Brevet FR3049409A1 — publié le 20170929

PROCEDE POUR CONTROLER LE FONCTIONNEMENT D'UNE MACHINE SYNCHRONE ALIMENTEE EN COURANT CONTINU, DISPOSITIF DE CONTROLE, MACHINE SYNCHRONE, ET COMPRESSEUR ASSOCIES Domaine technique La présente invention concerne le domaine des moteurs électriques synchrones sans balais, dits par abréviation « machines synchrones » dans la présente demande, alimentés par une source de courant continu et, plus spécifiquement, une méthode pour contrôler le fonctionnement d'une machine synchrone alimentée en courant continu, un dispositif de contrôle, une machine synchrone comprenant ledit dispositif de contrôle et un compresseur comprenant ladite machine synchrone réduisant les pertes par effet Joule. Etat de la technique De nos jours, il est connu d'utiliser des machines électriques synchrones au sein d'un grand nombre de dispositifs tels que des machines à laver (non cette techno n'est pas appliquée pour les machines à laver), des lecteurs de disques durs d'ordinateur, des dispositifs médicaux ou encore des compresseurs. De manière connue, une machine électrique synchrone comprend deux parties concentriques. Ainsi, la machine électrique synchrone comprend une première partie fixe telle qu'un stator. Le stator comprend plusieurs bobinages également nommés enroulements statoriques ou phases d'enroulement localisés sur la périphérie dudit stator. Lorsqu'une source d'énergie électrique alimente successivement les phases d'enroulement du stator, un champ magnétique tournant est généré. La machine électrique synchrone comprend une deuxième partie fixe, telle qu'un rotor, apte à entrer en rotation. Le rotor comprend soit plusieurs enroulements rotoriques, soit des aimants permanents pour produire un champ magnétique. Le stator et le rotor sont séparés par un entrefer. En présence du champ magnétique tournant généré par le stator et du champ magnétique du rotor, le rotor est entrainé en rotation. 3049409 2 Dans une machine synchrone alimentée par une source de courant continu, comme par exemple un compresseur embarqué à bord d'un véhicule automobile, on transforme d'abord le courant continu, issu de la batterie du véhicule automobile dans l'exemple, en courant alternatif triphasé. 5 Pour ce faire, on utilise classiquement un onduleur constitué de transistors pour hacher le courant. Hacher le courant signifie l'interrompre et le rallumer indéfiniment. Les laps de temps où le courant passe sont appelés impulsions. Lorsque la durée des impulsions est réglable, la méthode de hachage est nommée 10 méthode de modulation par la largeur des impulsions MLI (en anglais, pulse width modulation, PWM). Un convertisseur qui fonctionne au moyen d'un signal PWM et qui transforme des grandeurs continues en grandeurs alternatives est plus couramment appelé un 15 onduleur. La largeur des impulsions détermine la tension de contrôle : plus l'impulsion est large plus la tension est élevée. La tension de contrôle peut être sinusoïdale. Il est classique de générer le signal PWM au moyen de transistors bipolaires à grille 20 isolée (en anglais, insulated gate bipolar transistor, IGBT), avec une fréquence de commutation, c'est-à-dire la fréquence où reviennent les impulsions. Cette frequence est de l'ordre de 10 kHz dans ce type d'application. Cependant, les onduleurs qui fonctionnent à cette fréquence de 10 kHz sont à 25 l'origine de dissipation thermique par conduction et par commutation. En particulier lorsque ces onduleurs sont utilisés dans des systèmes de climatisation pour automobiles, la chaleur dissipée par effet Joule contrarie le travail du compresseur et altère son rendement. 30 Quand la fréquence de commutation ou de hachage est de 5 kHz, les pertes dues aux commutations sont moins importantes qu'à 10 kHz. Dans l'art antérieur, cette 3049409 3 stratégie a été appliquée jusqu'à présent quand la température du module de puissance atteint un seuil critique et quand la vitesse du compresseur est faible. Objet de l'invention 5 Selon un premier aspect de l'invention, l'invention concerne une méthode pour contrôler la consommation de puissance d'une machine synchrone adapté pour un compresseur, tel qu'un compresseur adapté pour un système de climatisation automobile, et alimentée par un courant continu transformé par modulation par la 10 largeur des impulsions au moyen de transistors bipolaires à grille isolée, ladite méthode comprenant les étapes suivantes : appliquer une fréquence de commutation de 5 kHz, optimiser le contrôle du compresseur en fonction de ladite fréquence de commutation de 5kHz. 15 De manière préférée, l'étape d'optimiser le contrôle du compresseur comprend le contrôle de la vitesse de rotation de la machine synchrone. De manière préférée, l'étape d'optimiser le contrôle du compresseur comprend le 20 contrôle de la vitesse de rotation de la machine synchrone entre 0 et 4000 tours par minute, de préférence entre 0 et 3000 tours par minute. Selon un deuxième aspect de l'invention, l'invention concerne un dispositif de contrôle adapté pour contrôler la consommation de puissance d'une machine 25 synchrone adapté pour un compresseur, tel qu'un compresseur adapté pour un système de climatisation automobile, et alimentée par un courant continu transformé par modulation par la largeur des impulsions au moyen de transistors bipolaires à grille isolée, et adapté pour appliquer une fréquence de commutation de 5 kHz et pour optimiser le contrôle du compresseur en fonction de ladite 30 fréquence de commutation de 5kHz. 3049409 4 Selon un troisième aspect de l'invention, l'invention concerne une machine synchrone comprenant un dispositif de contrôle mentionnée ci-dessus. Selon un quatrième aspect de l'invention, l'invention concerne un compresseur 5 adapté pour un système de climatisation automobile comprenant une machine synchrone mentionnée ci-dessus. Brève description des dessins 10 L'invention, sa fonctionnalité, ses applications ainsi que ses avantages seront mieux appréhendés à la lecture de la présente description, faite en référence aux figures, dans lesquelles : les figures la, lb, lc et ld montrent le principe de fonctionnement d'un 15 onduleur selon l'art antérieur : la figure la montre l'instant où les impulsions sont déclenchées et la sinusoïde qui traverse les impulsions indique la durée de ces impulsions, la figure lb montre le résultat c'est-à-dire le signal « PWM», la figure lc montre la tension de la source de courant continu, la figure ld montre le courant sinusoïdal obtenu en 20 hachant la tension continue de la batterie au moyen du signal de la figure lb ; les trois phases sont obtenues en déphasant le hachage convenablement ; - les figures 2a et 2b montrent l'obtention d 'une tension moyenne plus ou 25 moins élevée sur un intervalle de temps de trois impulsions ; les figures 3a et 3b montrent les performances obtenues avec un procédé selon la présente invention en ce qui concerne la température des composants de puissance : la figure 3a montre la commutation de la 30 fréquence des IGBT de 5 à 10 kHz et réciproquement, et la figure 2b montre la variation de température des composants de puissance lors de cette commutation ; 3049409 5 la figure 4 montre l'économie d'énergie que permet le procédé selon la présente invention lorsqu'il est appliqué à la machine synchrone qui pilote le compresseur du système de climatisation d'un véhicule 5 automobile. Description détaillée des modes de réalisation La description ci-après a pour but d'exposer l'invention de manière suffisamment 10 claire et complète, notamment à l'aide d'exemples, mais ne doit pas être considérée comme limitant l'étendue de la protection aux modes de réalisation particuliers et aux exemples présentés ci-après. L'invention concerne une machine synchrone (non montrée) pourvue d'un rotor et 15 d'enroulements statoriques et alimentée en courant continu. Le courant d'excitation dans les enroulements est un courant triphasé. Il s'agit donc de transformer le courant continu en courant triphasé à l'aide d'un onduleur en limitant les pertes par commutation. 20 Les figures la, lb, lc, ld, 2a et 2b montrent le principe de fonctionnement d'un onduleur en général. L'onduleur reçoit en entrée la tension Vb d'une source de courant continue telle que la batterie, comme illustré par la figure lc. 25 La figure la présente une première tension de contrôle sous la forme d'une succession de triangles. Chaque triangle est formé d'une pente qui amène la tension de 0 à son maximum, suivie d'un segment vertical qui correspond à la chute brutale de la tension à O. S'il y a 10 000 triangles par seconde dans la première 30 tension de contrôle, on dira que la fréquence de l'onduleur (ou fréquence de commutation ou fréquence de hachage) est de 10 kHz. 3049409 6 La figure la présente une deuxième tension de contrôle sous la forme d'une tension variable et précisément sinusoïdale ; sur la figure 2a, cette tension se présente comme un pallier bas suivi d'un pallier haut. La valeur de la deuxième tension de contrôle à un moment donné détermine la durée de l'impulsion déclenchée à ce 5 moment-là ou, de manière géométrique, sa largeur. Lorsque la première tension de contrôle est à son maximum, le courant passe. Il passe pour une durée déterminée par la valeur de la deuxième tension de contrôle à ce moment-là mais en tout état de cause inférieure à la période de la première 10 tension de contrôle. La figure lb représente la tension Vb ainsi « hachée » ou modulée par la largeur des impulsions (modulation de type PWM). 15 L'onduleur construit une tension dont la valeur instantanée est la valeur moyenne de la tension hachée sur un intervalle de temps donné. Si la deuxième tension de contrôle est sinusoïdale, on obtient ainsi une tension sinusoïdale. En déphasant la deuxième tension de contrôle, on obtient une tension de sortie déphasée d'autant. On peut ainsi construire un signal triphasé comme illustré à la figure ld. 20 On réalise classiquement l'onduleur à base de transistors de type transistors bipolaires à grille isolée (en anglais insulated gate bipolar transistor, IGBT), les plus aptes dans l'art antérieur à fonctionner à des fréquences de l'ordre de 10 kHz. 25 La réduction de la fréquence de commutation à 5 kHz permet de réduire les pertes relatives à cette commutation de l'ordre de 50%. L'application d'une fréquence de commutation de 5kHz permet de contrôler le compresseur entre 0 et 4000 tours par minute (rpm). L'effet de cette application tel 30 que montré sur les figures 3a et 3b est que la température de l'onduleur est au moins de 5°C inférieure à la température observée avec une fréquence de 3049409 7 commutation de 10 kHz. De plus, le contrôle du compresseur à une fréquence de commutation de 5 kHz ne produit pas de nuisances sonores additionnelles. Selon le premier aspect de l'invention, on applique la PWM sinusoïdale à la 5 fréquence de commutation de 5 kHz pour toute température et une vitesse du rotor allant jusqu'à 3000 rpm. L'invention peut être utilisée dans une machine synchrone alimentée en courant continu pour transformer ce courant en courant d'excitation triphasé. Une telle 10 machine synchrone peut avantageusement être montée dans le compresseur d'un système de climatisation pour les véhicules automobiles. La machine synchrone engendre alors moins de nuisances sonores que les machines conformes à l'état de l'art et subira moins de pertes par commutation ce qui contribue à améliorer la performance du compresseur. La réduction de la consommation de puissance du 15 compresseur est illustrée par la figure 4. REVENDICATIONS1. Procédé pour contrôler la consommation de puissance d'une machine synchrone adapté pour un compresseur, tel qu'un compresseur adapté pour un système de climatisation automobile, et alimentée par un courant continu transformé par modulation par la largeur des impulsions au moyen de transistors bipolaires à grille isolée, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : appliquer une fréquence de commutation de 5 kHz, optimiser le contrôle de la vitesse de rotation de la machine synchrone du compresseur en fonction de ladite fréquence de commutation de 5kHz. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape d'optimiser le contrôle du compresseur comprend le contrôle de la vitesse de rotation de la machine synchrone entre 0 et 4000 tours par minute, de préférence entre 0 et 3000 tours par minute. 3. Machine synchrone comprenant : - un rotor ; - une pluralité d'enroulements statoriques ; - un dispositif de contrôle adapté pour contrôler la consommation de puissance d'une machine synchrone adapté pour un compresseur, tel qu'un compresseur adapté pour un système de climatisation automobile, et alimentée par un courant continu transformé par modulation par la largeur des impulsions au moyen de transistors bipolaires à grille isolée, et adapté pour appliquer une fréquence de commutation de 5 kHz et pour optimiser le contrôle du compresseur en fonction de ladite fréquence de commutation de 5kHz., le dispositif étant apte à mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications 1 ou 2. 3049409 9 4. Compresseur adapté pour un système de climatisation automobile comprenant une machine synchrone selon la revendication 3.