Brevet FR2982096A1 — publié le 20130503

SYSTEME DE FREIN ELECTRIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte à un système de frein électrique pour une machine électromécanique et son convertisseur d'alimentation. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE On s'intéresse au circuit d'alimentation d'une machine électromécanique. En référence à la figure 1, on considère tout d'abord une architecture classique comportant un redresseur d'entrée 1 dont des bornes d'entrée sont reliées à une alimentation électrique alternative. Le redresseur convertit la tension alternative en tension continue. Un bus continu relie des bornes de sortie du redresseur à des bornes d'entrée d'un onduleur 2. Des éléments de filtrage sont associés au bus continu. Ils comportent deux inductances Ll et L2 respectivement branchée entre une borne de sortie du redresseur 1 et une borne d'entrée de l'onduleur 2, et un condensateur C branché entre les bornes d'entrée de l'onduleur. Des bornes de sortie de l'onduleur 2 sont branchées à des bornes d'entrée de la machine électromécanique 3. L'onduleur reconvertit la tension continue en tension alternative qu'il fournit à la machine. L'énergie électrique nécessaire à la charge entraînée circule donc dans un redresseur, un bus continu et un onduleur, et enfin dans la machine. Parmi les techniques de freinage électrique, on considère le freinage par dissipation d'énergie dans une résistance de freinage via un commutateur. Ainsi, une résistance R1 et un commutateur S1 sont branchés en série entre les bornes d'entrée de l'onduleur 2. Une diode D1 est branchée en parallèle de la résistance R1, l'anode de la diode étant branchée au point milieu entre la résistance R1 et le commutateur S1 et la cathode de la diode étant branchée à une borne d'entrée de l'onduleur 2. Lors du freinage électrique, le commutateur S1 jour le rôle d'un interrupteur et ferme le circuit ce qui provoque alors le passage d'un courant électrique dans la résistance R1 et la dissipation sous forme thermique de l'énergie électrique renvoyée par la machine électromécanique 3 à l'entrée de l'onduleur 2. Par ailleurs, lors de l'enclenchement d'un circuit électrique, un phénomène dit de courant d'appel se traduit par des impulsions de courant élevées. Les coupe-circuits automatiques et les commutateurs placés en amont doivent être dimensionnés pour ces courants de crête dans le but d'éviter les déclenchements intempestifs ou les fusions des contacts. D'autre part, les impulsions de courant élevées génèrent des baisses de tension réseau, qui, à leur tour, sont susceptibles de provoquer des fonctionnements intempestifs des autres composants électriques. De plus, les normes de réseaux électriques avioniques fixent des limites de courant d'appel qu'il faut respecter pour que l'équipement soit conforme. Enfin, on notera que pour éviter de détériorer le condensateur lors de sa charge à la mise sous tension (et donc aussi pour améliorer sa durée de vie), il est intéressant de limiter le courant d'appel. Il faut donc limiter les courants d'appel qui ont un effet néfaste sur les circuits électriques. Parmi les techniques de limitation des courants d'appel, une technique connue consiste à insérer dans le circuit une résistance dite de pré-charge. Ainsi, en référence à la figure 2, le circuit d'alimentation précédemment présenté est modifié selon un premier mode de réalisation pour en limiter les courants d'appel. Les mêmes éléments portent les mêmes références et ne sont pas décrits à nouveau. Une résistance de pré-charge R2 et un commutateur S2 en parallèle de celle-ci sont branchés en série du condensateur C. En référence à la figure 3, le circuit d'alimentation précédemment présenté est modifié selon un second mode de réalisation pour en limiter les courants d'appel. Là aussi, les mêmes éléments portent les mêmes références et ne sont pas décrits à nouveau. Une résistance de pré-charge R3 et un commutateur S3 en parallèle de celle-ci sont branchés 30 en série entre une des sorties du redresseur 1 et l'inductance L1. Lorsque le commutateur S2 ou S3 est ouvert, il y a limitation du courant d'appel et dissipation de puissance dans la résistance R2 ou R3. Lorsque le commutateur S2 ou S3 est fermé, la résistance R2 ou R3 est court-circuitée et n'a alors plus d'influence. Les circuits de frein électrique et de limitation de courant d'appel sont donc distincts l'un de l'autre. Cela implique de concevoir et de fabriquer deux circuits. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention vise à résoudre les inconvénients de la technique antérieure en fournissant un système de frein électrique pour une machine 15 électromécanique branchée à des bornes de sortie d'un onduleur, le système comportant : une résistance et un premier moyen de commutation, connectés en série entre des bornes d'entrée de l'onduleur, 20 une diode branchée en parallèle de la résistance et dont l'anode est branchée à une première borne de la résistance située au point milieu entre la résistance et le premier moyen de commutation, et la cathode est branchée à l'une des bornes d'entrée de 25 l'onduleur, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un second moyen de commutation branché entre une seconde borne de la résistance et la cathode de la diode, 30 de sorte que le système fonctionne - en limiteur de courant d'appel lorsque le premier et le second moyens de commutation sont ouverts, - en circuit de freinage lorsque le second moyen de commutation est fermé et le premier moyen de commutation est en mode de découpage. Grâce à l'invention, les circuits de frein électrique et de limitation de courant d'appel sont réunis en un unique circuit qui réalise les deux fonctions. Ce circuit ne nécessite qu'une unique résistance qui joue à la fois le rôle de résistance de pré-charge pour la fonction de limitation de courant d'appel et de résistance de dissipation d'énergie pour la fonction de frein électrique. Selon une caractéristique préférée, les bornes d'entrée de l'onduleur sont branchées à des bornes de sortie d'un redresseur via un circuit de filtrage, le redresseur étant alimenté par une alimentation électrique. Ainsi l'invention s'applique à une configuration classique d'alimentation électrique d'une machine électromécanique. Selon une caractéristique préférée, le système de frein électrique comporte en outre un moyen de commande des premier et second moyens de commutation. Le moyen de commande définit les différents états du système, soit limiteur de courant d'appel soit circuit de freinage électrique. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages apparaitront à la lecture d'un mode de réalisation préféré donné à titre d'exemple non limitatif, décrit en référence aux figures dans lesquelles : La figure 1 représente un circuit d'alimentation électrique d'une machine électromécanique incluant un système de frein électrique, selon la technique antérieure, - La figure 2 représente un circuit d'alimentation électrique d'une machine électromécanique incluant un système de frein électrique et un circuit de limitation de courant d'appel, selon la technique antérieure, - La figure 3 représente un circuit d'alimentation électrique d'une machine électromécanique incluant un système de frein électrique et un autre circuit de limitation de courant d'appel, selon la technique antérieure, - La figure 4 représente un circuit d'alimentation électrique d'une machine électromécanique incluant un système de frein électrique et de limitation de courant d'appel, selon la présente invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Les figures 1 à 3 ont déjà été présentées et décrites. Selon un mode de réalisation représenté à la figure 4, une machine électromécanique 3 est alimentée électriquement par un circuit d'alimentation. La machine 3 est par exemple une machine synchrone à aimant permanent qui fonctionne en triphasé. L'invention s'applique à différents types de machines, dont notamment : - machine synchrone à aimants à inducteur bobiné, - machine asynchrone, - machine à réluctance variable, - machine hybride combinant les trois types précédents. La machine peut comporter tout nombre de phases, toute variante de bobinage et tout type de pilotage et contrôle de la machine connus de l'homme du métier. La machine peut également être une machine à courant continu. Un redresseur d'entrée 1 a des bornes d'entrée reliées à une alimentation électrique alternative triphasée. Le redresseur 1 convertit la tension alternative en tension continue. Un bus continu relie des bornes de sortie du redresseur 1 à des bornes d'entrée d'un onduleur 2. Des éléments de filtrage sont associés au bus continu. Ils comportent deux inductances Ll et L2 respectivement branchée entre une borne de sortie du redresseur 1 et une borne d'entrée de l'onduleur 2, et un condensateur C branché entre les bornes d'entrée de l'onduleur 2. Selon des variantes de réalisation, l'alimentation électrique peut comporter tout nombre de phases ou être continue. Dans ce dernier cas, le redresseur 1 est un convertisseur continu-continu. Des bornes de sortie de l'onduleur 2 sont branchées à des bornes d'entrée de la machine électromécanique 3. L'onduleur reconvertit la tension continue en tension alternative qu'il fournit à la machine. L'énergie électrique nécessaire à la charge entraînée circule donc dans un redresseur, un bus continu et un onduleur, et enfin dans la machine. Un circuit de freinage électrique est prévu. A cette fin, une résistance R1 et un commutateur S1 sont branchés en série entre les bornes d'entrée de l'onduleur 2. Une diode D1 est branchée en parallèle de la résistance R1, l'anode de la diode étant branchée à une première borne de la résistance R1 située au point milieu entre la résistance R1 et le commutateur Si, et la cathode de la diode étant branchée à une borne d'entrée de l'onduleur 2. Le circuit de freinage comporte en outre un second commutateur S4 branché entre une seconde borne de la résistance R1 et la cathode de la diode Dl. Le 20 second commutateur S4 est réversible en courant à l'état fermé. On utilisera donc de manière préférentielle un composant semi-conducteur à canal (MOSFET) ou un équivalent. Un circuit de commande 4 est adapté pour 25 commander l'ouverture et la fermeture des premier et second commutateurs S1 et S4. A cette fin, il a une entrée reliée à la capacité C pour recevoir une information sur la valeur de la tension aux bornes de la capacité. Le circuit de commande 4 a des sorties 30 reliées respectivement aux premier et second commutateurs S1 et S4 pour leur transmettre des signaux de commande. Le fonctionnement du système de freinage selon l'invention est maintenant détaillé. A la mise sous tension, le système fonctionne en limiteur de courant d'appel. Le circuit de commande ouvre les premier et second commutateurs S1 et S4. Ainsi le courant passe à travers la résistance R1 et la diode Dl. La résistance R1 joue le rôle d'une résistance de pré-charge. Lorsqu'il n'est plus utile de limiter le courant d'appel, le circuit de commande ferme le second commutateur S4 tout en maintenant ouvert le premier commutateur Si. Le courant ne passe plus à travers la résistance Rl. Pour activer le freinage électrique, le circuit de commande ferme le second commutateur S4 et commande le premier commutateur S1 en mode de découpage. Il y a alors passage d'un courant électrique dans la résistance R1 et dissipation sous forme thermique de l'énergie électrique renvoyée par la machine électromécanique 3 à l'entrée de l'onduleur 2. Il est à noter que le redresseur 1 peut être distant du reste du système décrit. Les inventeurs ont déterminé expérimentalement que l'invention s'applique particulièrement bien à des systèmes de petite et moyenne puissance. En effet, une même valeur de 30 résistance peut être utilisée à la fois comme résistance de pré-charge et comme résistance de freinage, pour des puissances inférieures ou égales à 15 kW. Pour déterminer la valeur minimale de la résistance unique R1, il faut minorer les contraintes de : - Courant maximal de charge du condensateur, - Courant maximal fixé par les normes de réseaux électriques, - Courant maximal des organes de protection localisés en amont. Pour déterminer la valeur maximale de la résistance unique, il faut considérer l'enchaînement des étapes suivantes : - Etablissement des profils d'utilisation de la machine pour l'application considérée, - Identification des phases de freinage et de ses caractéristiques (puissance, durée), - Détermination du seuil de tension que l'on veut appliquer lors des phases de freinage pour ne pas détériorer les composants du montage, - Calcul de la résistance de freinage maximale utilisable pour garantir la limitation de tension. Il est à noter que toutes les technologies de résistances de puissance disponibles sont utilisables dans le cadre de l'invention. Les inventeurs ont ainsi utilisé divers types de résistance (plate, tubulaire, etc...). REVENDICATIONS1. Système de frein électrique pour une machine électromécanique (3) branchée à des bornes de sortie d'un onduleur (2), le système comportant : une résistance (R1) et un premier moyen de commutation (S1), connectés en série entre des bornes d'entrée de l'onduleur (2), une diode (D1) branchée en parallèle de la résistance et dont l'anode est branchée à une première borne de la résistance située au point milieu entre la résistance et le premier moyen de commutation, et la cathode est branchée à l'une des bornes d'entrée de l'onduleur (2), caractérisé en ce qu'il comporte en outre un second moyen de commutation (S4) branché entre une seconde borne de la résistance et la cathode de la diode, de sorte que le système fonctionne en limiteur de courant d'appel lorsque le premier et le second moyens de commutation sont ouverts, en circuit de freinage lorsque le second moyen de commutation est fermé et le premier moyen de commutation est en mode de découpage. 2. Système de frein électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bornes d'entrée de l'onduleur (2) sont branchées à des bornes de sortie d'un redresseur (1) via un circuit defiltrage, le redresseur étant alimenté par une alimentation électrique. 3. Système de frein électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen de commande (4) des premier et second moyens de commutation.10