Brevet FR3038469A1 — publié le 20170106

Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de commande mis en oeuvre dans un variateur de vitesse pour le démarrage d'un moteur électrique connecté audit variateur de vitesse. Le procédé de commande s'applique au démarrage d'un moteur électrique synchrone et permet d'aligner le rotor de ce moteur avec une position de référence. Etat de la technique Il existe un grand nombre de méthodes différentes mises en oeuvre dans un variateur de vitesse pour déterminer la position initiale du rotor d'un moteur électrique synchrone à aimant permanent. De manière connue, un variateur de vitesse comporte un module redresseur qui fournit une tension continue à partir d'un réseau d'alimentation alternatif extérieur et un module onduleur (ou hacheur). Ce module onduleur comprend des composants électroniques semi-conducteurs de puissance pour hacher la tension continue en Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI ou Pulse Width Modulation PWM), de façon à fournir en sortie via un câble de puissance une tension électrique variable pulsée et une fréquence de rotation variable au moteur. Un dispositif de commande du variateur contrôle la conduction et le blocage des composants semi-conducteurs à la fréquence d'échantillonnage, pour commander le moteur en MLI avec une tension variable appropriée. Un variateur de vitesse fonctionnant en boucle fermée pour la commande d'un moteur synchrone à aimants permanents utilise généralement un capteur de position absolue du rotor. Cependant, ce type de capteur présente un coût particulièrement élevé et des problèmes de fiabilité (nécessité d'un câble supplémentaire, sensibilité au bruit électromagnétique ...). Il est donc connu du document JP1060287 d'utiliser un encodeur incrémentai pour connaître la position relative du rotor. Cependant l'emploi d'un encodeur incrémentai nécessite de connaître la position initiale du rotor. Le document US 7,202,618 propose une solution qui est mise en oeuvre dans un variateur de vitesse pour déterminer la position initiale du rotor dans un moteur électrique triphasé. Cette solution consiste à envoyer des impulsions de tension sur chacune des phases du moteur pendant une période déterminée et à déterminer les pics de courants ayant circulés dans les phases du moteur. Ensuite, par comparaison entre les courants obtenus pour chaque phase et à partir de relations entre les courants, la position initiale du rotor peut être obtenue sans calcul. Dans une variante, 3038469 2 des tables mémorisées permettent de déterminer sans calcul la position initiale du rotor. Dans ce document, la position initiale du rotor est certes obtenue sans calcul mais les différentes solutions proposées sont complexes et longues à mettre en oeuvre à chaque démarrage du moteur. De plus, ces méthodes sont basées sur des effets 5 secondaires du moteur (saturation magnétique, saillance ...). Cependant, il y a des moteurs qui n'ont pas suffisamment de saillance et d'autres où la saturation magnétique n'a pas l'effet attendu. Ces méthodes antérieures peuvent donc s'avérer défaillantes. Le but de l'invention est de proposer un procédé de commande d'un moteur 10 électrique synchrone qui permette un alignement du rotor soit simple, fiable et sans contrainte en termes de durée d'alignement et de couple appliqué au démarrage. Ce procédé est basé sur le modèle fondamental du moteur et n'utilise pas les effets secondaires ou non linéaire. Ainsi il est robuste et applicable à tous les types de moteurs synchrones (avec aimant à l'intérieur du rotor - IPM, avec aimant sur la 15 surface du rotor - SPM ou moteur à reluctance variable - SynRM). Exposé de l'invention Ce but est atteint par un procédé de commande mis en oeuvre dans un variateur de vitesse pour le démarrage d'un moteur électrique synchrone doté d'un 20 rotor et connecté par des phases de sortie audit variateur de vitesse, ledit procédé comprenant des étapes de : - application en entrée d'une vitesse de référence suivant un profil de vitesse prédéfini, ledit profil de vitesse étant au moins continu et comportant une valeur initiale nulle, au moins une valeur non nulle afin de 25 faire tourner le rotor dudit moteur et une valeur finale nulle, - détermination d'une position de référence à partir de la vitesse de référence appliquée en entrée, - détermination d'une tension dans un repère tournant à la vitesse du moteur électrique, à partir de la vitesse de référence appliquée en entrée, 30 - détermination de tensions de commande à appliquer sur chaque phase de sortie en fonction d'une part de la position de référence déterminée et d'autre part de ladite tension déterminée dans le repère tournant, - application des tensions de commande sur chaque phase de sortie pour obtenir un alignement de la position du rotor dudit moteur sur la position 35 de référence. 3038469 3 Selon un premier mode de réalisation, l'étape de détermination de la tension dans le repère tournant est réalisée avec contrôle du courant et consiste à: - mesurer les courants circulant sur les phases de sortie, - transformer ces courants mesurés sur les trois phases de sortie en 5 courant de flux mesuré et courant de couple mesuré, - déterminer un courant de flux de référence et un courant de couple de référence à partir de la vitesse de référence injectée en entrée, - déterminer la tension dans le repère tournant grâce à un régulateur à action proportionnelle intégrale recevant en entrée le courant de flux 10 mesuré, le courant de couple mesuré, le courant de flux de référence et le courant de couple de référence. Selon un deuxième mode de réalisation, l'étape de détermination de la tension dans le repère tournant est réalisée sans contrôle du courant en appliquant une loi de commande de type U/F. 15 L'invention concerne également un système de commande agencé dans un variateur de vitesse pour le démarrage d'un moteur électrique synchrone doté d'un rotor et connecté par des phases de sortie audit variateur de vitesse, ledit système comprenant : 20 - un module d'application en entrée d'une vitesse de référence (ws) suivant un profil de vitesse prédéfini, ledit profil de vitesse étant au moins continu et comportant une valeur initiale nulle, au moins une valeur non nulle afin de faire tourner le rotor dudit moteur et une valeur finale nulle, - un module de détermination d'une position de référence (Os) à partir de la 25 vitesse de référence appliquée en entrée, - un module de détermination d'une tension (Vdq) dans un repère tournant à la vitesse du moteur électrique, à partir de la vitesse de référence appliquée en entrée, - un module de détermination de tensions de commande (Va, Vb, Vc) à 30 appliquer sur chaque phase de sortie en fonction d'une part de la position de référence déterminée et d'autre part de ladite tension déterminée dans le repère tournant, 3038469 4 - un module d'application des tensions de commande sur chaque phase de sortie pour obtenir un alignement de la position du rotor dudit moteur sur la position de référence. 5 Selon une première variante de réalisation, le module de détermination de la tension dans le repère tournant est mis en oeuvre avec contrôle du courant et comporte : - un module de mesure des courants circulant sur les phases de sortie, - un module de transformation des courants mesurés sur les trois phases de 10 sortie en courant de flux mesuré et courant de couple mesuré, - un module de détermination d'un courant de flux de référence et d'un courant de couple de référence à partir de la vitesse de référence injectée en entrée, - un module de détermination de la tension dans le repère tournant grâce à 15 un régulateur à action proportionnelle intégrale recevant en entrée le courant de flux mesuré, le courant de couple mesuré, le courant de flux de référence et le courant de couple de référence. Selon un deuxième mode de réalisation, le module de détermination de la tension dans le repère tournant est mis en oeuvre sans contrôle du courant en 20 appliquant une loi de commande de type U/F. 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 : 25 - la figure 1 représente le schéma d'un variateur de vitesse connecté à un moteur électrique synchrone, . la figure 2 représente de manière schématique le synoptique du procédé de commande de l'invention, . la figure 3 illustre la représentation vectorielle d'un moteur synchrone dans 30 un repère tournant, . les figures 4A à 4D illustrent des résultats de simulation pour une première situation de fonctionnement, . les figures 5A à 5D illustrent des résultats de simulation pour une deuxième situation de fonctionnement, 3038469 5 . les figures 6A à 6D illustrent des résultats de simulation pour une troisième situation de fonctionnement. 5 Description détaillée d'au moins un mode de réalisation Le procédé de commande de l'invention est mis en oeuvre dans un variateur de vitesse pour le démarrage d'un moteur électrique synchrone. Le procédé de commande s'applique pour tout moteur électrique synchrone, par exemple de type à réluctance variable, à aimant permanent lisse ou saillant,... 10 En référence à la figure 1, le variateur de vitesse est connecté en amont à un réseau de distribution électrique N par trois phases d'entrée R, S, T. De manière connue, le variateur de vitesse comporte un étage d'entrée composé d'un redresseur REC, par exemple de type pont de diodes, agencé pour redresser la tension alternative fournie par le réseau N. Le variateur de vitesse comporte également un bus continu 15 d'alimentation connecté au redresseur et comprenant deux lignes d'alimentation reliées entre elles par un ou plusieurs condensateurs de bus. Le variateur de vitesse comporte également un étage de sortie composé d'un onduleur INV recevant une tension continue fournie par le bus continu d'alimentation et commandé pour fournir des tensions variables en sortie au moteur électrique M synchrone, sur trois phases de 20 sortie a, b, c. De manière connue, l'unité de commande UC du variateur de vitesse met en oeuvre une loi de commande principale L pour commander l'onduleur et déterminer les tensions de sortie nécessaires au fonctionnement du moteur électrique M (bloc B1 sur la figure 1). Classiquement, cette loi de commande principale L comporte en entrée 25 une vitesse de référence wref à partir de laquelle elle détermine un courant de couple de référence (non représenté). Elle reçoit également en entrée un courant de flux de référence ldref. A partir du courant de couple de référence et du courant de flux de référence et des mesures ou estimations du courant de flux Id et du courant de couple lq, elle détermine des tensions de référence Vdref, Vcref à partir desquelles sont 30 déterminées les tensions simples Va, Vb, Vc à appliquer sur chaque phase de sortie (bloc B2). Au démarrage du moteur électrique M synchrone, la position du rotor est inconnue de l'unité de commande UC du variateur de vitesse empêchant la mise en oeuvre de la loi de commande principale L. Au démarrage du moteur électrique M 35 synchrone, une séquence spécifique doit être mise en oeuvre pour aligner le rotor sur 3038469 6 une position connue. Le procédé de commande de l'invention permet de créer une séquence de démarrage (ST, figure 2) en rotation du moteur. Pour le démarrage du moteur électrique synchrone, le procédé de commande de l'invention se substitue ainsi à la loi de commande principale L. 5 En référence à la figure 2, le procédé de commande de l'invention, mis en oeuvre dans l'unité de commande UC pour le démarrage du moteur électrique synchrone, consiste à appliquer en entrée une vitesse de référence ws qui suit un profil prédéfini généré par un module spécifique (bloc B3). Dans le cadre de l'invention, le profil prédéfini répond à certaines contraintes qui sont les suivantes : 10 - la courbe du profil suit une fonction continue de classe au moins équivalente à CO, - la vitesse de référence ws initiale est nulle, - la vitesse de référence ws prend au moins une valeur non nulle afin de faire tourner le rotor, 15 - la vitesse de référence finale est nulle. Avantageusement, le profil prédéfini comporte une valeur initiale nulle, suit une pente croissante jusqu'à une valeur maximale, puis une pente décroissante vers une valeur finale nulle. La valeur maximale de vitesse est déterminée en fonction du nombre de tours à appliquer au moteur électrique et de la durée d'alignement 20 souhaitée. La fréquence maximale qui correspond à la valeur maximale de la vitesse appliquée au moteur suit ainsi la relation suivante : 2 RridNI .1D Dans laquelle : - RndNLD est le nombre des tours, 25 1) est la durée totale pour l'alignement, est la fréquence maximale de rotation en Hz - La relation entre la vitesse maximale r et la fréquence maximale D c:.-1 a): est : L7. 30 En référence à la figure 2, à partir de la vitesse de référence qui suit le profil prédéfini décrit ci-dessus, le procédé de commande de l'invention détermine : 3038469 7 - une position de référence Os (bloc B4) vers laquelle la position réelle du rotor doit tendre. La position de référence Os correspond à l'intégrale de la vitesse de référence ws. L'expression de la référence de fréquence fs. est : FDcMax (3 - 2 H3) i t TPw Tpw S Tpw f \ 2 f {FDcMax (1- - 3 C 73"77, )2 + 2 (t-713) mw Tmw 0 si Tpw t Tpw + Tmw sinon - avec la fréquence de référence fs reliée à la vitesse de référence par cos = 27e's , 10 - FDcMax est la valeur maximale de la fréquence de référence, - Tpw est le temps de montée de la fréquence de zéro à FDcMax, - T'w est le temps de descente de la fréquence de FDcMax à zéro. - t est la durée depuis le début de la séquence d'alignement. 15 - La position de référence est obtenue par l'intégrale de la fréquence de référence comme suivant : - Os = fot 2-rrfs(u)du 20 - La tension Vdq (bloc B5) à appliquer au moteur est déterminée avec contrôle ou sans contrôle du courant. En référence à la figure 2, la détermination de la tension de couple et de la 25 tension de flux avec contrôle du courant consiste à: - mesurer les courants ia, ib, ic circulant sur les phases de sortie, - transformer (bloc B6) ces courants mesurés sur les trois phases de sortie en courant de flux et courant de couple, grâce une transformation de Park, - déterminer (bloc B5) un courant de flux de référence idref et un courant de 30 couple de référence iqref à partir de la vitesse de référence injectée en entrée et qui suit le profil prédéfini ci-dessus, 3038469 8 - déterminer (bloc B5) la tension Vdq dans le repère tournant d,q grâce à un régulateur à action proportionnelle intégrale recevant en entrée le courant de flux id mesuré, le courant de couple iq mesuré, le courant de flux de référence idref et le courant de couple de référence iqref. Le courant de flux et le courant de couple de référence s'exprime par la relation suivante : 5 .ref IdqMax idqMax si t REVENDICATIONS1. Procédé de commande mis en oeuvre dans un variateur de vitesse pour le démarrage d'un moteur électrique synchrone (M) doté d'un rotor et connecté par des phases de sortie audit variateur de vitesse, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte des étapes de : - application en entrée d'une vitesse de référence (ws) suivant un profil de vitesse prédéfini, ledit profil de vitesse étant au moins continu et comportant une valeur initiale nulle, au moins une valeur non nulle afin de faire tourner le rotor dudit moteur et une valeur finale nulle, - détermination d'une position de référence (Os) à partir de la vitesse de référence appliquée en entrée, - détermination d'une tension (Vdq) dans un repère tournant à la vitesse du moteur électrique, à partir de la vitesse de référence appliquée en entrée, - détermination de tensions de commande (Va, Vb, Vc) à appliquer sur chaque phase de sortie en fonction d'une part de la position de référence déterminée et d'autre part de ladite tension déterminée dans le repère tournant, - application des tensions de commande (Va, Vb, Vc) sur chaque phase de sortie pour obtenir un alignement de la position du rotor dudit moteur sur la position de référence (Os). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de détermination de la tension dans le repère tournant est réalisée avec contrôle du courant et consiste à: - mesurer les courants (ia, ib, ic) circulant sur les phases de sortie, - transformer ces courants mesurés sur les trois phases de sortie en courant de flux mesuré et courant de couple mesuré, - déterminer un courant de flux de référence (idref) et d'un courant de couple de référence (icref) à partir de la vitesse de référence injectée en entrée, - déterminer la tension dans le repère tournant grâce à un régulateur à action proportionnelle intégrale recevant en entrée le courant de flux (id) 3038469 14 mesuré, le courant de couple (iq) mesuré, le courant de flux de référence (idref) et le courant de couple de référence (icref). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de détermination de la tension dans le repère tournant est réalisée sans contrôle du 5 courant en appliquant une loi de commande de type U/F. 4. Système de commande agencé dans un variateur de vitesse pour le démarrage d'un moteur électrique synchrone (M) doté d'un rotor et connecté par des phases de sortie audit variateur de vitesse, ledit système étant caractérisé en 10 ce qu'il comporte : - un module d'application en entrée d'une vitesse de référence (ws) suivant un profil de vitesse prédéfini, ledit profil de vitesse étant au moins continu et comportant une valeur initiale nulle, au moins une valeur non nulle afin de faire tourner le rotor dudit moteur et une valeur finale nulle, 15 - un module de détermination d'une position de référence (Os) à partir de la vitesse de référence appliquée en entrée, - un module de détermination d'une tension (Vdq) dans un repère tournant à la vitesse du moteur électrique, à partir de la vitesse de référence appliquée en entrée, 20 - un module de détermination de tensions de commande (Va, Vb, Vc) à appliquer sur chaque phase de sortie en fonction d'une part de la position de référence déterminée et d'autre part de ladite tension déterminée dans le repère tournant, - un module d'application des tensions de commande (Va, Vb, Vc) sur 25 chaque phase de sortie pour obtenir un alignement de la position du rotor dudit moteur sur la position de référence (Os). 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le module de détermination de la tension dans le repère tournant est mis en oeuvre avec 30 contrôle du courant et comporte : - un module de mesure des courants (ia, ib, ic) circulant sur les phases de sortie, - un module de transformation des courants mesurés sur les trois phases de sortie en courant de flux mesuré et courant de couple mesuré, 3038469 15 - un module de détermination dun courant de flux de référence (idref) et un courant de couple de référence (icref) à partir de la vitesse de référence injectée en entrée, - un module de détermination de la tension dans le repère tournant grâce à 5 un régulateur à action proportionnelle intégrale recevant en entrée le courant de flux (id) mesuré, le courant de couple (iq) mesuré, le courant de flux de référence (idref) et le courant de couple de référence (icref). 6. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le module de détermination de la tension dans le repère tournant est mis en oeuvre sans 10 contrôle du courant en appliquant une loi de commande de type U/F.