Brevet FR2991119A1 — publié le 20131129

Procédé de commande d'une machine électrique pour la détermination de la température du rotor. L'invention a pour domaine technique la commande des machines électriques et plus particulièrement la commande fonction de la température de telles machines. En fonctionnement, le rotor d'une machine synchrone triphasée à aimant permanent chauffe. Il faut s'assurer qu'à tout moment la température du rotor ne dépasse pas une température critique qui entraîne la désaimantation. Le problème est qu'il est physiquement impossible d'avoir une mesure de cette température car la mise en place d'un capteur n'est pas réalisable aisément sur les aimants et plus généralement sur la partie tournante de la machine. Il existe donc un besoin d'un procédé d'estimation de la température du rotor sans capteur. Il existe également un besoin d'un procédé de commande des performances de la machine apte à la maintenir en dessous de la température de désaimantation en fonction de la température estimée. De l'état de la technique, on connaît les documents suivants. Le document US 2012-007532 divulgue un procédé de commande de nature préventive basée sur une estimation au pire cas de la durée d'utilisation avant l'activation de la limitation des performances. Le document CN102243111 divulgue une technique pour mettre un capteur directement sur le rotor d'une machine électrique. Le document JP 2010-200515 divulgue l'estimation de la température des aimants d'une machine à flux radial. L'estimation requiert toutefois un capteur placé directement sur le stator de la machine. Le document WO 2009-138312 divulgue une méthode d'estimation de la température du rotor en court-circuitant le stator de la machine pour en déduire la valeur du flux des aimants et reconstituer la température à l'aide d'une cartographie. L'invention a pour objet un procédé de commande d'une machine électrique comprenant un stator et un rotor, la machine électrique étant munie d'un capteur de température ambiante. Le procédé comprend une étape d'estimation de la température du rotor en fonction de la température mesurée de l'air ambiant et d'un modèle. Le modèle peut combiner un modèle thermique représentatif du comportement des échanges thermiques dans la machine électrique avec une corrélation entre la température ambiante et la température de l'entrefer. On peut déterminer si la température estimée du rotor est supérieure à une température de seuil, si tel est le cas, on peut limiter les performances de la machine afin d'assurer le refroidissement des aimants et l'intégrité des composants de la machine électrique. La machine électrique peut être une machine à flux axial. Le rotor peut être muni à chacune de ses extrémités d'une cage, la machine électrique étant munie d'un carter englobant le stator, le rotor et les cages, le procédé de commande peut comprendre une étape au cours de laquelle on mesure la température ambiante dans la zone située entre au moins une cage et le carter de la machine électrique. D'autres buts, caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement en tant qu'exemple non limitatif et faite en référence à la figure unique annexée illustrant la machine électrique commandée par le procédé selon l'invention. Le procédé de commande de la machine électrique permet de déterminer la température des aimants alors que la machine est en utilisation. Le procédé permet également de limiter les performances de la machine de la façon la plus modérée possible afin de concilier performance et fiabilité. La limitation est basée sur la comparaison de la température déterminée à une température de seuil. En d'autres termes, le procédé limite la performance uniquement s'il y existe un risque d'atteindre une température de désaimantation. Pour déterminer la température des aimants, le procédé repose sur un modèle thermique représentatif du comportement des échanges thermiques dans la machine. Pour cela, on utilise une mesure de la température ambiante précise et la corrélation entre la température ambiante et la température de l'entrefer. Cette corrélation présente cependant un retard entre les deux températures qu'il faut anticiper. Cette solution a de plus l'avantage d'être peu coûteuse, du fait notamment du choix de l'emplacement du capteur qui peut être prévu dès la conception du carter de la machine. A partir des équations de la chaleur et des températures évoquées ci-dessus, on peut écrire les équations suivantes : dTaimant ^ Tcage Taimant ^ Tentrefer Taimant dt =P 4 fer...' (w, eq (cage/aiman t ) R eq (entrefer/aimant ) dTcage p (0) t\ T.mant - Tcage ^ Tambiant Tcage dt fercae j R eq (cage/aiman t ) R eq(cage/ambia nt ) dTentrefer = Tai t Tentrefer Tstator Tentrefer Tambiant Tentrefer (Eq. 1 dt R eq ( entrefer/aimant ) R eq ( entrefer/stator ) R eq (entrefer/a mbiant ) dTstator dt pfer (0), 1) Tentrefer Tstator ^ Teau Tstator eq ( entrefer/s tator ) R eq (eau/stator ) + Tentrefer Tambiant dTambtant Tcage - Tambtant dt R eq (cage/ambia nt ) R eq (entrefer/ambiant ) avec : Ta mant la température des aimants du rotor. rotor. Tcage : la température de la cage qui maintient les aimants du Tentrefer la température de l'air situé entre les aimants et le paquet de tôle du stator. Tstator : la température du paquet de tôle du stator. Tambiant la température de l'air autour de la cage du rotor. Teau la température de l'eau du circuit de refroidissement. Pfer : la valeur des pertes fer normalisées qui ont lieu dans l'aimant (P fefaunant), la cage ,P.( f efcage) ou le stator (Pr .erstator) dues à la rotation du rotor et au champ créé par les courants circulant dans les bobines du stator. Req(x/y) : la résistance thermique équivalente d'échange entre deux éléments x et y de la machine en contact. w : Vitesse de rotation de la machine électrique. I : Courant circulant dans la machine électrique. La figure 1 illustre les principaux éléments de la machine électrique dont on cherche à déterminer la température du rotor. La machine électrique 1 est une machine à flux axial, comprenant un stator 2 fixe entourant un rotor 3. Le rotor 3 est maintenu en position par une cage (4a, 4b) maintenant chacune de ses extrémités. Le rotor 3 est soumis à un mouvement de rotation selon l'axe A-A'. Il est à noter que pour simplifier la figure 1 ne représente qu'un quart de la machine électrique 1 à flux axial, celle-ci étant symétrique de part et d'autre des deux axes de symétrie (A-A' et B-B'), et comprenant deux stators. Les différents composants sont disposés dans un carter 5, dans lequel est ménagé un circuit de refroidissement par eau 6 du stator. La température ambiante correspond à la température située dans la zone 7 située entre la cage (4a, 4b) et le carter 5 de la machine électrique. La température d'entrefer correspond à la température dans la zone 8 située entre le stator 2, le rotor 3 et les cages (4a, 4b). Dans la machine, seule la mesure de la température d'air ambiant Tambiant est disponible par le capteur 9. La température de l'eau du circuit de refroidissement 6 est également connue par l'intermédiaire d'un capteur non représenté sur la figure. Les équations précédentes peuvent s'écrire sous la forme d'un modèle d' état : X = ACX+BCU (Eq. 2) avec : (Taiinant Tcage X = Tentrefer Tstator \, ambiant ( 1 0 0 1 Be = 0 0 0 0 0 0 (pferam., U = Pfercae Pfer,tator Teau (Eq. 3) 0 0 0 0 0 0 1 7 - eq(eau/s) 0 0 et (Eq. 5) (Eq. 4) Yeq(c/)Yeq(e/) Yeq(c/) Yeq(e/ai) 0 0 Yeq(c/ai) Yeq(c/aiTYeq(c/am) 0 0 Yeq(c/am) (Eq. 6) k Yeq(e/ai) 0 Yeq(e/aiTYeq(e/s7Yeq(e/am) Yeq(e/s) Yeq(e/am) 0 00 Yeq(e/s) Yeq(e/sTYeq(eau/s) 00 Yeq(c/am) Yeq(e/am) Yce/amTYeq(e/am) Avec yeg (x/y): la conductance équivalente ou l'inverse de la résistance équivalente entre x et y, l'index « c » désignant la cage, l'index « ai » les aimants, l'index « e » l'entrefer, l'index « am » l'air ambiant. 10 Le procédé de commande ne dispose que de mesures de températures discrètes (discrétisation selon l'intervalle de temps entre deux échantillonnages). Le système d'équations différentiel continu précédent (Eq. 2 à 6) est ramené sous une forme discrète à l'aide de la discrétisation d'Euler : - 15 ()- Xk+1 - Xk (Eq. 7) ts où k représente un indice de temps discret et ts la période d'échantillonnage du calculateur. L'équation 2 se réécrit alors de la façon suivante :5 Xk+1= AXk +BUk (Eq. 8) Yk =CXk Avec : A=I+t,AC, (Eq. 9) B-tsBC, (Eq. 10) Yk : l'estimation des états que l'on souhaite observer, C : la matrice de mesure, et I : la matrice identité La machine électrique ne permet l'accès qu'à la mesure de température ambiante Tambiant. On en déduit donc que la matrice C prend la forme suivante : C40 0 0 0 1] (Eq. 11) Pour déterminer, lors du fonctionnement de la machine, la température des aimants du rotor, on utilise simultanément le modèle et la mesure de température. En effet, ne considérer que le modèle peut être dangereux car les coefficients d'échanges thermiques varient suivant les machines, même issues de la même chaîne de montage. La prise en compte de la mesure permet de compenser ces écarts entre le modèle et la réalité. Pour cela, la théorie des observateurs est employée. Cette théorie permet de réaliser un capteur logiciel. La détermination des températures se fera alors à l'aide de l'équation suivante : jk+1=AXk+BUk+K(Yk-Yk) (Eq. 12) Yk =C Xk Avec : Yk : la mesure réelle obtenue par le capteur. Xk et Yk : les estimations par l'observateur des valeurs Xk et Yk, et K : le gain de correction. Le gain de correction K entre le modèle et la mesure assure la stabilité de l'observateur. L'homme du métier peut s'appuyer sur diverses théories telles que la théorie de Kalman, la théorie de Lunberger ou la théorie des observateurs polytopiques pour déterminer un tel paramètre. Ainsi, en résolvant le système illustré par l'équation 12 en tenant compte des équations Eq. 3, Eq. 4, Eq. 9, Eq. 10 et Eq. 11, le procédé de commande estime la température du rotor en fonction de la température mesurée de l'air ambiant. Ce procédé est très peu coûteux en temps de calcul. Le procédé de commande se poursuit en déterminant si la température estimée du rotor est supérieure à une température de seuil. Si tel est le cas, le procédé se poursuit par une limitation des performances de la machine afin d'assurer le refroidissement des aimants et donc l'intégrité des composants de la machine. Ce procédé de commande peut s'insérer dans un procédé plus général de pilotage de la machine électrique. REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'une machine électrique (1) comprenant un stator (2) et un rotor (3), la machine électrique étant munie d'un capteur de température ambiante, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape d'estimation de la température du rotor en fonction de la température mesurée de l'air ambiant et d'un modèle. 2. Procédé de commande selon la revendication 1, dans lequel le modèle combine un modèle thermique représentatif du comportement des échanges thermiques dans la machine électrique avec une corrélation entre la température ambiante et la température de l'entrefer. 3. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on détermine si la température estimée du rotor est supérieure à une température de seuil, si tel est le cas, on limite les performances de la machine afin d'assurer le refroidissement des aimants et l'intégrité des composants de la machine électrique. 4. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique est une machine à flux axial. 5. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rotor est muni à chacune de ses extrémités d'une cage (4a,4b), la machine électrique étant munie d'un carter (5) englobant le stator (2), le rotor (3) et les cages (4a,4b), le procédé de commande comprenant une étape au cours de laquelle on mesure la température ambiante dans la zone (7) située entre au moins une cage (4a,4b) et le carter (5) de la machine électrique.