Brevet FR3040569A1 — publié le 20170303

UTILISATION D'UN SYSTEME DE COMMANDE D'UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE POLYPHASEE COMPORTANT DES MOYENS DE COURT- CIRCUIT DE PHASE, ET UTILISATION DE LA MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE CORRESPONDANTE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION. La présente invention concerne une utilisation d'un système de commande d'une machine électrique tournante polyphasée comportant des moyens de court-circuit de phase, ainsi qu'une utilisation de la machine électrique tournante 10 correspondante dans un véhicule automobile. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION. Dans un véhicule automobile, un réseau de bord sert à alimenter les différents équipements électriques dont est équipé le véhicule. L'alimentation est 15 fournie par au moins une batterie. Celle-ci est rechargée grâce à une machine électrique tournante, à partir de l'énergie fournie par la rotation du moteur thermique du véhicule. Par machine électrique tournante, on entend de façon plus générale toute machine électrique tournante polyphasée utilisée pour la production de courant continu alimentant le réseau de bord. Il peut en particulier s'agir d'un 20 alternateur ou encore d'un alterno-démarreur. En cas de déconnexion brutale d'une charge électrique du réseau de bord, ou d'une batterie, ou des deux, il se crée un phénomène de délestage de charge ("load-dump" en anglais), qui occasionne une surtension sur le réseau de bord. En effet, une régulation d'un courant inducteur dans la machine ne pouvant agir assez 25 rapidement à la suite du délestage de charge, la machine continue à délivrer le même courant de sortie alors que la consommation en courant du côté du réseau de bord a chuté. Classiquement, la batterie du véhicule est une batterie 12 volts. En principe, grâce à sa faible résistance interne, elle limite à environ 17 volts les pics de tension 30 qui se produisent sur le réseau de bord du véhicule en cas de délestage de charge. Cette batterie absorbe ainsi les petites surtensions. Néanmoins, en cas de déconnexion de la batterie (due à la rupture d'un câble d'alimentation, par exemple), une surtension très élevée peut se produire sur le réseau de bord. En effet, le courant délivré par la machine charge les capacités (y compris les 3040569 - 2 - capacités parasites) reliées au réseau de bord, et par conséquent fait monter de façon importante une tension continue sur le réseau de bord. Cette surtension risque d'endommager les équipements électriques alimentés par le réseau de bord. C'est pourquoi tous les équipements électriques 5 du véhicule sont dimensionnés pour résister à une tension maximale d'environ 32 volts, ce qui correspond à une surtension d'environ 20 volts. On connaît diverses solutions permettant de limiter la tension sur le réseau de bord à une tension maximale admissible, c'est-à-dire la tension la plus élevée que peuvent supporter les équipements électriques du véhicule sans risque 10 d'endommagement. La solution exposée dans l'article "A New Design for Automotive Alternators", par D.J. Perreault at al., publié dans les actes du congrès "2000 International Congress on Transportation Electronics (Convergence 2000), Detroit, MI, Oct. 2000, pp. 583-594, consiste à bloquer à l'état passant au moins l'un des 15 transistors en commutation d'un redresseur à découpage. De ce fait, au moins l'un des enroulements de phases est court-circuité. Le court-circuit est maintenu et l'excitation de la machine est diminuée jusqu'au moment où la tension est revenue à un niveau acceptable. Cette méthode simple de suppression des transitoires dues à un délestage 20 de charge présente toutefois des inconvénients: - l'alimentation des équipements connectés au réseau de bord n'est pas garantie du fait que l'excitation n'est pas maintenue; - la protection électrique et thermique des éléments semi-conducteurs du circuit de redressement n'est pas assurée. 25 Dans la demande de brevet FR2975241, la société VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR divulgue un procédé de commande d'une machine électrique tournante polyphasée fonctionnant en génératrice palliant ces inconvénients. Ce procédé consiste à court-circuiter au moins un enroulement de phase en 30 cas de délestage de charge quand une mesure d'une tension du réseau dépasse une valeur de seuil prédéterminée et qu'un courant de phase dans cet enroulement de phase s'annule et change de sens, de manière à limiter la surtension plus rapidement que par la régulation du courant inducteur. Ce procédé, et le système de commande d'une machine électrique 35 tournante polyphasée le mettant en oeuvre, ayant donné entière satisfaction en cas 3040569 -3- de délestage de charge, l'entité inventive a jugé opportun de généraliser son usage. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION. La présente invention vise donc une utilisation d'un système de commande 5 d'une machine électrique tournante polyphasée comportant des moyens de court-circuit de phase. La machine dont il s'agit est accouplée mécaniquement à un moteur thermique d'un véhicule automobile et fonctionne en génératrice reliée à un réseau électrique de bord du véhicule. Les moyens de court-circuit de phase court-circuitent au moins un enroulement de phase quand une mesure d'une tension du réseau, qui est régulée par un dispositif de régulation de cette machine, dépasse une valeur de seuil prédéterminée et qu'un courant de phase dans cet enroulement de phase s'annule et change de sens. Selon l'invention, le système de commande limite de manière générale une surtension sur le réseau due à un évènement différent d'un délestage de charge. Selon l'invention, on utilise ce système de commande avec une machine électrique tournante polyphasée qui comprend en outre un circuit d'excitation alimenté par un module d'excitation produisant un courant d'excitation modulé en largeur d'impulsion, et l'évènement considéré est un défaut du module d'excitation et/ ou du circuit d'excitation. Selon l'invention encore, on utilise alternativement ce système de commande avec une machine électrique tournante polyphasée qui comprend en outre un circuit d'excitation alimenté par un module d'excitation produisant un courant d'excitation modulé en largeur d'impulsion et une boucle de régulation du dispositif de régulation déterminant un rapport cyclique du courant d'excitation en fonction de la tension de sortie, et l'évènement considéré est un défaut de cette boucle de régulation. Une autre utilisation de ce système de commande d'une machine électrique 30 tournante polyphasée comportant des moyens de court-circuit de phase est avantageuse quand l'évènement en question est un démarrage assisté du moteur thermique. Une autre utilisation encore de ce système de commande d'une machine électrique tournante polyphasée comportant des moyens de court-circuit de phase 35 est également avantageuse quand l'évènement en question est un surrégime ou un 3040569 4 emballement du moteur thermique. Selon l'invention, on tire bénéfice d'une utilisation d'un système de commande d'une machine électrique tournante polyphasée comportant des moyens de court-circuit de phase pour les évènement ci-dessus avec la machine 5 qui comprend en outre: - un circuit de redressement synchrone présentant une pluralité de branches comprenant chacune au moins un interrupteur connecté à l'enroulement de phase; - un circuit électronique de commande ouvrant ou fermant cet interrupteur au moyen d'une commande de synchronisation; 10 tandis que le système de commande comprend en outre un bloc de commande associé à l'interrupteur formant les moyens de court-circuit de phase et générant un signal de commutation fermant l'interrupteur. Ce bloc de commande comprend: - un module de détection de surtension générant un signal de surtension 15 représentatif de la présence de la surtension sur le réseau pendant un premier temps prédéterminé; - un module de détection de passage par zéro générant un signal de passage par zéro représentatif de l'annulation du courant de phase; - une porte logique ET générant une commande de court-circuit en sortie à partir du 20 signal de surtension et du signal de passage par zéro en entrée; - un module de validation générant une commande de court-circuit validée en autorisant l'arrêt de, ou inhibant, la commande de court-circuit en fonction d'un deuxième temps prédéterminé inférieur à un premier délai nécessaire à une détection d'un défaut de phase par le dispositif de régulation, et en fonction d'un 25 troisième temps prédéterminé supérieur à un second délai nécessaire à une réinitialisation de ce dispositif de régulation; - une porte logique OU générant le signal de commutation en sortie à partir de la commande de court-circuit validée et de la commande de synchronisation. Dans cette utilisation, le module de validation comprend un compteur 30 comptant à une fréquence d'horloge prédéterminée pendant le deuxième temps prédéterminé et décomptant à cette fréquence d'horloge pendant le troisième temps prédéterminé. Dans cette utilisation encore, le bloc de commande comprend en outre une mémoire comprenant des instructions représentatives d'un traitement spécifique de 35 l'évènement. 3040569 - 5 - Dans toutes les utilisations visées d'un système de commande d'une machine électrique tournante polyphasée comportant des moyens de court-circuit de phase, ce système de commande comprend en outre un module de filtrage de la tension de sortie présentant une constante de temps prédéterminée. 5 L'invention concerne également une utilisation d'une machine électrique tournante polyphasée comprenant un système de commande comportant des moyens de court-circuit de phase, cette machine du type à excitation étant accouplée mécaniquement à un moteur thermique d'un véhicule automobile et fonctionnant en génératrice reliée à un réseau électrique de bord de ce véhicule. 10 Ces moyens de court-circuit de phase court-circuitent au moins un enroulement de phase quand une mesure d'une tension du réseau, régulée par un dispositif de régulation, dépasse une valeur de seuil prédéterminée et qu'un courant de phase dans cet enroulement de phase s'annule et change de sens. Selon l'invention, cette machine permet alors de protéger des équipements 15 électriques connectés au réseau en cas d'une surtension sur ce réseau due à un évènement différent d'un délestage de charge, notamment une défaillance d'un circuit d'excitation ou du dispositif de régulation, un démarrage assisté de type "jump start", un surrégime ou un emballement du moteur thermique du véhicule. Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme 20 de métier les avantages apportés par l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte 25 une limitation de la portée de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS. La Figure 1 présente un exemple d'utilisation selon l'invention d'une machine électrique tournante polyphasée comprenant un système de commande comportant 30 des moyens de court-circuit de phase dans un véhicule automobile. La Figure 2 est un schéma de principe d'un système de commande d'une machine électrique tournante polyphasée comportant des moyens de court-circuit de phase connu de l'état de la technique et utilisé dans l'application montrée sur la Figure 1. 35 La Figure 3 est un schéma de principe d'un bloc de commande connu de 3040569 - 6 - l'état de la technique du système de commande montré sur la Figure 2. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION. Les utilisations du système de commande d'une machine électrique 5 tournante polyphasée comportant des moyens de court-circuit de phase, tel que décrit dans la demande de brevet antérieure de l'entité inventive, et visées par l'invention, correspondent à une machine électrique tournante polyphasée 1, de type alternateur ou alterno-démarreur, alimentant un réseau électrique de bord 2 connecté à une batterie 3. 10 Il s'agit de préférence d'une machine à excitation 1, dont un rotor 4 est accouplé mécaniquement 5 à un moteur thermique 6 du véhicule. Le rotor 4 comprend un circuit d'excitation 7 qui est parcouru par un courant d'excitation lexc créant de manière connue dans un stator 8 présentant un nombre n d'enroulements de phases 9 plusieurs courants de phases Icai , Io2, Ieg, Ion (n est 15 de préférence égal à 3 tel que représenté sur la Figure 1, mais peut être égal à un). La machine 1 comprend un circuit de redressement synchrone 10 connecté aux enroulement de phases 9 pour redresser les courants de phases Tot 11)2, 11)3, Ion afin d'alimenter en tension continue 13+ le réseau de bord 2 et charger la batterie 3. 20 La tension continue 13+ est régulée par un dispositif de régulation 11 d'une unité de contrôle électronique 12 contrôlant, éventuellement en fonction d'une vitesse de rotation du rotor 4 déterminée par un capteur de vitesse 13 et d'informations échangées avec un boîtier d'interface du moteur thermique 6, un rapport cyclique du courant d'excitation lexc produit par un module d'excitation 14. 25 Selon un agencement connu représenté sur la Figure 2, le circuit de redressement synchrone 10 présente des branches comprenant chacune des interrupteurs pilotables 15 reliant, d'une part, les enroulements de phases 9 au pôle positif 13+ de la batterie 3 (commutateurs HS1, HS2, HSn du côté "high-side"), et, d'autre part, au pôle négatif B- de la batterie 3 (commutateurs LS1, LS2, LSn du côté "low-side"), En fonctionnement normal de la génératrice, un circuit électronique de commande 16 de l'unité de contrôle électronique 12 ferme et ouvre alternativement les commutateurs "high-side" et "low-side" 15, selon un mode de fonctionnement connu d'un redresseur synchrone 10, au moyen de commandes de 3040569 7 synchronisation O. En cas de surtension sur le réseau de bord 2, on court-circuite un ou plusieurs enroulements de phases 9, simultanément ou de manière synchrone. Le court-circuit est réalisé indifféremment, soit à partir des commandes de 5 synchronisation O des interrupteurs 'low-side" LSoi , LSO2, LSOn (court-circuit de n phases par rapport au potentiel 13), soit à partir des commandes de synchronisation O des interrupteurs "high-side" HSoi , HSO2, HSOn (court-circuit de n phases par rapport au potentiel 13+). La tension 13±F utilisée pour la détection de surtension est la tension continue 10 13+ que l'on filtre au moyen d'un module de filtrage 17 pour s'affranchir de l'ondulation de tension due au redressement et afin d'éviter les court-circuitages intempestifs des « n » phases de la machine. Suivant la structure du système, cette mesure est : - Unique. Dans ce cas un signal de commutation SoR des « n » composants 15 pilotables, générée à partir des commandes de synchronisation O, est quasiment synchrone. - Plurielle. Dans ce cas le signal de commutation SoR des « n » composants pilotables est asynchrone et dépend à la fois de la structure du système et des tolérances des composants qui permettent les « n » détections de surtension que le 20 système comporte. Dans le système de commande de la machine 1 qu'utilise l'invention, il est rappelé que le court-circuit est commandé quand cette mesure dépasse une valeur de seuil prédéterminée et qu'un courant de phase Icy , Io2, Ieg, Ion dans l'enroulement de phase 9 s'annule et change de sens. 25 Comme le montre la Figure 2, le signal de commutation SOR de chaque interrupteur 15 est élaboré par un bloc de commande 18, dont les détails sont représentés sur la Figure 3, à partir des commandes de synchronisation O. Il va de soi que seuls les blocs de commande 18 "low-side" ou les blocs de commandes 18 "high-side" (représentés en pointillés) existent, selon que le court-30 circuit des enroulements de phases 9 est réalisé par rapport au B- ou au 13+, respectivement. Ce bloc de commande 18 comprend un module de détection de surtension 19 générant un signal de surtension SA représentatif d'une présence d'une surtension sur le réseau 2 pendant un premier temps prédéterminé, dont le 35 fonctionnement ne sera pas détaillé ici. 3040569 - 8 - Le bloc de commande 18 comprend également un module de détection de passage par zéro 20 du courant de phase Tot 11)2, Ica3, Ion, qui génère un signal de passage par zéro SB. Plusieurs méthodes sont utilisables pour détecter la variation du courant de 5 phase Icai , Ica2, Ica3, Ion, notamment une mesure directe du courant de phase Tot 11)2, 11)3, Ion. De préférence, le bloc de détection de passage par zéro 20 utilise une chute de tension Vds aux bornes de l'interrupteur 15 que l'on pilote. Ainsi que cela a été indiqué, on utilise le principe général qui consiste à 10 générer une commande de court-circuit SAND d'un enroulement de phase 9 quand la surtension est détectée sur le réseau de bord 2 et quand le courant de phase Ie, 11)2,11)3, Ion s'annule et change de sens. Comme le montre bien la Figure 3, le bloc de commande 18 comprend donc une porte logique ET 21 qui génère cette commande de court-circuit SAND à partir 15 du signal de surtension SA et du signal de passage par zéro SB en entrée. Cette commande de court-circuit SAND de court-circuit SA n'est pas directement appliquée sur l'interrupteur 15, mais est validée, arrêtée ou inhibée par un module de validation 22 du bloc de commande 18. Une telle caractéristique apportant de nombreux avantages quand la 20 surtension est due à un délestage de charge, de nombreux essais ont conduit l'entité inventive à utiliser le système de commande 10 d'une machine électrique tournante 1 ayant cette caractéristique également pour limiter des surtensions ayant des causes différentes. Dans le domaine de l'automobile, l'homme du métier connaît plusieurs 25 évènements, outre un délestage de charge, responsables de surtensions sur le réseau de bord d'un véhicule automobile qui ne peuvent pas être compensées par le dispositif de régulation 11 de la machine 1, soit parce qu'elles se produisent trop rapidement, soit parce qu'elles sont trop importantes, soit à cause d'un défaut du dispositif de régulation 11 lui-même. 30 Un évènement de ce type est une défaillance du module d'excitation 14 ou une panne d'une boucle de régulation du dispositif de régulation 11 qui laisse l'excitation "plein champ". Dans ce cas, la tension continue 13+ ne peut plus être régulée, et la seule façon de limiter la surtension sur le réseau 2 est d'utiliser le système de commande 10 permettant de court-circuiter les phases 9. Un évènement extérieur pouvant produire une surtension sur le réseau 3040569 - 9 - électrique de bord 2 est un démarrage assisté du moteur thermique 6 par une batterie extérieure connectée par des câbles à la batterie 3, surtout si cette batterie extérieure est une batterie de bord d'un autre véhicule dont le propre moteur thermique tourne (circonstance de "jump start", en anglais). L'utilisation du système 5 de commande 10 court-circuitant les phases 9 en cas de surtension permet de protéger les équipements connectés sur le réseau 2 sans qu'il soit nécessaire à un constructeur d'automobiles de prévoir des bornes de connexion au réseau 2 dédiées au "jump start". Un autre évènement susceptible de produire une surtension sur le réseau 10 électrique de bord est un brusque surrégime ou un emballement du moteur thermique dus à une cause mécanique. Dans ce cas, une annulation du courant d'excitation par le dispositif de régulation 11, déclenchée par une détection du surrégime ou de l'emballement par le capteur de vitesse de rotation 13, peut ne pas être suffisante pour éviter une surtension si le rotor comporte des aimants 15 interpolaires. L'utilisation du système de commande 10 court-circuitant les phases 9 dans cette situation permet également de protéger les équipements connectés sur le réseau 2 sans qu'il soit nécessaire au constructeur d'automobiles de prévoir un mécanisme de désaccouplement mécanique de la machine électrique 2 du moteur thermique 6. 20 Compte tenu des résultats des essais réalisés par l'entité inventive, le module de commande 16 comprend par conséquent ce module de validation 22 qui a pour but d'éviter des fausses détections de "défaut de phase" dans ces nombreuses circonstances par le dispositif de régulation 11 de la tension continue 13+ de la machine 1 en limitant la durée de la commande de court-circuit SAND à un 25 deuxième temps prédéterminé. Ce deuxième temps prédéterminé est inférieur à un premier délai nécessaire à une détection de ce défaut par le dispositif de régulation 11. Afin de permettre au dispositif de régulation 11 de la machine 1 de se réinitialiser correctement après un forçage de l'arrêt de la commande de court- 30 circuit validée Sc, la commande de court-circuit SAND est inhibée pendant un troisième temps prédéterminé. Ce troisième temps prédéterminé est supérieur à un second délai nécessaire à la réinitialisation. Dans le module de validation 22, les deuxième et troisième temps prédéterminés sont comptés respectivement par un compteur et un décompteur à 35 une même fréquence d'horloge. 3040569 - 10 - Une porte logique OU 23 du bloc de commande 18 superpose la commande de court-circuit validée Sc à la commande de synchronisation O issue du circuit électronique de commande 16 pour générer le signal de commutation S0R appliquée sur les interrupteurs 15. 5 De manière connue en soi les blocs de commandes 18 sont de préférence réalisés au moyen d'un microcontrôleur ou d'un ASIC spécifique à l'utilisation. Dans le cas d'une implémentation par un microcontrôleur, une mémoire 24 comprend avantageusement les instructions représentatives d'un traitement spécifique aux différents évènements générateurs des surtensions. 10 Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seuls modes d'exécution préférentiels décrits ci-dessus. L'invention embrasse donc au contraire toutes les variantes possibles de réalisation qui resteraient dans le cadre défini par les revendications ci-après. REVENDICATIONS1) Machine électrique tournante polyphasée (1) comprenant un système de commande (10) comportant des moyens de court-circuit de phase (15, 18), ladite 5 machine (1) du type à excitation étant accouplée mécaniquement à un moteur thermique (6) d'un véhicule automobile et fonctionnant en génératrice reliée à un réseau électrique de bord (2) dudit véhicule, lesdits moyens de court-circuit de phase (15, 18) court-circuitant au moins un enroulement de phase (9) quand une mesure d'une tension continue (B+) dudit réseau (2) régulée par un dispositif de 10 régulation (11) dépasse une valeur de seuil prédéterminée et qu'un courant de phase (ID1, IcD2, IcD3, IcDn) dans ledit enroulement de phase (9) s'annule et change de sens, caractérisée en ce que ladite machine (1) protège, à l'aide desdits moyens de court-circuit de phase (15, 18), des équipements électriques connectés audit réseau (2) en cas d'une surtension sur ledit réseau (2) due au moins à un évènement parmi 15 les suivants: une défaillance d'un circuit d'excitation (7), une défaillance dudit dispositif de régulation (11), un démarrage assisté de type lump start", un surrégime, un emballement dudit moteur thermique (6). 2) Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre: 20, - un circuit de redressement synchrone (10) présentant une pluralité de branches comprenant chacune au moins un interrupteur (15) connecté audit enroulement de phase (9); - un circuit électronique de commande (16) ouvrant ou fermant ledit interrupteur (15) au moyen d'une commande de synchronisation (0); 25 et en ce que ledit système de commande (10) comprend en outre un bloc de commande (18) associé audit interrupteur (15) formant lesdits moyens de court-circuit de phase (15, 18) et générant un signal de commutation (So) fermant ledit interrupteur (15), ledit bloc de commande (18) comprenant: - un module de détection de surtension (19) générant un signal de surtension (SA) 30 représentatif de la présence de ladite surtension sur ledit réseau (2) pendant un premier temps prédéterminé; - un module de détection de passage par zéro (20) générant un signal de passage par zéro (SB) représentatif de l'annulation dudit courant de phase (IcD1, IcD2, IcD3, Ion); - une porte logique ET (21) générant une commande de court-circuit (SAND) en 3040569 12 sortie à partir dudit signal de surtension (SA) et dudit signal de passage par zéro (SB) en entrée; - un module de validation (22) générant une commande de court-circuit validée (Sc) en autorisant l'arrêt de, ou inhibant, ladite commande de court-circuit (SAND) en 5 fonction d'un deuxième temps prédéterminé inférieur à un premier délai nécessaire à une détection d'un défaut de phase par ledit dispositif de régulation (11), et en fonction d'un troisième temps prédéterminé supérieur à un second délai nécessaire à une réinitialisation dudit dispositif de régulation (11); - une porte logique OU (23) générant ledit signal de commutation (SoR) en sortie à 10 partir de ladite commande de court-circuit validée (Sc) et de ladite commande de synchronisation (0). 3) Machine selon la revendication 2 précédente, caractérisée en ce que ledit module de validation (22) comprend un compteur comptant à une fréquence 15 d'horloge prédéterminée pendant ledit deuxième temps prédéterminé et décomptant à ladite fréquence d'horloge pendant ledit troisième temps prédéterminé. 4) Machine selon la revendication 2 ou 3 précédente, caractérisée en ce que ledit 20 bloc de commande (18) comprend en outre une mémoire (24) comprenant des instructions représentatives d'un traitement spécifique dudit évènement. 5) Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 précédentes, caractérisée en ce que ledit système de commande (10) comprend en outre un 25 module de filtrage (17) de ladite tension continue (E3÷) dudit réseau (2) présentant une constante de temps prédéterminée.