Brevet FR2981511A1 — publié le 20130419

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé pour commander une machine électrique en mode de démarrage du moteur à l'aide d'une électronique de puissance, notamment pour un véhicule automobile, et comportant un ensemble de commutateurs de puissance commandés pour alimenter la machine électrique avec du courant électrique. L'invention a également pour objet un dispositif de com- mande d'une machine électrique en mode de démarrage, notamment pour l'application dans un véhicule équipé d'une électronique de puis- sance avec un ensemble de commutateurs de puissance pour alimenter une machine électrique en courant électrique et une unité de commande pour commander l'électronique de puissance. Enfin, l'invention a pour objet une ligne de transmission de véhicule automobile équipé d'une machine électrique fournissant la puissance d'entraînement et un dispositif tel que défini ci-dessus. Etat de la technique Il est connu de manière générale de commander (alimen- ter) des machines électriques à courant tournant par l'intermédiaire d'un onduleur alimenté en énergie électrique à partir d'une source de tension continue ou qui, avec un ensemble de commutateurs de puissance, transforme la tension continue en une tension alternative pour alimenter en énergie électrique ou en courant électrique un ensemble de commutateurs de puissance. La tension continue étant transformée en tension alternative pour alimenter la machine électrique en énergie élec- trique. Les commutateurs de puissance sont commandés selon la fréquence électrique de la machine et ainsi ils sont commandés ou commutés en fonction de la vitesse de rotation. En mode de démarrage de la machine électrique, habituellement, les cordons de phase, com- mandés, reçoivent des courants importants et du fait de la fréquence électrique basse aux faibles vitesses de rotation, les commutateurs de puissance sont sollicités par le courant de phase correspondant pendant une durée relativement longue. Dans les procédés usuels, lorsqu'on atteint la limite de charge des commutateurs de puissance, on les régule dans le sens des- cendant pour limiter leur sollicitation et éviter de les endommager. Cette coupure brusque du couple fourni est inconfortable et peut conduire à des situations critiques pour la sécurité dans son application à un véhicule automobile, car la puissance demandée ou souhaitée n'est pas prévisionnelle. La coupure brusque du couple produit une surten- sion brusque de la transmission risquant d'y engendrer des vibrations qui réduirait encore plus le confort de conduite. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un procédé pour commander une machine électrique en mode de démarrage du moteur à l'aide d'une électronique de puissance, notamment pour un véhicule automobile, comportant un ensemble de commutateurs de puissance commandés pour alimenter la machine électrique avec du courant électrique, selon lequel : - on évalue l'énergie totale nécessaire pour atteindre une vitesse de rotation prédéfinie et une durée pour atteindre la vitesse de rotation prédéfinie, - on détermine un couple de consigne pour démarrer la machine électrique sur le fondement de l'énergie totale évaluée et la durée éva- luée, et - on commande l'électronique de puissance selon le couple de consigne. L'invention a également pour objet un dispositif de com- mande d'une machine électrique en mode de démarrage, notamment pour l'application à un véhicule équipé d'une électronique de puissance avec un ensemble de commutateurs de puissance pour alimenter une machine électrique en courant électrique et une unité de commande pour commander l'électronique de puissance, l'unité de commande étant réalisée comme défini ci-dessus. Enfin, l'invention a pour objet une ligne de transmission de véhicule automobile équipée d'une machine électrique fournissant la puissance d'entraînement et un dispositif de commande de la machine électrique tel que défini ci-dessus. L'expression "mode de démarrage de moteur" désigne la plage de vitesse de rotation de la machine électrique pour laquelle la fréquence électrique de la machine est suffisamment faible pour que les commutateurs de puissance de l'électronique de puissance soient sollicités pendant une durée qui n'entraîne pas leur sollicitation excessive. Comme la durée pour atteindre la vitesse de rotation pré- définie et l'énergie nécessaire pour atteindre cette vitesse de rotation prédéfinie, sont évaluées, on peut déterminer un couple pour parcourir le mode de démarrage ou la plage de vitesse de rotation critique au démarrage du moteur pour atteindre la vitesse de rotation prédéfinie sans dépasser la limite de charge des commutateurs de puissance et pouvoir ainsi parcourir complètement toute la plage critique de vitesse de rota- tion sans coupure. En outre, grâce à l'évaluation de l'énergie requise pour passer la plage de vitesse de rotation critique, on n'utilise pas une intégration complexe des capteurs de température dans les commutateurs de puissance car l'énergie électrique transformée dans les com- as mutateurs de puissance peut également se déterminer sur le fondement des valeurs évaluées. De manière générale, dans l'application à un véhicule au- tomobile, on évite une coupure brusque du couple fourni en mode de démarrage, ce qui augmente à la fois le confort et la sécurité. 20 D'une manière particulièrement préférentielle, on déter- mine l'évolution de l'énergie pour avoir une courbe constante du couple de consigne pendant la durée évaluée, ce qui permet un mode de démarrage particulièrement confortable sans variation brusque du couple. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la puis- 25 sance perdue dans l'électronique de puissance est évaluée pour la durée elle-même évaluée et la courbe d'énergie se détermine sur le fondement de la puissance perdue, ce qui permet d'éviter des capteurs de température, complexes, dans l'électronique de puissance qui serviraient à déterminer la puissance perdue. 30 Suivant une autre caractéristique préférentielle, on dé- termine la charge mécanique de la machine électrique et on évalue l'énergie totale requise et/ou la durée en fonction de la charge déterminée, ce qui permet d'adapter de manière particulièrement précise les valeurs évaluées à chaque situation. D'une manière particulièrement préférentielle, dans l'application à un véhicule automobile, on détermine la charge sur le fondement de la pente du trajet, d'un obstacle, d'un mouvement de démarrage du véhicule, du coefficient de friction de la chaussée et/ou de la vitesse du véhicule ce qui permet de déterminer les principales influences des paramètres de démarrage évalués et de déterminer d'une manière particulièrement précise les valeurs évaluées. D'une manière très préférentielle, on détermine le couple maximum autorisé sur le fondement de l'énergie totale évaluée, de la durée, de la puissance perdue dans l'électronique de puissance, ce qui permet de déterminer individuellement un couple maximum et de le fournir sans sollicitation excessive de l'électronique de puissance et/ou de la machine électrique. D'une manière particulièrement préférentielle, le couple maximum autorisé est comparé au couple requis pour entraîner la ma- chine électrique et on règle le couple de consigne en fonction de la plus petite des deux valeurs de couple, ce qui permet d'avoir un couple qui correspond à la demande du conducteur ou au couple maximum autorisé. Suivant une autre caractéristique avantageuse, le cou- rant de phase maximum autorisé de la machine électrique, se détermine sur le fondement du courant électrique maximum autorisé dans l'électronique de puissance selon la vitesse de rotation de la machine électrique évitant ainsi toute surcharge et tout dommage consécutif des commutateurs de puissance. Suivant une caractéristique avantageuse, on détermine une réserve de puissance d'une machine électrique sur le fondement de la différence entre le courant de phase évalué de la machine électrique pour la durée évaluée et le courant de phase maximum autorisé. Selon la demande, on dispose d'un couple supplémen- taire dans la mesure où l'électronique de puissance et/ou la machine électrique, ne fonctionnent pas à la limite de puissance pour le mode de démarrage évalué. Les caractéristiques et propriétés du procédé de l'inven- tion correspondent également à celles du dispositif de l'invention. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation d'un procédé de commande d'une machine électrique selon l'invention représenté dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un onduleur pour l'alimentation d'une machine électrique à courant tournant, - la figure 2 est un graphique de la courbe du couple et de la vitesse de rotation d'une machine électrique en mode de démarrage selon l'état de la technique, - la figure 3 est un schéma de l'ordinogramme d'un procédé selon l'invention pour déterminer le couple de consigne d'une machine électrique en mode de démarrage, - la figure 4 est un diagramme montrant la courbe du couple et de la vitesse de rotation d'une machine électrique selon le procédé de l'in- vention, et - la figure 5 montre la courbe du courant de phase en fonction de la fréquence électrique d'une machine à courant tournant. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 est le schéma d'un onduleur pour l'alimenta- tion d'une machine électrique, portant globalement la référence 10. L'onduleur 10 est relié à une source de tension continue 12 pour alimenter avec un courant triphasé, une machine électrique 14 à courant tournant (machine à courant triphasé). La machine électrique 10 tourne à la vitesse de rotation (n). L'onduleur 10 se compose de trois demi-ponts 16, 18, 20 branchés en parallèle sur la source de tension continue 12 et ayant chacun deux commutateurs. Une prise de demi-pont 22 est prévue entre les commutateurs ; chaque prise est reliée électriquement à un conducteur de phase de la machine électrique 14. Par l'alternance de l'ouverture et de la fermeture des commutateurs (ou interrupteurs) entre les conducteurs de phase pour chaque tension de commande, on règle de manière correspondante un courant de phase portant de manière globale la référence Is alimentant la machine électrique 14. L'onduleur 10 est composé de préférence de semiconducteurs de commutation et habituellement en parallèle aux semiconducteurs de commutation, on a chaque fois une diode de roue libre. Les semi-conducteurs de commutation sont de préférence des compo- sants IGBT. Les commutateurs de l'onduleur 10 sont commandés par une unité de commande 24 représentée seulement de manière schématique qui s'ouvrent et se ferment en alternance pour régler la tension de phase et le courant de phase Is selon un profil déterminé pour alimenter la machine électrique 14 avec le courant de phase Is. La figure 2 montre la courbe du couple et de la vitesse de rotation en mode de démarrage d'une machine électrique selon une représentation schématique, en fonction du temps. Le mode de démarrage correspond à la plage jusqu'à l'instant to auquel on atteint la vitesse de rotation critique n lt. La vitesse de rotation critique n1,it est la vitesse de rotation à laquelle la fréquence électrique de la machine électrique 14 est tellement élevée qu'une unique charge d'un unique commutateur de puissance de l'onduleur 10 est suffisamment courte pour que la charge thermique moyenne du commutateur respectif reste faible. Le mode de démarrage de la machine électrique 14 constitue ainsi la plage allant jusqu'à l'instant to. Dans le diagramme de la figure 2, on a représenté le coupe fourni M, la vitesse de rotation (n) et la puissance perdue maximale autorisée 25 en fonction du temps. L'énergie transformée corres- pond à la surface comprise entre le couple M et la puissance perdue autorisée 25. Tout d'abord, on fournit un couple constant M jusqu'à atteindre la perte d'énergie maximale autorisée. Cette perte d'énergie maximale autorisée est représentée hachurée à la figure 2 et porte globalement la référence 26. Lorsqu'on atteint la perte d'énergie maximale autorisée selon le procédé connu, on coupe brusquement le couple comme l'indique l'instant tA. La vitesse de rotation augmente suivant un tracé linéaire pour le couple contant M. A l'instant tA, la vitesse de rotation chute brusquement du fait de la coupure du couple et elle remonte seulement lorsque le couple M est de nouveau régulé dans le sens croissant. La perte de puissance maximale autorisée 25 dépend de la vitesse de rotation (n) et augmente suivant un tracé linéaire à partir d'une vitesse de rotation définie jusqu'à l'instant ts, jusqu'à l'instant to auquel on atteint la vitesse de rotation critique nkrit. La perte de puissance maximale au- torisée 25 est plus élevée pour les vitesses de rotation (n) élevées car à ces vitesses de rotation (n), les commutateurs de puissance ne fournissent que brièvement le courant de phase Is, ainsi la sollicitation thermique moyenne des commutateurs est faible. Comme la puissance perdue maximale autorisée 25 augmente à partir de l'instant ts, on aura un couple croissant M correspondant de sorte que la vitesse de rotation (n) continuera d'augmenter jusqu'à atteindre la vitesse de rotation critique nkrit. La coupure brusque du couple M à l'instant tA peut engendrer des oscillations inconfortables dans la ligne de transmission. Ces oscillations sont indiquées dans cette plage à la figure 2 par des oscilla- tions de la vitesse de rotation (n). La figure 3 montre schématiquement un ordinogramme servant à décrire le procédé selon l'invention portant globalement la référence 30. Le procédé 30 par exemple à un véhicule automobile équipé d'un moteur électrique commence par la demande du conducteur pour démarrer le véhicule comme cela est indiqué par le bloc 32. Cette de- mande du conducteur est saisie par l'actionnement de la pédale d'accélérateur. A partir de la demande du conducteur ainsi obtenue, en 34 on calcule une valeur de consigne de couple Ms de la machine électrique 14. En outre, le procédé 36, on détermine les grandeurs d'état du véhi- cule pour définir une caractéristique de démarrage correspondante. De telles grandeurs d'état sont par exemple l'inclinaison (pente) de la chaussée. Des obstacles tels que par exemple des bordures, la vitesse de roulage actuelle du véhicule dans la direction avant ou arrière, la masse du véhicule sous l'effet d'une charge variable, le coefficient de friction de l'infrastructure. Le procédé 38, partant des grandeurs d'état du véhicule et de la valeur de consigne de couple Ms, on évalue l'énergie nécessaire et l'instant to pour atteindre la vitesse de rotation critique nkrit pour le démarrage. A partir de ces valeurs évaluées, on évalue les pertes dans les commutateurs de puissance pour la phase de démar- rage jusqu'à atteindre l'instant to comme l'indique la référence 40. A partir des valeurs évaluées de l'énergie nécessaire et de l'instant to ou de la durée pour le mode de démarrage de la machine électrique 14, qui ont été évaluées dans le bloc 38 et des pertes évaluées dans les commutateurs de puissance comme cela a été évalué dans le bloc 40, on cal- cule la répartition de l'énergie pour l'énergie motrice servant à la phase de démarrage jusqu'à l'instant to et un couple correspondant pour la phase de démarrage jusqu'à atteindre l'instant to ou la vitesse de rotation critique nkrit comme l'indique la référence 42. On définit ainsi la courbe du couple maximum autorisé MMAX. En 44, on compare le couple maximum autorisé MMAX et le couple de consigne Ms et on sélectionne de façon correspondante des valeurs plus faibles comme l'indique la référence 44. A partir de la comparaison du couple maximum autorisé et de la valeur de consigne de couple Ms, on détermine un couple de consigne M pour l'entraînement de la machine électrique 14 comme l'in- clique la référence 46. La machine électrique 14 sera ainsi commandée ou alimentée par l'intermédiaire de l'onduleur 10 pour fournir le couple de consigne M. Comme l'énergie requise pour atteindre la vitesse de rota- tion nkrit et la durée to pour atteindre la vitesse de rotation nkrit est éva- luée sur le fondement des grandeurs d'état du véhicule, on calcule ou on définit de manière correspondante la courbe du couple pour atteindre la vitesse de rotation critique nkrit de sorte qu'il n'est pas nécessaire de faire une coupure brusque pour la surcharge. Le couple de consigne M au démarrage peut ainsi être plus faible que selon l'état de la technique mais il n'est pas nécessaire de faire une coupure brusque pour protéger les commutateurs de puissance contre toute surcharge. La différence entre la perte de puissance calculée et la perte de puissance maximale autorisée, préalablement déterminée, qui est intégrée en fonction du temps, peut se calculer de sorte que l'énergie disponible pour l'entraînement de la machine électrique 14, pourra se calculer et donner le couple M disponible. En conclusion, la machine électrique 14 fournit un couple continu en mode de démarrage sans solliciter de manière excessive les commutateurs de puissance de l'onduleur 10 et sans nécessiter de coupure et de diminution brusque correspondante du couple. La figure 4 montre schématiquement la courbe du couple M et celle de la vitesse de rotation (n) résultant du procédé de l'invention en mode de démarrage. La partie hachurée indique schématiquement l'évolution de la puissance perdue 48 maximale autorisée qui diminue avec l'augmentation de la vitesse de rotation. La puissance perdue calculée pour le mode de démarrage résulte de la courbe calculée du couple M. La différence entre la puissance perdue calculée et la puissance perdue maximale autorisée, est intégrée en fonction du temps de démarrage du moteur jusqu'à l'instant to et donne l'énergie disponible pour entraîner la machine électrique 14. A la figure 4, cette énergie disponible est représentée par la surface hachurée portant la référence 50. La courbe M du couple est continue à la figure 4 et augmente à partir d'une certaine vitesse de rotation à l'instant ts car à ce moment l'énergie maximale autorisée augmente en fonction d'une éléva- tion de la fréquence électrique de la machine électrique 14. A partir de l'instant to, le couple fourni M correspond à la puissance perdue maximale autorisée. Pour le mode de démarrage jusqu'à l'instant to, on peut ainsi définir l'énergie requise et déterminer une évolution correspondante du couple M pour atteindre la vitesse de rotation critique nkrit. Cette évaluation ne nécessite pas de coupure du couple M si bien que jusqu'à l'instant to, on a une vitesse de rotation (n) linéaire croissante. La vitesse de rotation critique nkrit dépend des caractéristiques (par exemple du nombre de pôles) de la machine électrique 14 et peut correspondre par exemple à 300 T/min. La figure 5 montre le courant de phase maximum autori- sé Is normé selon l'intensité maximale autorisée Imax de l'onduleur 10 et constituant le coefficient k. Le courant de phase maximum autorisé Is est représenté à la figure 5 en fonction de la fréquence électrique fEL de la machine électrique 14. Pour une fréquence électrique fEL inférieure à 10, le courant de phase maximum autorisé correspond sensiblement à 0,4 du courant alternatif maximum autorisé. A partir d'une fréquence électrique égale à 40, le courant de phase Is maximum autorisé est égal au courant de phase maximum autorisé Imax dans les commutateurs de puissance. Entre la fréquence électrique 10 et la fréquence électrique 40, le courant de phase maximum autorisé Is augmente de façon li- néaire car avec l'augmentation de la fréquence électrique fEL, la durée de la sollicitation des commutateurs de puissance diminue de sorte que les contraintes thermiques diminuent. L'énergie maximale transformée par les semi-conducteurs sans dépasser la limite ainsi formée du courant, est la suivante : EEM = w(t) * 3 * pP * phi * k * Is (to - tstart) Dans cette formule, w représente la vitesse angulaire de la machine électrique 14, pP représente le nombre de paires de pôles de la machine électrique 14 et phi représente le flux magnétique. Au-delà de cette énergie EEM selon l'état de la technique, il n'y a pas d'énergie disponible pour entraîner la machine électrique 14 ou il n'y a pas d'énergie autorisée. Lorsqu'on atteint ce niveau d'énergie selon l'état de la technique, le couple M est coupé comme l'indique la figure 2. Comme selon l'invention, on évalue le temps to et l'éner- gie nécessaire 50 et on la répartit régulièrement sur la durée jusqu'à l'instant to ; on peut définir un courant de phase supplémentaire IDiff utilisé pour augmenter la puissance servant à démarrer la machine électrique 14. Cela permet de déterminer ainsi une réserve de puissance. L'énergie supplémentaire découle de la formule suivante : Ezus = w(t) * 3 pP * phi * IDiff (t) (to tstart) IDiff = IS * Ismax) Cette énergie supplémentaire peut servir au démarrage de la machine électrique 14. L'énergie totale pour démarrer la machine électrique 14 est ainsi la suivante : EEM + Ezus = Etotal La répartition d'énergie pour la phase de démarrage jusqu'à l'instant to se détermine en fonction de l'énergie nécessaire à la phase de démarrage, de l'énergie possible EEM et de l'énergie Ezus qu'il faut répartir à la demande. L'unité de commande 24 répartit la puissance de manière correspondante pour qu'avec une forte demande de puissance, l'énergie EEM évolue pour que la phase de démarrage soit continue et confortable.10 NOMENCLATURE 10 onduleur 12 source de tension continue 14 machine électrique à courant tournant/machine triphasée 16 demi-pont 18 demi-pont 20 demi-pont 22 prise de demi-pont 24 unité de commande 25 puissance perdue maximale autorisée 30 procédé selon l'invention 32-46 étapes du procédé 48 puissance perdue maximale autorisée 50 énergie disponible REVENDICATIONS1°) Procédé (30) pour commander une machine électrique (14) en mode de démarrage du moteur à l'aide d'une électronique de puissance (10), notamment pour un véhicule automobile, l'électronique de puissance (10) comportant un ensemble de commutateurs de puissance comman- dés pour alimenter la machine électrique (14) avec du courant électrique (Is), selon lequel : - on évalue l'énergie totale (50) nécessaire pour atteindre une vitesse de rotation prédéfinie (ni t) et une durée (to) pour atteindre la vitesse de rotation prédéfinie (nuit) (38), - on détermine (42) un couple de consigne (M) pour démarrer la ma- chine électrique (14) sur le fondement de l'énergie totale évaluée (50) et la durée évaluée (to), et - on commande (46) l'électronique de puissance (10) selon le couple de consigne (M). 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine l'évolution de l'énergie pour une évolution continue du couple de consigne (M) pour la durée évaluée (38). 3°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine (40) la puissance perdue par l'électronique de puissance (10) pour la durée évaluée (to) et on détermine (42) l'évolution de l'énergie sur le fondement de la puissance perdue. 4°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on prédéfinit une charge mécanique de la machine électrique (14) et on évalue (38) l'énergie totale requise (50) et/ou la durée (to) de la base de cette charge prédéfinie.355°) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu' on utilise la machine électrique (14) pour entraîner un véhicule automobile et on détermine la charge sur le fondement d'une pente du trajet d'un obstacle, d'un mouvement de démarrage du véhicule d'un coeffi- cient de friction de la base et/ou du poids du véhicule. 6°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le couple maximum autorisé (MM.) se détermine (42) sur le fondement de l'énergie totale évaluée (50), la durée (to) et la perte de puissance de l'électronique de puissance (10). 7°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que on compare le couple maximum autorisé (MM.) au couple requis (Ms) nécessaire pour entraîner la machine électrique (14) et on règle le couple de consigne (M) en fonction de la plus basse des deux valeurs de couple (MmAx, Ms). 8°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine le courant de phase maximum autorisé dans la machine électrique (14) sur le fondement d'un courant électrique maximum au- torisé (Irri.) de l'électronique de puissance (10) en fonction de la vitesse de rotation (n) de la machine électrique (14). 9°) Procédé selon la revendication 8, caractérisé par une réserve de puissance (Ezus) de la machine électrique (14) sur le fon- dement de la différence entre un courant de phase évalué de la machine électrique (14) sur la durée évaluée (to) et le courant de phase maximum autorisé.10°) Dispositif (10) de commande d'une machine électrique (14) en mode de démarrage, notamment pour l'application dans un véhicule équipé d'une électronique de puissance (10) pour un ensemble de commutateurs de puissance pour alimenter une machine électrique (14) avec un courant électrique (Is) et une unité de commande (24) pour commander l'électronique de puissance (10), l'unité de commande (24) étant réalisée pour appliquer le procédé selon l'une des revendications 1 à 9. 11°) Ligne de transmission d'un véhicule comportant une machine élec- trique (14) fournissant la puissance d'entraînement et un dispositif (10) pour commander la machine électrique (14) selon la revendication 10.15