les pertes et donc 25 augmenter le rendement global du moteur 5. Par exemple, une mesure ou une estimation du paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur 5 est utilisé comme entrée pour l'asservissement. L'invention concerne en outre un dispositif électrique d'entraînement apte à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, tel que présenté en figures 4 et 5. 30 Le dispositif comprend un onduleur de tension 3 alimenté par une source de tension continue CFR0433 2976143 -9- 1 et destiné à piloter un moteur électrique 5. La source de tension 1 est par exemple constituée d'une batterie de 450V. Le dispositif comprend en outre des moyens de commande de l'intensité Or du flux magnétique créé au niveau du rotor (non représenté) du moteur 5. Ces moyens sont, par exemple, 5 un rotor bobiné ou une double excitation comprenant des aimants combinés à un bobinage. Le contrôle de l'intensité du courant fourni au bobinage permet de contrôler l'intensité Or du flux magnétique. Comme décrit précédemment, l'intensité Or du flux magnétique est par exemple réduite dans la zone de fonctionnement à flux réduit. En outre, l'intensité Or du flux magnétique est par 10 exemple ajustée en fonction d'un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur. Selon les modes de réalisation de la présente invention, un convertisseur de tension continue-continue 25 est connecté entre la source de tension continue 1 et l'onduleur de tension 3. 15 Dans l'exemple présenté en figure 4, l'onduleur de tension est un onduleur de tension 3 à pont triphasé simple comprenant six interrupteurs 29. Les interrupteurs comprennent un transistor de type IGBT 31 monté en parallèle avec une diode 33. Les six interrupteurs 29 sont répartis sur trois branches, le point milieu de chaque branche (situé entre les deux interrupteurs 29) est relié à une phase respective du moteur 5. 20 Dans l'exemple présenté en figure 5, l'onduleur de tension est un onduleur de tension 35 à structure de pont en H. La structure de pont en H ou pont en H 37 correspond à un circuit électrique comportant quatre interrupteurs 39 généralement disposés schématiquement sous forme d'un H. Les deux branches verticales 41 du H comprennent chacune deux interrupteurs 39 disposés de part et d'autre de la branche horizontale 43 du H qui correspond à la charge du pont. 25 La charge correspond au bobinage d'une phase du moteur électrique 5. Comme pour l'onduleur de tension 3 présenté en figure 4, les interrupteurs 39 comprennent un transistor monté en parallèle avec une diode. Le transistor est par exemple un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT). Le convertisseur de tension continue-continue 25 est par exemple un circuit réversible 30 47 présenté en figure 6. Le circuit réversible 47 de la figure 6 est constitué de deux interrupteurs CFR0433 2976143 -10- 49 et d'un élément inductif 51. Le convertisseur de tension continue-continue 47 peut être monté en configuration élévateur comme représenté sur la figure 6. Le convertisseur 47 délivre alors en sortie une tension supérieure ou égale à la tension fournie en entrée (c'est-à-dire la tension délivrée par la batterie 1). Alternativement, le convertisseur de tension continue-continue 47 peut 5 être monté en configuration abaisseur (non représentée). Le convertisseur 47 délivre alors en sortie une tension inférieure ou égale à la tension fournie en entrée (c' est-à-dire la tension délivrée par la batterie 1). Dans un autre exemple présenté en figure 7, le convertisseur de tension continue-continue 25 est un circuit élévateur-abaisseur 49. Le circuit élévateur-abaisseur 49 de la figure 7 comprend 10 quatre interrupteurs 53 et un élément inductif 55 et délivre une tension supérieure ou inférieure à la tension fournie en entrée. L'ajout d'un convertisseur de tension continue-continue 25 entre la source de tension continue 1 et l'onduleur de tension 3, 35 permet de contrôler la tension d'alimentation de l'onduleur de tension 3, 35 ce qui procure un degré de liberté supplémentaire pour les réglages du moteur 5. 15 Ainsi, quatre paramètres distincts permettent de régler la commande du moteur 5 : le courant statorique Is, le déphasage iv entre le courant statorique Is et la force contre électromotrice e, l'intensité Or du flux magnétique au niveau du rotor, et la tension UDC délivrée par le convertisseur de tension continue-continue 25. Par exemple, un module d'asservissement (non représenté) détermine les valeurs des 20 commandes à appliquer pour les quatre paramètres correspondant aux quatre degrés de liberté décrits précédemment en fonction du point de fonctionnement du moteur 5 de manière à optimiser le rendement du moteur 5. CFR0433 REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un dispositif électrique d'entraînement d'un moteur (5) comprenant un rotor, ledit dispositif électrique d'entraînement comprenant un onduleur de tension (3,35) alimenté par une source de tension continue (1) et destiné à piloter ledit moteur (5), et un convertisseur de tension continue-continue (25) connecté entre la source de tension continue (1) et l'onduleur de tension (3, 35), ledit procédé comprenant des étapes de : détermination d'au moins un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur (5), commande de l'intensité du flux magnétique créé au niveau du rotor du moteur (5) en fonction d'au moins un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur (5), commande de l'amplitude de la tension délivrée par le convertisseur de tension continue-continue (25) en fonction d'au moins un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur (5). 2. Procédé de commande selon la revendication 1, dans lequel la détermination d'au moins un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur (5) comprend une mesure de la vitesse de rotation du moteur (5) ou une estimation de la vitesse de rotation du moteur (5). 3. Procédé de commande selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la détermination d'au moins un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur (5) comprend une mesure du flux produit au niveau du moteur (5) ou une estimation du flux produit au niveau du moteur (5). 4. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la détermination d'au moins un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur (5) comprend une mesure de la charge moteur ou une estimation de la charge moteur. 30 5. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la commande de l'intensité du flux magnétique créé au niveau du rotor comprend l'utilisation d'un rotor bobiné. 6. Procédé de commande selon l'une des quelconque des revendications 1 à 4, dans 25 CFR0433 2976143 -12- lequel la commande de l'intensité du flux magnétique créé au niveau du rotor comprend l'utilisation d'une double excitation au niveau du rotor. 7. Dispositif électrique d'entraînement d'un moteur (5) comprenant un rotor, ledit 5 dispositif électrique d'entraînement comprenant : un onduleur de tension (3, 35) alimenté par une source de tension continue (1), un convertisseur de tension continue-continue (25) connecté entre la source de tension continue (1) et l'onduleur de tension (3, 35), ledit dispositif comprenant en outre : - des moyens de détermination d'au moins un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur (5), - des moyens de commande de l'intensité du flux magnétique créé au niveau du rotor du moteur (5) en fonction d'au moins un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur (5), - des moyens de commande de l'amplitude de la tension délivrée par le convertisseur de tension continue-continue (25) en fonction d'au moins un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur (5). 8. Dispositif électrique selon la revendication 7 dans lequel les moyens de 20 détermination d'un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur (5) comprennent des moyens de mesure de la vitesse de rotation du moteur (5), ou des moyens d'estimation de la vitesse de rotation du moteur (5). 9. Dispositif électrique selon la revendication 7 ou 8 dans lequel les moyens de détermination d'un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur (5) comprennent des moyens de mesure du flux produit au niveau du moteur (5) ou des moyens d'estimation du flux produit au niveau du moteur (5). 10. Dispositif électrique selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, comprenant 30 en outre des moyens de commande de l'intensité du flux magnétique créé au niveau du rotor du moteur (5) en fonction d'un paramètre représentatif du régime de fonctionnement du moteur (5). 10 15 CFR0433