Brevet FR3036238A1 — publié le 20161118

Description de l'invention La présente invention a trait à un procédé et un système de contrôle, et plus particulièrement à un procédé et un système de contrôle d'un variateur de vitesse. Un variateur de vitesse (également dénommé variateur de fréquence) est généralement conçu pour réguler la vitesse de rotation d'un moteur électrique, comme un moteur utilisé dans une pompe, un ventilateur, un élévateur ou un transporteur. Un variateur de vitesse est généralement conçu pour réguler un moteur de sorte que les variations de la vitesse de rotation du moteur se produisent sans à-coups. Par nature, un variateur de vitesse permet de faire varier la vitesse d'un moteur, ce qui permet d'optimiser un système en termes de rendement. Un variateur de vitesse est donc généralement économe en énergie, et il est donc possible d'utiliser un variateur de vitesse dès que possible pour des effets bénéfiques pour l'environnement. Un variateur de vitesse comprend un montage de commutation qui module une tension continue afin de fournir un signal alternatif à tension et fréquence variables convenant à l'entraînement d'un moteur. Le variateur de vitesse régule la vitesse du moteur en réglant la fréquence et l'amplitude de la tension alternative de sortie qui entraîne le moteur. En référence à la figure 1 des dessins annexés, un variateur de vitesse classique 1 comprend une entrée d'alimentation à courant alternatif triphasé 2 conçue pour être connectée à trois phases (A, B et C) d'une alimentation à courant continu triphasé. L'entrée d'alimentation à courant alternatif triphasé 2 est connectée à un montage redresseur 3 qui, dans cet exemple, est un redresseur à diodes comprenant six diodes D1 à D6. Le redresseur 3 est connecté à un bus à courant continu 4 qui comprend une ligne à haute tension 5 et une ligne à basse tension ou une ligne de masse 6. Lors de 3036238 2 l'utilisation, le redresseur 3 redresse l'entrée d'alimentation à courant alternatif triphasé afin de fournir une tension de bus à courant continu dans le bus à courant continu 4. 5 Un condensateur Cl est connecté aux bornes du bus à courant continu 4 pour atténuer l'ondulation dans la tension de bus à courant continu. Le condensateur Cl est généralement un condensateur de forte valeur avec une capacité de plusieurs milliers de microfarads, par exemple de l'ordre de 1000 pF à 4000 pF. 10 Un onduleur 7 est connecté au bus à courant continu 4. L'onduleur 7 comprend un montage de commutation qui comporte six commutateurs Q1 à Q6 connectés aux bornes du bus à courant continu 4. L'onduleur 7 comprend une sortie à courant alternatif 8 qui comporte trois phases 15 électriques de sortie (1 à 3) connectées à un moteur à courant alternatif 9. Le variateur de vitesse 1 comprend une unité de contrôle 10 conçue pour contrôler les commutateurs Q1 à Q6 de l'onduleur de sorte que les commutateurs Q1 à Q6 soient commutés selon une séquence spécifique pour 20 convertir la tension continue aux bornes du bus à courant continu 4 en un signal de sortie à tension alternative pour entraîner le moteur 9. L'unité de contrôle 10 est conçue pour régler la fréquence de variation du cycle de charge selon lequel les commutateurs 01 à Q6 sont commutés afin de régler l'amplitude et la fréquence du signal de sortie à tension alternative qui, à son 25 tour, règle la vitesse de rotation du moteur 9. L'un des problèmes avec un variateur de vitesse classique 1 est que son fonctionnement peut conduire à une augmentation de la tension de bus à courant continu quand le moteur 9 entre en mode générateur. L'augmentation 30 de la tension de bus à courant continu n'est pas souhaitable, car elle peut 3036238 3 exiger l'arrêt du variateur de vitesse 1 pour empêcher tout endommagement de l'onduleur 7. Un variateur de vitesse classique est généralement doté d'un capteur de 5 tension 11 conçu pour détecter la tension aux bornes du bus à courant continu 4 et fournir une indication de la tension détectée à l'unité de contrôle 10. L'unité de contrôle 10 est conçue pour contrôler la commutation des commutateurs 01 à Q6 de l'onduleur 7 pour modifier la vitesse et/ou le couple du moteur 9 afin de maintenir la tension de bus à courant continu à un 10 niveau approprié. Dans un variateur de vitesse classique comportant un condensateur de forte capacité Cl dans le bus à courant continu 4, les éventuelles tensions transitoires présentes dans le bus à courant continu 4 suite à l'entrée du 15 moteur 9 en mode générateur sont amorties par le condensateur C1. Cela laisse suffisamment de temps à l'unité de contrôle 10 pour réagir et contrôler la commutation des commutateurs Q1 à Q6 pour contrôler et limiter l'énergie de régénération provenant du moteur 9 afin de maintenir la tension de bus à courant continu à un niveau approprié, empêchant ainsi un déclenchement en 20 surtension. Toutefois, il est souhaitable que la capacité Cl du bus à courant continu soit le plus faible possible afin d'améliorer le facteur de puissance et de minimiser la distorsion harmonique dans l'alimentation connectée à l'entrée 25 d'alimentation 2. Si la capacité Cl du bus à courant continu est réduite à une faible capacité, par exemple 1 % de la capacité du bus à courant continu d'un variateur de vitesse classique, le procédé ci-dessus de surveillance de la tension de bus à courant continu et de contrôle des commutateurs 01 à Q6 ne fournit plus un contrôle résistant aux aléas capable d'empêcher les 30 déclenchements en surtension de manière fiable. 3036238 4 Un variateur de vitesse classique peut aussi être muni d'une résistance R et d'un interrupteur S connectés en série aux bornes du bus à courant continu 4. L'unité de contrôle 10 est conçue pour fermer l'interrupteur S si la tension détectée aux bornes du bus à courant continu 4 est supérieure à un niveau 5 prédéterminé. La puissance circulant dans le variateur de vitesse en provenance du moteur 9, quand le moteur 9 entre en mode générateur, est dissipée sous forme de chaleur par la résistance R afin de minimiser le risque d'endommagement de l'onduleur 7. Bien que cette solution empêche de manière fiable des déclenchements en surtension dans le variateur, dans de 10 nombreuses applications qui n'ont pas besoin d'un freinage du moteur par récupération (par exemple, les applications de pompage ou de ventilation) on ne souhaite pas supporter le coût supplémentaire de ce circuit de freinage uniquement pour gérer les conditions transitoires occasionnelles. 15 Par conséquent, il s'avère nécessaire de disposer d'un procédé et d'un système améliorés de contrôle d'un variateur de vitesse pour minimiser ou empêcher l'arrêt du variateur suite à une augmentation excessive de la tension de bus à courant continu. 20 L'objet de la présente invention est de fournir un procédé et un système de contrôle améliorés. Selon un aspect de la présente invention, l'invention concerne un procédé de contrôle d'un variateur de vitesse conçu pour entraîner un moteur, le variateur 25 de vitesse comprenant un bus à courant continu, servant à transporter une tension et un courant de bus à courant continu, et un onduleur configuré pour convertir la tension et le courant de bus à courant continu en puissance active alternative circulant dans un sens direct du variateur de vitesse vers le moteur le long d'un circuit de conduction qui s'étend entre le variateur de vitesse et le 30 moteur, le procédé consistant à : calculer le transit actif entre le variateur de vitesse et le moteur dans un composant positionné dans le circuit de 3036238 5 conduction électrique, et à contrôler l'onduleur dans le variateur de vitesse en réponse au transit actif calculé pour limiter le transit actif dans un sens inverse du moteur au variateur de vitesse à un niveau prédéterminé, de manière à minimiser ou empêcher une augmentation de la tension de bus à courant 5 continu dans le variateur de vitesse. De préférence, le procédé consiste en outre à : calculer une valeur de tension de la tension de sortie de l'onduleur, et à détecter une valeur de courant circulant dans le composant positionné dans le circuit de conduction électrique 10 représentant la puissance active alternative de sortie. De manière avantageuse, le procédé consiste en outre : à contrôler l'onduleur de sorte que i'fq > v , où ire est la référence de courant sur l'axe q g dans un système de référence arbitraire, vd est la valeur de tension sur 15 l'axe d, id est la valeur de courant sur l'axe d, vg est la valeur de tension sur l'axe q et K correspond au niveau prédéterminé. Avantageusement, le niveau prédéterminé est égal à zéro. 20 De préférence, le procédé est un procédé mis en oeuvre par ordinateur. Selon un autre aspect de la présente invention, l'invention concerne un support matériel lisible par ordinateur stockant des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, effectuent les étapes du procédé selon un 25 ou plusieurs des modes de réalisation de l'invention décrits. Selon encore un autre aspect de la présente invention, l'invention concerne un variateur de vitesse comprenant un support matériel lisible par ordinateur selon un ou plusieurs des modes de réalisation de l'invention décrits. 30 3036238 6 Selon un autre aspect de la présente invention, l'invention concerne un système de contrôle d'un variateur de vitesse conçu pour entraîner un moteur, le variateur de vitesse comprenant un bus à courant continu, servant à transporter une tension et un courant de bus à courant continu, et un onduleur 5 qui, lors de l'utilisation, convertit la tension et le courant de bus à courant continu en puissance active alternative circulant dans le sens direct du variateur de vitesse vers le moteur le long d'un circuit de conduction qui s'étend entre le variateur de vitesse et le moteur, le système comprenant : un calculateur de transit actif permettant de calculer le transit actif entre le 10 variateur de vitesse et le moteur dans un composant positionné dans le circuit de conduction électrique, et un contrôleur permettant de contrôler l'onduleur dans le variateur de vitesse en réponse au transit actif calculé pour limiter le transit actif dans le sens inverse du moteur au variateur de vitesse à un niveau prédéterminé, de manière à minimiser ou empêcher une augmentation de la 15 tension de bus à courant continu dans le variateur de vitesse. De préférence, le système comprend en outre : un calculateur de tension conçu pour calculer une valeur de tension de la tension de sortie de l'onduleur, et un capteur de courant permettant de détecter une valeur de courant 20 circulant dans le composant positionné dans le circuit de conduction électrique représentant la puissance active alternative de sortie. De manière avantageuse, le contrôleur est conçu pour contrôler l'onduleur de sorte que i'fq K- v vgeid , où i' f ci est la référence de courant sur l'axe q dans 25 un système de référence arbitraire, vd est la valeur de tension sur l'axe d, id est la valeur de courant sur l'axe d, vg est la valeur de tension sur l'axe q et K correspond au niveau prédéterminé. Avantageusement, le niveau prédéterminé est égal à zéro. 30 3036238 7 Selon un autre aspect de la présente invention, l'invention concerne un variateur de vitesse comprenant le système selon un ou plusieurs des modes de réalisation de l'invention décrits. 5 Afin que la présente invention soit mieux comprise, des modes de réalisation de la présente invention sont décrits ci-après, au moyen d'exemples, en référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est un schéma d'un montage de variateur de vitesse classique, et 10 La figure 2 est un schéma d'un montage de variateur de vitesse selon un mode de réalisation de l'invention. Un procédé et un système selon un mode de réalisation de l'invention vont 15 maintenant être décrits en référence à la figure 2 des dessins annexés. La figure 2 illustre un variateur de vitesse triphasé comprenant les mêmes composants que le variateur de vitesse 1 illustré sur la figure 1. Les numéros de référence utilisés pour le variateur de référence illustré sur la figure 2 sont les mêmes que ceux utilisés pour le variateur de vitesse illustré sur la figure 1. 20 Le système selon un mode de réalisation de l'invention comprend une unité de contrôle 12 conçue pour contrôler la commutation des commutateurs Q1 à Q6. Dans ce mode de réalisation, l'unité de contrôle 12 comprend une mémoire 13 qui constitue un support matériel lisible par ordinateur. La mémoire 13 stocke 25 des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par un processeur de l'unité de contrôle 12, effectuent les étapes d'un procédé selon un mode de réalisation de l'invention. Le procédé est donc de préférence un procédé mis en oeuvre par ordinateur. 3036238 8 Un circuit de conduction 14 s'étend entre le variateur de vitesse 1 et le moteur 9. Le système comprend un capteur de courant 15 conçu pour mesurer le courant circulant dans un composant 16 positionné dans le circuit de conduction électrique 14. Le capteur de courant 15 est couplé à l'unité de 5 contrôle 12 pour fournir à l'unité de contrôle 12 une valeur de courant révélatrice du courant détecté circulant dans le composant 16. L'unité de contrôle 12 est conçue pour calculer une valeur de tension de la tension de sortie de l'onduleur 7. L'unité de contrôle 12 est conçue pour utiliser la valeur de courant détectée et la valeur de tension calculée afin de calculer le transit 10 actif entre le variateur de vitesse 1 et le moteur 9 dans le composant 16. Quand le variateur de vitesse 1 est utilisé pour entraîner le moteur 9, la puissance active circule dans un sens direct du variateur de vitesse 1 vers le moteur 9. Si le moteur 9 entre en mode générateur et génère une puissance 15 active qui circule dans un sens inverse du moteur 9 au variateur de vitesse 1, alors l'unité de contrôle 12 contrôle la commutation des commutateurs Q1 à Q6 pour limiter le transit actif dans le sens inverse. L'unité de contrôle 12 est conçue pour répondre au transit actif inverse détecté 20 en modifiant le courant de couple de consigne (qui est directement lié au niveau de transit) utilisé dans l'unité de contrôle 12 pour contrôler la commutation des commutateurs 01 à Q6. L'unité de contrôle 12 règle la commutation des commutateurs Q1 à Q6 pour limiter le transit actif inverse du moteur 9 au variateur de vitesse 1 à un niveau prédéterminé. Le niveau 25 prédéterminé peut être égal à zéro dans un mode de réalisation de l'invention, mais peut être supérieur à zéro dans d'autres modes de réalisation de l'invention. La réduction du transit actif inverse minimise ou empêche une augmentation de la tension de bus à courant continu aux bornes du bus à courant continu 4 dans le variateur de vitesse 1. 30 3036238 9 Un mode de réalisation de l'invention réagit instantanément ou pratiquement instantanément à un quelconque transit actif inverse pour minimiser ou empêcher une augmentation de la tension de bus à courant continu aux bornes du bus à courant continu 4. Un mode de réalisation de l'invention 5 convient bien à un variateur de vitesse ayant une faible capacité Cl de bus à courant continu, car ce mode de réalisation de l'invention permet un contrôle qui résiste davantage aux aléas qu'un montage classique reposant sur la surveillance de la tension de bus à courant continu. Par conséquent, un mode de réalisation de l'invention permet un contrôle résistant aux aléas qui 10 empêche un déclenchement en surtension dans le variateur de vitesse, tandis que la faible capacité Cl de bus à courant continu minimise la distorsion harmonique dans l'alimentation connectée au variateur de vitesse. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, un capteur de courant est 15 fourni pour chacune des phases de la sortie à courant alternatif 8 de sorte que les capteurs de courant puissent détecter une valeur de courant pour chacune des phases. L'unité de contrôle 12 est conçue pour calculer une valeur de tension pour chacune des phases. L'unité de contrôle 12 est également conçue pour calculer des paramètres de contrôle à partir des valeurs de 20 courant détectées et des valeurs de tension calculées que l'unité de contrôle 12 utilise pour contrôler le courant de couple de consigne du variateur de vitesse. Le calcul mathématique suivant décrit des aspects du procédé de contrôle qui sont mis en oeuvre dans l'unité de contrôle 12. 25 Commençons par l'expression de la puissance active instantanée dans le système de référence du stator a-13 : S = eap * i;tie = (v'+ vfi, * ifl) + * (v,e * ia va* ifl) P = (va a + vf3 * ifl) q=(v/3*La-va 3036238 10 Où: ea,9, iaf : tension et courant du stator dans le système de référence du stator 5 S: puissance complexe instantanée. p: puissance active instantanée. q: puissance réactive instantanée. Par souci de commodité, on exprime S, p et q dans le système de référence 10 en rotation d-q. Pour cela, on reformule ectp, . ecc,g = edq * ej8 , iaR = idg * e'8 (2a, 2b) Avec : edq, idg : tension et courant du stator dans le système de 15 référence en rotation 8: angle entre le système de référence du stator oc-f3 et le système de référence en rotation d-q Puis on remplace (2a, 2b) dans l'expression de puissance instantanée (1, la, 20 1 b) : S = eap * lâq = (edq * e18) * (idq * els = edq * ei8 * Ldq * = edq * iâq (3) p = (vd * id + vg * ig) (3a) q=(vq*id-17d*iq) (3b) 3036238 11 S, p et q sont désormais exprimés dans le système de référence en rotation. Dans un variateur ayant une capacité (C1) de faible valeur, il est impératif que la puissance active instantanée consommée (3a) soit supérieure ou égale à 5 zéro pour empêcher une augmentation de la tension de bus à courant continu. p = Vd * id + Vq * iq > 0 (4) Si l'on résout l'équation pour le courant de stator du composant selon l'axe q, on obtient l'expression : 10 vd * id lq > Si l'on remplace ensuite le courant de stator par la référence de courant selon l'axe q, on obtient l'expression : ire f q 0 - vd * id (6) 15 Vq On peut utiliser (6) pour imposer une limite minimale à la demande réelle du courant de couple (courant de couple de consigne, i'fq) sur la base de la puissance active instantanée consommée, en arrêtant le flux d'énergie active de retour dans le variateur, y compris avant que la tension de bus à courant 20 continu ne commence à augmenter. Cette absence de délai lors de la modification du courant de couple de référence avant que la tension de bus à courant continu n'atteigne des niveaux dangereux est la clé pour les variateurs ayant une capacité de faible valeur, en particulier dans des conditions de fonctionnement à vide ou en mode générateur. 25 Cette expression peut être généralisée comme suit : Vq (5) 3036238 irefq 12 (7) K - vd* id 12q où K est une référence de puissance arbitraire dans les cas où l'on souhaite limiter le transit actif instantané (transit inverse autorisé) du moteur au 5 variateur de vitesse à un niveau prédéterminé différent de zéro. L'expression (7) est valable pour tout système de référence arbitraire. Alors que les modes de réalisation décrits ci-dessus comprennent un variateur 10 de vitesse délivrant en sortie une puissance alternative triphasée, il faut comprendre que d'autres modes de réalisation de l'invention peuvent comprendre un variateur de vitesse délivrant en sortie une puissance alternative biphasée ou une puissance alternative avec plus de trois phases. 15 Le mode de réalisation décrit précédemment comprend une unité de contrôle 12 qui comporte une mémoire 13 stockant des instructions destinées à être exécutées par un processeur de l'unité de contrôle 12. Toutefois, dans d'autres formes de réalisation, une mémoire est fournie séparément de l'unité de contrôle 12 sous la forme d'un support matériel lisible par ordinateur conçu 20 pour être couplé directement à l'unité de contrôle 12 ou via un montage de communication en réseau. Alors que les modes de réalisation décrits ci-dessus comprennent un variateur de vitesse intégrant un onduleur, d'autres modes de réalisation peuvent 25 comprendre un variateur de vitesse qui intègre un montage de modulation différent pour fournir un signal de sortie à tension alternative. Le variateur de vitesse d'un mode de réalisation de l'invention est conçu pour entraîner un moteur choisi dans un groupe de types de moteur comprenant 3036238 13 des machines à induction, des machines synchrones à aimants permanents, des machines à courant continu sans balais et des machines synchrones à réluctance. 5 Lorsqu'ils sont utilisés dans la présente spécification et les présentes revendications, les termes « comprendre » et « comporter » et leurs dérivés signifient que les caractéristiques, les étapes ou les composants spécifiés sont inclus. Les termes ne doivent pas être interprétés comme excluant la présence d'autres caractéristiques, étapes ou composants. 10 Les caractéristiques décrites dans la description, dans les revendications ou dans les dessins annexés, exprimées sous leurs formes spécifiques ou en termes d'un moyen de réalisation de la fonction décrite, ou d'un procédé ou processus d'obtention du résultat décrit, selon le cas, peuvent, séparément ou 15 en combinaison quelconque, être utilisées pour réaliser l'invention sous diverses formes correspondantes. REVENDICATIONS1. Procédé de contrôle d'un variateur de vitesse (1) conçu pour entraîner un moteur (9), le variateur de vitesse (1) comprenant un bus à courant continu (4) servant à transporter une tension et un courant de bus à courant continu, et un onduleur (7) configuré pour convertir la tension et le courant de bus à courant continu en puissance active alternative circulant dans un sens direct du variateur de vitesse (1) vers le moteur (9) le long d'un circuit de conduction (14) qui s'étend entre le variateur de vitesse (1) et le moteur (9), le procédé consistant à : calculer le transit actif entre le variateur de vitesse (1) et le moteur (9) dans un composant (16) positionné dans le circuit de conduction électrique (14), et à contrôler l'onduleur (7) dans le variateur de vitesse (1) en réponse au transit actif calculé pour limiter le transit actif dans un sens inverse du moteur (9) au variateur de vitesse (1) à un niveau prédéterminé, de manière à minimiser ou empêcher une augmentation de la tension de bus à courant continu dans le variateur de vitesse (1). 2. Procédé selon la revendication 1, le procédé comprenant en outre les étapes consistant à : calculer une valeur de tension de la tension de sortie de l'onduleur (7), et à détecter une valeur de courant circulant dans le composant (16) positionné dans le circuit de conduction électrique (14) représentant la puissance active alternative de sortie. 3. Procédé selon la revendication 2, le procédé comprenant en outre les étapes consistant à : 3036238 15 contrôler l'onduleur (7) de sorte que irefq > où Ge r,/ est la référence de courant sur l'axe q dans un système de référence arbitraire, vd est la valeur de tension sur l'axe d, id est la valeur de courant sur l'axe d, y,/ est la valeur de tension sur l'axe q et K correspond au niveau prédéterminé. 5 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le niveau prédéterminé est égal à zéro. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, le 10 procédé étant un procédé mis en oeuvre par ordinateur. 6. Support matériel lisible par ordinateur stockant des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, effectuent les étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 15 7. Variateur de vitesse (1) comprenant le support matériel lisible par ordinateur selon la revendication 6. 8. Système de contrôle d'un variateur de vitesse (1) conçu pour entraîner 20 un moteur (9), le variateur de vitesse comprenant un bus à courant continu (4) servant à transporter une tension et un courant de bus à courant continu, et un onduleur (7) configuré pour convertir la tension et le courant de bus à courant continu en puissance active alternative circulant dans un sens direct du variateur de vitesse (1) au moteur (9) le long d'un circuit de conduction (14) 25 qui s'étend entre le variateur de vitesse (1) et le moteur (9), le système comprenant un calculateur de transit actif permettant de calculer le transit actif entre le variateur de vitesse (1) et le moteur (9) dans un composant (16) positionné dans le circuit de conduction électrique (14), et 3036238 16 un contrôleur (10) permettant de contrôler l'onduleur (7) dans le variateur de vitesse (1) en réponse au transit actif calculé pour limiter le transit actif dans un sens inverse du moteur (9) au variateur de vitesse (1) à un niveau prédéterminé, de manière à minimiser ou empêcher une augmentation 5 de la tension de bus à courant continu dans le variateur de vitesse (1). 9. Système selon la revendication 8, le système comprenant en outre : un calculateur de tension conçu pour calculer une valeur de tension de la tension de sortie de l'onduleur (7), et 10 un capteur de courant (15) permettant de détecter une valeur de courant circulant dans le composant (16) positionné dans le circuit de conduction électrique (14) représentant la puissance active alternative de sortie. 15 10. Système selon la revendication 9, dans lequel le contrôleur (10) est conçu pour contrôler l'onduleur (7) de sorte que trefq K-V vgd*id , où i'fq est la référence de courant sur l'axe q dans un système de référence arbitraire, vd est la valeur de tension sur l'axe d, id est la valeur de courant sur l'axe d, vg est la valeur de tension sur l'axe q et K correspond au niveau prédéterminé. 20 11. Système selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel le niveau prédéterminé est égal à zéro. 12. Variateur de vitesse (10) comprenant le système selon l'une 25 quelconque des revendications 8 à 11.