Brevet FR3010593A1 — publié le 20150313

Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un système de commande d'une charge électrique. Etat de la technique En vue d'augmenter la puissance fournie à une même charge électrique, il est connu de mettre en parallèle plusieurs convertisseurs de puissance. Le problème principal lié à cette configuration réside dans le fait qu'un courant circule d'un convertisseur de puissance à l'autre. Il en résulte alors que la somme des courants sur les trois phases de sortie d'un convertisseur de puissance n'est pas nulle alors qu'elle devrait l'être. Pour limiter ce problème, une solution connue consiste à synchroniser entre elles les commandes en MLI (Modulation en largeur d'impulsion) des étages onduleurs. De telles solutions sont par exemple décrites dans les brevets US7.327,111, US8,188,694 ou US6,917,271. Elles utilisent une unité de commande centralisée qui génère les signaux MLI à destination des étages onduleurs de tous les convertisseurs de puissance connectés en parallèle. En revanche, avec une unité de commande distincte pour commander chaque étage onduleur, la synchronisation des signaux MLI n'est plus suffisante car elle ne garantit pas que chaque unité de commande génère la même tension de sortie. D'un convertisseur de puissance à l'autre, des fluctuations apparaissent, liées par exemple aux variations des paramètres, des gains ou des mesures de courants. Le but de l'invention est donc de proposer un système de commande employant plusieurs convertisseurs de puissance connectés en parallèle par le bus continu d'un coté, par les tensions moteur de l'autre à travers un circuit d'inductances, pour commander une charge électrique, ledit système de commande étant agencé pour s'assurer d'un équilibrage des courants de sortie entre les convertisseurs de puissance connectés en parallèle. Exposé de l'invention Ce but est atteint par un système de commande d'une charge électrique, ledit système comprenant : Un premier convertisseur de puissance et un deuxième convertisseur de puissance connectés en parallèle, chaque convertisseur de puissance comprenant un étage onduleur présentant une sortie connectée à la charge électrique, Une première unité de commande affectée à la commande de l'étage onduleur du premier convertisseur de puissance et une deuxième unité de commande affectée à la commande de l'étage onduleur du deuxième convertisseur de puissance, La première unité de commande comportant un module de commande principal agencé pour déterminer une première tension de sortie à appliquer à la charge électrique, ladite première tension de sortie étant déterminée en fonction du courant de sortie du premier convertisseur de puissance, La deuxième unité de commande comportant un module de commande principal agencé pour déterminer une deuxième tension de sortie à appliquer à la charge électrique, ladite deuxième tension de sortie étant déterminée à partir du courant de sortie du deuxième convertisseur de puissance, et un module de commande secondaire agencé pour déterminer une tension de correction à appliquer à ladite deuxième tension de sortie, ladite tension de correction étant déterminée à partir de la différence entre le courant de sortie du deuxième convertisseur de puissance et le courant de sortie du premier convertisseur de puissance. Selon une autre particularité, le premier convertisseur de puissance et le deuxième convertisseur de puissance comportent chacun un bus continu d'alimentation appliquant une tension continue à leur étage onduleur et le premier convertisseur de puissance et le deuxième convertisseur de puissance sont connectés entre eux par leur bus continu d'alimentation. Selon une autre particularité, le bus continu d'alimentation du premier convertisseur de puissance et le bus continu d'alimentation du deuxième convertisseur de puissance comportent chacun une ligne d'alimentation à potentiel électrique positif et une ligne d'alimentation à potentiel électrique négatif. Selon une autre particularité, la sortie du premier convertisseur de puissance est connectée à la sortie du deuxième convertisseur de puissance.35 Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente le système de commande de l'invention, la figure 2 illustre de manière schématique le principe de commande mis en oeuvre dans le système de commande de l'invention. Description détaillée d'au moins un mode de réalisation Le système de commande de l'invention est destiné à la commande d'une charge électrique, telle que par exemple un moteur électrique M. Le système de commande présente la particularité de comporter plusieurs convertisseurs de puissance connectés en parallèle au même moteur électrique. Chaque convertisseur de puissance est par exemple du type variateur de vitesse. De manière connue, comme représenté sur la figure 1, un variateur de vitesse VVk (k allant de 1 à n) comporte : une entrée INk comportant par exemple trois phases d'entrée, un étage redresseur RECk connecté par l'entrée à un réseau de distribution électrique R, un bus continu d'alimentation connecté à l'étage redresseur et comportant une ligne d'alimentation à potentiel positif et une ligne d'alimentation à potentiel négatif, l'étage redresseur étant agencé pour redresser la tension fournie par le réseau de distribution électrique en vue d'appliquer une tension continue sur le bus continu d'alimentation, - un ou plusieurs condensateurs de bus Cbusk destinés à maintenir la tension du bus à une valeur constante, un étage onduleur INVk comportant plusieurs bras de commutation chargés de découper la tension fournie par le bus continu d'alimentation en une tension variable à destination du moteur électrique M, une sortie OUTk comportant par exemple trois phases de sortie, la sortie étant connectée aux bras de commutation de l'étage onduleur INVk de manière à recevoir une tension de sortie vo*. Une inductance de sortie Lk est connectée sur la sortie. Comme représenté sur la figure 1, plusieurs variateurs de vitesse sont connectés en parallèle en reliant les entrées entre elles et les sorties entre elles. Par ailleurs, les variateurs de vitesse sont également connectés entre eux par leur bus continu d'alimentation. Les lignes d'alimentation positives des variateurs de vitesse sont ainsi connectées entre elles et les lignes d'alimentation négatives des variateurs de vitesse sont connectées entre elles. Dans la suite de la description, l'indice a est employé pour représenter chacune des trois phases de sortie. Le système de commande de l'invention comporte également plusieurs unités de commande UCk (k compris entre 1 et n), une unité de commande distincte étant affectée à la commande de l'étage onduleur INVk de chaque variateur de vitesse VVk. De manière connue, une unité de commande UCk comporte un module de commande principal Mi _k (k compris entre 1 et n) recevant en entrée une estimation ou une mesure du courant de sortie du variateur de vitesse commandé et détermine, selon une ou plusieurs consignes et en fonction des paramètres du moteur électrique, une tension de sortie à appliquer au moteur électrique. Plus précisément, le courant de sortie ici( obtenu est multiplié par le nombre n de variateurs de vitesse du système de manière à déterminer le courant moteur ie . qk Ce courant moteur ieqk est ensuite ofil ofil employé pour déterminer la tension moteur v% à appliquer en mettant en oeuvre une loi de commande LC connue (ne faisant pas l'objet de l'invention). Cette tension moteur veCeok/ correspond ensuite à la tension de sortie vo*. Dans le système de commande de l'invention, chaque unité de commande UCk détermine de manière autonome une tension de sortie vo* à appliquer au moteur électrique M et chaque variateur de vitesse VVk est commandé de manière autonome pour appliquer cette tension de sortie vok au moteur électrique M. Autrement dit, pour chaque variateur de vitesse du système, nous avons les relations suivantes, formant un système S1 : d . Ll -dt Val - VcrM d Ln-dtkin = Vcrn VcrM Dans lequel : - L1 Ln représente l'inductance de sortie de chaque variateur de vitesse, - lai - - - ian représente le courant de sortie de chaque variateur de vitesse, - va/ - - - van représente la tension de sortie de chaque variateur de vitesse, - vam représente la tension globale sur le moteur électrique. Les inductances sont préférentiellement choisies identiques. Les relations ci-dessus ne permettent pas de garantir un équilibrage des courants lorsque les composants physiques employés diffèrent d'un variateur de vitesse à l'autre. Par conséquent, l'objectif de l'invention est de permettre un contrôle des courants des variateurs tout en tenant compte du courant à appliquer au moteur électrique. Cet objectif s'exprime de la manière suivante : i al ± icr2 icrn = icrM i al = a2 = = ian Pour garantir un équilibrage des courants entre les variateurs de vitesse, l'invention consiste à faire en sorte qu'au moins l'un des courants de sortie d'un variateur de vitesse soit connu des unités de commande des autres variateurs de vitesse du système. Pour cela, la manière la plus simple consiste à choisir un variateur de vitesse dit "maître" dont le courant de sortie est envoyé aux unités de commande des autres variateurs de vitesse du système de commande. Le variateur de vitesse "maître" est par exemple le variateur de rang 1 associé à l'unité de commande de rang 1. Les variateurs de vitesse dits "esclaves" sont alors ceux des rangs 2 à n, associés chacun à une unité de commande respective de rang 2 à n. Dans le système ainsi formé, l'unité de commande du variateur de vitesse "maître" de rang 1 comporte un module de commande principal M1 1 tel que décrit ci- dessus, permettant de déterminer la tension de sortie vol à appliquer en sortie du variateur de vitesse "maître" en fonction du courant de sortie io-/ du variateur de vitesse "maître" VV1. Selon l'invention, les unités de commande des rangs 2 à n comportent chacune un module de commande principal Mi _k (k compris entre 2 et n) tel que décrit ci-dessus, qui est agencé pour déterminer la tension de sortie du variateur de vitesse commandé et un module de commande secondaire M2 k (k compris entre 2 et n). Ce module de commande secondaire est agencé pour déterminer une tension de correction vo* à appliquer à la tension de sortie vo* déterminée par le module de lo commande principal M1 k. Dans chaque unité de commande de rang 2 à n, le module de commande secondaire M2_k reçoit, en entrée, le courant de sortie io* du variateur de vitesse commandé ainsi que le courant de sortie fat du variateur de vitesse VV1 de rang 1. Le module de commande secondaire M2 k est agencé pour déterminer la différence entre le courant de sortie iok du variateur de vitesse VVk commandé et le 15 courant de sortie fat du variateur de vitesse de rang 1 et pour injecter ladite différence dans un correcteur à action proportionnelle ou un correcteur à action proportionnelle-intégrale PI. A partir de la différence injectée en entrée, le correcteur détermine une tension de correction à appliquer à la tension de sortie déterminée par le module de commande principal. Pour chaque variateur de vitesse, cette tension de correction 20 reflète donc la différence à corriger entre le courant de sortie dudit variateur de vitesse et le courant de sortie de référence du variateur de vitesse choisi comme "maître". Le module de commande secondaire met ainsi en oeuvre un algorithme de contrôle s'exprimant par les relations suivantes, pour un variateur de vitesse "esclave" k (k compris entre 2 et n) : A Vcrk - -KP - (icrk - icr1)± A VIntk 25 d -A VIntk= -KI. (iok -icr1) dt Avec : - A Vak qui représente la tension de correction déterminée pour le variateur de vitesse k (k allant de 2 à n), - KP, KI les gains du régulateur employé, 30 - Avintk le terme intégral du régulateur employé.10 En réutilisant ces expressions dans le système S1 exprimé ci-dessus, on obtient alors : L2-dt(icr2- icr1)= -KP.(icr2- icr1)± AVInt2±[Vam2eq- -Vamlecb -( 'L2- Li)- d cr1] dti dt_ AvInt2=-KI.('02- ia1) d L3 7t(icr3-icr1)=-KP.(icr3-icr1)± AVInt3±[Vam3eq- -Vamlecb -(L3 - L1)1 471] dt dtAVInt3= -KI.(ia3-i -cr1) , d f, ±[vamn-lep. _vamleq. _( d 1 Ln-1-dtlicrn-1-icr1)=-KP.(icrn-1- icr1)± AVIntn-1 ^Ln-1-L11-dt'cri d - dtAVIntn-1=-KI.(Iun-1- ia1) . d av mieq. _ (Ln _ Li)_ 1 icr1)=-KP.(icrn-icr1)± AVIntn±[VCIMneq. - 4171t(ien- dtia" - dt AVIntn= -KI.(ian- ia1) Qui montre un contrôle effectif de l'écart de courant, c'est-à-dire : icr2= icr1 icr3= icr1 icrn-1= icrl jan= icrl Dans un système de commande à deux variateurs de vitesse, le principe de l'invention consiste donc à faire en sorte que le courant de sortie de l'un des deux variateurs de vitesse soit fourni à l'autre variateur de vitesse. Si le système comporte plus de deux variateurs de vitesse connectés en parallèle, le même principe peut être employé de sorte que l'un des variateurs de vitesse fournisse son courant de sortie aux autres variateurs de vitesse du système. 15 La démonstration suivante illustre une généralisation de la solution. Cette solution générale consiste à stabiliser le système (1) suivant : d . L1 ftlicr1 = Val- VaM d Ln-dticrn = Van - VaM dans lequel les courants suivent la relation : ia1 ia2 ian = iaM L'objectif est alors d'équilibrer les courants entre les différents variateurs : ia1 = ia2 = = i an Pour simplifier l'écriture, nous considérons ici que les inductances Li sont toutes identiques et égales à L. La différence entre les inductances peut être gérée comme une perturbation du système ainsi simplifié. En écriture matricielle, les relations (1) deviennent : d cr2 Vcr2 V crn 1 - VaM L-dt icrn 1 (2) Les tensions fournies par chaque variateur peuvent se décomposer comme la somme de deux grandeurs : Val =Van + VE61 Une première grandeur Van sert à contrôler le moteur. Une seconde grandeur VEa1 sert à contrôler l'équilibre des courants des variateurs. Pour simplifier l'écriture, nous considérons ici que les composantes des tensions Van servant à contrôler le moteur sont toutes identiques et égales à vam REF . La différence entre ces composantes de tension peut être gérée comme une perturbation du système ainsi simplifié. 8 (1) (ial"l'al"1\ Définissons P la matrice inversible de changement de coordonnées telle que : Px (1 (n^ 1 0 = Définissons alors les courants il; pour i de 1 à n-1 tels que : ( ^ ( - ^ 'al laM ia2 ill = icrn , i En-1 ) P ayant la forme : ( 1 1 1` (1. -Q. Q .1' ' où Q doit être une matrice inversible. Si nous définissons les vecteurs un de dimension n (lignes)x1(colonne) et un_i de dimension n-1 (lignes)x1(colonne) (i^ et un_i = ^././ Nous obtenons l'écriture de P suivante : P-[ unT QJ r -Q-un2,1 L'inverse de P a la forme suivante : D-1 11 -un-1T -1:1 . = - u s, n 1" R R est la matrice définie par : Px P= ^ R = + un-/ / - - Appliquons cette transformation aux tensions. Définissons alors les tensions VD pour i de 1 à n-1 telles que : ( Vol\ i=1:n VE1 Vrn_i (Val\ = Px Va2 Van) E Vo; i=1:n (1, ^ v 02 - val Qx ^ ( n - vomFIEF + vErsi\ i=1:n (VE62 -VEcrl\ Qx \,VEori ) ) Van - Val )) Dans ces nouvelles coordonnées, la relation (2) devient : ( - ^ 1aM Lx d iEl dt - 1 j , V ai \ i=1:n 1/1,1 VEn_i ( 0 Vam (3) 0 \ Les courants ip sont de la forme : ial\ ( - ^ Icr2 lai 'a2 un-1 Q)x = Qx 'an icrn io1j La ligne 1 du système (3) concerne la commande du moteur. Nous pouvons considérer que chaque variateur apporte une composante pour E vai = n vomREF v Eai i=1:n i=1:n Considérons maintenant seulement les lignes de 2 à n, qui portent la problématique de contrôle du courant de circulation, il vient : ( irt ( VE1 Lx i - dt (4) ) A ce stade, les tensions de contrôle doivent être définies par les relations suivantes : ' Vri ' ' tri ' =f 11- 1)7-1) siDi-1) La fonction f a la propriété de stabiliser le système (4). Nous citons deux exemples et poursuivons, sans perte de généralité, avec l'exemple du correcteur à action proportionnelle. Comme premier exemple, nous pouvons définir le cas d'un correcteur à action proportionnelle : ' vil` = K x \,111y7_1) La matrice K a la propriété d'avoir toutes ces valeurs propres à parties réelles strictement négatives. Cette propriété assure une convergence exponentielle vers zéro des écarts de courants dans le cas du système (3). Comme second exemple, nous pouvons définir le cas d'un correcteur à actions proportionnelles et intégrales. /LI + f KI x x dt = Kp x Définissons W l'état des intégrateurs : ' w7 ` = f KI x xdt W 1 n- ) Avec le système (4), il vient : Lx- dt 1,E17-1) d dt ' w7 ' 1/11n-1) siEn-1) = KI x 12 ( iil " W1 = Kp x + iE17-7 W n -1 ( - !ri Les matrices Kp et Ki ont la propriété de stabiliser le système ainsi composé, c'est-à-dire que la matrice Km a la propriété d'avoir toutes ses valeurs propres à parties réelles strictement négatives, où KR = 'Kp IN-1 L L KI ON-1 ) L Où IN-1 est la matrice identité de dimension N-1, et ON-1 est la matrice nulle de dimension N-1. Si nous revenons aux tensions à délivrer par chaque variateur dans le cas d'une correction à action proportionnelle, nous obtenons la relation suivante : (If ^ ( - - ^ v Ecr2 - V Ers1 I cr2 - !cri = Q-1 xKxQx VErsn - V Ers1 , !an - i cri , En fonction de la matrice G = QAxKxQ , les courants doivent être partagés entre les différents variateurs. Cas 1 : choix de Q = IN-1 (matrice identité), et K une matrice diagonale. En choisissant VE61 = 0 , il vient G=K, et : VE62 = K2 x(icr2 - i cri) V Ean = Kn x 0 an - ia1) Cela nécessite que le courant du variateur 1 soit partagé avec les autres variateurs. Cas 2 : choix de Q - et K une matrice ( k2 0 0 K= - k2 k3 0 . 0 ^ 0 0 - k n_1 k n , En choisissant VEcri = 0 , il vient G = ( k2 0 0` et - k3 k3 0 - . - . 0 0 0 - kn kn , VE62 = K2 x(icr2 - icrl) V Eco.? = K n x 0 an - icrn-1) Cela nécessite alors que le courant du variateur i-1 soit partagé avec le variateur i (pour i allant de 2 à n). REVENDICATIONS1. Système de commande d'une charge électrique, ledit système comprenant: Un premier convertisseur de puissance (VV1) et un deuxième convertisseur de puissance (VV2) connectés en parallèle, chaque convertisseur de puissance comprenant un étage onduleur (INV1, INV2) présentant une sortie connectée à la charge électrique, Une première unité de commande (UC1) affectée à la commande de l'étage onduleur (INV1) du premier convertisseur de puissance et une deuxième unité de commande (UC2) affectée à la commande de l'étage onduleur (INV2) du deuxième convertisseur de puissance, caractérisé en ce que : La première unité de commande (UCi) comporte un module de commande principal (Mi_i) agencé pour déterminer une première tension de sortie ( val ) à appliquer à la charge électrique, ladite première tension de sortie ( val ) étant déterminée en fonction du courant de sortie ( ial ) du premier convertisseur de puissance, La deuxième unité de commande (UC2) comporte un module de commande principal (M12) agencé pour déterminer une deuxième tension de sortie ( v0-2 ) à appliquer à la charge électrique, ladite deuxième tension de sortie ( v0-2 ) étant déterminée à partir du courant de sortie (i62) du deuxième convertisseur de puissance, et un module de commande secondaire (M22) agencé pour déterminer une tension de correction Li yak ) à appliquer à ladite deuxième tension de sortie ( v0-2 ), ladite tension de correction étant déterminée à partir de la différence entre le courant de sortie (i62) du deuxième convertisseur de puissance et le courant de sortie ( ial ) du premier convertisseur de puissance. 2. Système de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier convertisseur de puissance (VV1) et le deuxième convertisseur de puissance (VV2) comportent chacun un bus continu d'alimentation appliquant une tension continue à leur étage onduleur (INV1, INV2) et en ce que le premierconvertisseur de puissance (VV1) et le deuxième convertisseur de puissance (VV2) sont connectés entre eux par leur bus continu d'alimentation. 3. Système de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que le bus continu d'alimentation du premier convertisseur de puissance (VV1) et le bus continu d'alimentation du deuxième convertisseur de puissance (VV2) comportent chacun une ligne d'alimentation à potentiel électrique positif et une ligne d'alimentation à potentiel électrique négatif. 4. Système de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que la sortie du premier convertisseur de puissance (VV1) est connectée à la sortie du deuxième convertisseur de puissance (VV2).