Brevet FR3027171A1 — publié le 20160415

PROCEDE DE COMMANDE D'UN ONDULEUR TRIPHASE METTANT EN OEUVRE UNE MODULATION VECTORIELLE Domaine de l'invention La présente invention se rapporte au domaine de l'électronique de puissance. La présente se rapporte plus particulièrement à un procédé de commande d'un onduleur triphasé mettant en oeuvre une technique de modulation vectorielle. État de la technique On connaît dans l'art antérieur la publication scientifique « Optimal Common-Mode Voltage Reduction PWM Technique for Inverter Control With Consideration of the Dead-Time Effects - Part I : Basic Development » (YenShin Lai et Fu-San Shyu - IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 40 No. 6 Novembre/Décembre 2004). Cette publication scientifique concerne la technique PWM (« Pulse Width Modulation » en terminologie anglo-saxonne), et plus particulièrement la réduction de la tension en mode commun. On connaît également dans l'art antérieur la demande de brevet américain N° US 2004/0070736 (« Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft »- BMW AG), qui décrit un appareil d'électronique de puissance et un procédé de contrôle pour une machine électrique et pour le stockage de l'énergie électrique. Cette demande de brevet américain décrit une structure d'électronique de puissance comportant un onduleur auquel une machine électrique peut être connectée, et au moins un demi-pont auquel deux dispositifs de stockage d'énergie électrique peuvent être connectés. L'un des deux dispositifs de stockage d'énergie électrique alimente au moins de façon temporaire la machine électrique, et l'autre des deux dispositifs de stockage d'énergie électrique charge au moins de façon temporaire un autre dispositif de stockage d'énergie électrique parmi au moins les deux dispositifs de stockage 3027171 2 d'énergie électrique au moyen de la machine électrique et d'un des demi-ponts. Pour cela, un procédé de commande pour la commutation de l'électronique de puissance fonctionne selon le principe de la modulation vectorielle spatiale. 5 On connaît dans l'art antérieur la modulation de type SVM (« Space Vector Modulation » en terminologie anglo-saxonne). C'est un procédé implémenté de manière numérique pour commander les onduleurs triphasés. Ce procédé est notamment mis en oeuvre dans les véhicules électriques. La modulation de type SVM utilise des vecteurs qui correspondent à des 10 configurations de commutation individuelles pour générer une tension de référence. La Figure 1 illustre une structure d'onduleur triphasé. De façon binaire, chaque vecteur résulte d'une combinaison spécifique. Pour un onduleur triphasé, tel que représenté Figure 1, il y a huit (23) combinaisons possibles. Le Tableau 1 ci-dessous indique chaque vecteur et la tension correspondante pour 15 chaque phase sur la base d'une fonction de commutation qui indique « 0 » pour ouvert (« OFF ») et « 1 » pour fermé (« ON »). Porte Vao Porte Vbo Porte Vc0 Numéro de « a » « b » « c » vecteur 0 -Vdc/2 0 -Vdc/2 0 -Vdc/2 0 0 -Vdc/2 0 -Vdc/2 1 Vdc/2 5 0 -Vdc/2 1 Vdc/2 0 -Vdc/2 3 0 -Vdc/2 1 Vdc/2 1 Vdc/2 4 1 Vdc/2 0 -Vdc/2 0 -Vdc/2 1 1 Vdc/2 0 -Vdc/2 1 Vdc/2 6 1 Vdc/2 1 Vdc/2 0 -Vdc/2 2 1 Vdc/2 1 Vdc/2 1 Vdc/2 7 Tableau 1 : Vecteur correspondant à la logique de commutation 20 3027171 3 Le procédé de SVM est approprié pour être programmé sur des processeurs de type « Digital Micro Processors » en se basant sur des transformations mathématiques. 5 Dans les procédés de SVM traditionnels, la tension en mode commun (CMV ou « Common Mode Voltage » en terminologie anglo-saxonne) peut prendre les valeurs suivantes : +/- Vdc/2 ou +/- Vdc/6 en fonction des vecteurs utilisés. Pendant les temps de commutation, la tension en mode commun peut varier de +/- Vdc/3. Le courant en mode commun ou CMC (« Common Mode 10 Current » en terminologie anglo-saxonne) à l'origine du courant de fuite est proportionnel aux variations des niveaux CMV. Des procédés de réduction de la tension en mode commun ont récemment été proposés. 15 Exposé de l'invention La présente invention entend remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé de commande offrant de meilleures 20 performances que les procédés de l'art antérieur, notamment dans le cadre de l'utilisation dans des véhicules électriques. À cet effet, la présente invention concerne, dans son acception la plus générale, un procédé de commande d'un système comportant au moins un 25 onduleur à six interrupteurs, relié à une batterie, et contrôlé par un processeur, ledit procédé mettant en oeuvre une modulation vectorielle, caractérisé en ce qu'il est apte à éviter que le courant absorbé par la batterie passe par zéro Ampère au moyen d'une logique de commande appropriée. 3 0 Le procédé selon la présente invention permet d'obtenir les résultats suivants : - Augmenter le rendement ; - Réduire la tension et le courant en mode commun ; - Réduire l'impact en matière de compatibilité électromagnétique ; 3027171 4 - Limiter les ondulations de courant pris aux batteries ; et - Réduire les dimensions du filtre du bus continu. Le procédé selon la présente invention permet de limiter les sollicitations 5 brutales et périodiques du bus continu (batterie notamment) et de réduire les pertes par commutation. Grâce à la présente invention, on accroît la durée de vie des batteries, des composants de puissance et de la motorisation. La présente invention 10 permet d'augmenter la durée de vie du système, avec une adaptabilité accrue. Avantageusement, le procédé selon la présente invention ne nécessite pas l'ajout de composants supplémentaires. Ceci permet de ne pas augmenter les coûts de production. 15 Selon un mode de réalisation, ledit procédé comporte une étape de modification d'un vecteur circulaire en une autre forme qui, en fonction du rayon d'un vecteur de référence, peut être transférée à la surface d'un hexagone. 20 Selon un mode de réalisation, ledit procédé comporte une étape de calcul du temps zéro résultant, et une étape d'allocation de ce temps aux vecteurs voisins, en allouant k pourcent au premier vecteur à chaque secteur et (1 - k) pourcent au second vecteur, k étant compris entre 0 et 1. 25 La présente invention se rapporte également à un dispositif de commande d'un système comportant au moins un onduleur composé de six interrupteurs, reliés à une batterie, et commandés par un processeur, ledit dispositif comportant des moyens pour mettre en oeuvre une modulation vectorielle, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour éviter que le 30 courant absorbé par la batterie passe par zéro Ampère au moyen d'une logique de commande appropriée. 3027171 5 Brève description des dessins 5 On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ci-après à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux Figures dans lesquelles : - la Figure 1 illustre une structure d'onduleur triphasé à point milieu capacitif O fictif ou non fictif ; 10 - les Figures 2A et 2B représentent un résultat de simulation pour un vecteur de référence, dans le cadre de la présente invention (Figure 2A à un rayon de 0.5 P.0 et Figure 2B à un rayon de 0.8 P.u) ; - la Figure 3 illustre la logique de commutation dans le cadre du 15 procédé selon la présente invention ; - la Figure 4 représente l'amplitude du fondamental de la tension de sortie divisée par la tension moyenne du bus continu en fonction du rayon du cercle de référence ; - la Figure 5 illustre le courant en mode continu dans le cadre du 20 procédé selon la présente invention, en injectant une puissance active de 1 pu ; - les Figures 6A et 6B représentent le courant en mode alternatif pour un procédé de commande SVM traditionnelle (Figure 6A) et pour un procédé selon la présente invention (Figure 6B) en 25 injectant uniquement une puissance active ; - les Figures 7A et 7B illustrent la zone de fonctionnement avec k = 0,33 (Figure 7A) et k = 0,66 (Figure 7B) ; et - La Figure 8 illustre des résultats obtenus concernant la température de l'onduleur. 30 3027171 6 Description détaillée des modes de réalisation de l'invention 5 Les précédents procédés de SVM sont caractérisés par la relation suivante. Pour construire le vecteur de référence, le troisième terme (tzVo) doit être à zéro. TsVref = tiVi tzVO 10 Dans le procédé selon la présente invention, on évite le temps zéro en allouant de façon égale un temps zéro calculé à deux vecteurs actifs proches comme suit. ti(new) = (ti tz/2) 15 ti+1(new) - (ti+1+ tz/2) TsVref(new) = (ti tz12)Vi (ti+1+ tz12)Vi+1 Vref(new) = (ai + az/2)Vi + (at+1 + az/2)Vi+1 20 On peut reformuler la dernière équation comme les deux équations suivantes. Ainsi, un nouveau vecteur de référence est créé. Cette nouvelle référence est calculée par la somme de deux vecteurs proches en soustrayant Vi+1 de Vi qui est multiplié par (ai- ai+i). 25 Vref(new) = - 2 (1 2 (1 + ai-ai+i)vi + - ai + ai+i)Vi+i Vre f (new) vi+vi+1 vi-vi+1 + (ai - at+i) 2 2 30 Ainsi, le procédé selon la présente invention a changé le vecteur circulaire en une autre forme qui, en fonction du rayon du vecteur de référence, peut être transférée à la surface de l'hexagone, comme illustré Figures 2A et 2B. 3027171 7 Sur la base du procédé selon la présente invention, seulement deux vecteurs proches ont été utilisés. Par conséquent, les vecteurs zéro ont été supprimés. Le Tableau 2 montre les changements de commutation résultants 5 dans chaque secteur. Comme illustré pour chaque secteur individuel, deux interrupteurs ont été conservés fixes à 1 or O. Interrupteur Secteur 1 Secteur 2 Secteur 3 Secteur 4 Secteur 5 Secteur 6 s1 1 x 0 0 x 1 s3 x 1 1 x 0 0 s5 0 0 x 1 1 x 10 Tableau 2 : Stratégie de commutation dans le cadre de la présente invention Dans le cadre des procédés de SVM traditionnels, les vecteurs peuvent 15 être implémentés à travers des schémas de modulation variés. Comme mentionné dans le Tableau 2 ci-dessus, dans le cadre de la présente invention, seul deux changements de commutation sont effectués. 20 Ainsi, dans le cadre du procédé selon la présente invention, les pertes de commutation peuvent être réduites de 66 % en comparaison avec les procédés de SVM traditionnels. La Figure 3 illustre la stratégie de commutation dans le cadre du procédé 25 selon la présente invention. La Figure 3 montre le comportement des interrupteurs dans le procédé selon la présente invention, implémenté par une séquence alignée à droite. 3027171 8 Dans le procédé selon la présente invention, on impose une nouvelle référence qui opère selon un hexagone au lieu d'implémenter une référence circulaire. 5 La Figure 4 représente l'amplitude en tension par tension continue en fonction du rayon. La Figure 4 montre que dans le procédé selon la présente invention, la performance n'est pas linéaire comme dans les procédés de SVM traditionnels 10 et peut varier entre 0,73 P.0 et 0,65 P.u. Les principaux résultats obtenus grâce au procédé selon la présente invention sont les suivants : diminuer l'ondulation de courant, atténuer la tension en mode commun (CMV), réduire les interactions électromagnétiques, 15 éviter le courant à zéro Ampère, prolonger la durée de vie de la batterie et finalement diminuer le coût et la taille de la batterie. La Figure 5 illustre le courant en mode continu dans le cadre du procédé 20 selon la présente invention, en injectant une puissance active de 1 pu. Comme on peut le voir sur la Figure 5, le courant en mode continu est approximativement constant en injectant une puissance active. Sans passer par zéro, il peut satisfaire les objectifs ci-dessus mentionnés. 25 Les Figures 6A et 6B représentent le courant en mode alternatif pour un procédé de SVM traditionnel (Figure 6A) et pour un procédé selon la présente invention (Figure 6B) en injectant uniquement une puissance active. Par conséquent, la tension de phase en mode alternatif aurait la même forme que 3 0 ce qui est représenté sur les Figures 6A et 6B. Dans la suite, nous décrirons un mode de réalisation particulier de l'invention. 3027171 9 Après avoir calculé le temps zéro résultant des procédés de SVM traditionnels, ce temps peut être alloué de façon égale ou non aux vecteurs proches. En allouant k pourcent au premier vecteur à chaque secteur et (1 - k) pourcent au second vecteur, la performance du procédé peut être modifiée. En 5 appliquant les concepts précédents à une des équations précédentes, on peut extraire l'équation suivante, dans laquelle k varie entre 0 et 1. TsVref(new) = (ti + (1- k) * tz)Vi + (ti+1+ k * tz)Vi+1 10 ai(new) (ai + (1 - ai+1(new) = (ai+1 + k * az) Par une allocation non égale (k # 0.5), la zone de fonctionnement a une 15 tendance vers le premier vecteur ou vers le second vecteur. Dans la suite, en allouant plus de temps au premier vecteur (Figure 7A), la zone de fonctionnement va vers le côté droit de l'hexagone. Au contraire, en imposant plus de temps vers le vecteur gauche (Figure 7B), il tend à fonctionner sur le côté gauche. 20 Les Figures 7A et 7B illustrent la zone de fonctionnement avec k = 0,33 (Figure 7A) et k = 0,66 (Figure 7B). Les principaux facteurs à analyser pour évaluer les performances 25 sont : ® la tension de mode commun, ce qui crée du courant en mode commun et conduit à la défaillance du moteur dans son isolation des enroulements (par conséquent, la vie du moteur peut être raccourcie) ; - le bruit des interférences électromagnétiques, qui dépend fortement de 30 l'évolution du niveau de tension en mode commun ; - le courant zéro en mode continu, qui peut raccourcir l'espérance de vie de la batterie. 3027171 10 Le nombre de commutations dépend du nombre de durées « ON » (fermé) et « OFF » (ouvert) dans un temps de commutation constant, comme montré sur le Tableau 3 suivant. Le nombre de commutations a une relation directe sur les pertes de commutation. 5 Procédé SVM traditionnellle Procédé l'invention selon Réduction perte de Nombre de 6 2 66 % commutations Nouveauté Non Oui Oui Tableau 3 : Nombre de commutations Ainsi, nous voyons que le nombre de commutations a été divisé par trois. 10 Dans les procédés de SVM traditionnels, la tension en mode commun peut atteindre les valeurs de + it2 en raison des vecteurs zéro et + li6 en raison des vecteurs actifs. Les interférences électromagnétiques sont relatives à des changements de niveau de la tension en mode commun qui atteint 1 l c3 dans la 15 meilleure des situations et -21/dc dans la pire des situations. Dans le cadre du 3 procédé selon la présente invention, étant donné qu'on alloue Ts uniquement aux vecteurs actifs, la tension en mode commun peut être limitée à ± li6 et les v3dc interférences électromagnétiques sont le résultat d'un changement de - seulement de la tension en mode commun. Le Tableau 4 suivant fournit un 20 résumé de la tension en mode commun pour chaque procédé. 25 3027171 11 Procédé SVM traditionnelle Procédé selon Réduction de la l'invention tension en mode commun Tension en modecommun Vdc Vdc 66 % maximale + + 2 - 6 Tableau 4 : Tension en mode commun Les Inventeurs de la présente invention ont réalisé des tests et ont remarqué que le procédé selon la présente invention permet clairement de 5 réduire les interférences électromagnétiques. Le Tableau 5 suivant illustre la réduction des interférences électromagnétiques, qui est obtenue grâce au procédé selon la présente invention. 10 Procédé Tension en mode Interférences électromagnétiques maximales dues à la tension en mode commun commun maximale mesurée Procédé selon la 66,6 V 2 * 66.6 présente invention T., SVM traditionnelle 190 V 2 * 190 n Amélioration Réduction de 65 % Réduction Tableau 5: Tension en mode commun et interférences électromagnétiques Le procédé selon la présente invention permet également de réduire la 15 température de l'onduleur. La Figure 8 et le Tableau 6 ci-dessous illustrent des résultats obtenus concernant la température de l'onduleur. 20 3027171 12 Temps de fonctionnement (minutes) Température avec SVM traditionnels (centigrade) Température avec procédé selon l'invention (centigrade) 0 31 31,1 1 33,6 32,5 2 36,7 33,8 3 37,8 35 4 39,3 35,7 5 41,1 36,6 6 42,5 37,2 7 44 38,2 8 44,9 38,7 9 45,9 39,1 10 47,4 39,8 11 48,2 40,3 12 49 44,9 13 49,4 41,3 Tableau 6 : Température de l'onduleur Les performances de l'onduleur sont notamment définies le rendement 5 comme le rapport entre la puissance de sortie en mode alternatif de l'onduleur (en valeur efficace) et la puissance d'entrée en mode continu qui est imposée comme source d'entrée. Les performances obtenues grâce à la présente invention sont 10 représentées dans le Tableau 7 ci-dessous : 15 3027171 13 Procédé Tension mode continu Courant mode continu Puissance d'entrée Puissance de sortie Rendement SVM 401 Volts 6,78 2718 Watts 2500 Watts 91,4 % traditionnels Ampères Procédé selon 402 Volts 7,29 2930 Watts 2820 Watts 96,7 % l'invention Ampères Ainsi, le rendement du système a été amélioré de plus de 5 %. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet. REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un système comportant au moins un onduleur à six interrupteurs, relié à une batterie, et contrôlé par un processeur, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - allocation d'un temps zéro à deux vecteurs actifs proches prédéterminés, et - détermination d'un nouveau vecteur de référence à partir des deux vecteurs actifs proches, de sorte à éviter que le courant reliant la batterie passe par zéro Ampère. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de modification d'un vecteur circulaire en une autre forme qui, en fonction du rayon d'un vecteur de référence, peut être transférée à la surface d'un hexagone. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de calcul du temps zéro résultant, et une étape d'allocation de ce temps aux vecteurs proches, en allouant k pourcent au premier vecteur à chaque secteur et (1 - k) pourcent au second vecteur, k étant compris entre 0 et 1. 4. Dispositif de commande d'un système comportant au moins un onduleur à six interrupteurs, relié à une batterie, et contrôlé par un processeur, caractérisé en ce qu'il comporte : - des moyens pour allouer un temps zéro à deux vecteurs actifs proches prédéterminés, et - des moyens pour déterminer un nouveau vecteur de référence à partir des deux vecteurs actifs proches, de sorte à éviter que le courant reliant la batterie passe par zéro Ampère au moyen d'une logique de commande appropriée.