Brevet FR3050083A1 — publié le 20171013

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne un dispositif de conversion de puissance continu alternatif (DC/AC) optimisé pour les moteurs à vitesse variable ou à très haute vitesse pour une utilisation dans des applications de type compresseur aéronautique mais aussi pour des applications de type ventilation aéronautique. L'utilisation de moteurs à très haute vitesse, tels que des moteurs fonctionnant à plus de 100 000 tours par minute, permet une 10 réduction significative de l'encombrement et de la masse du moteur ce qui facilite son intégration dans l'équipement. Cependant, l'utilisation de ce type de moteur impose des contraintes importantes sur le convertisseur électronique DC/AC contrôlant le moteur, contraintes que les structures classiques de commande ne 15 peuvent que difficilement relever dans un environnement aéronautique. Traditionnellement, un onduleur à commande sinusoïdale commandé en modulation de largeur d'impulsion (convertisseur DC/AC) est utilisé pour contrôler le courant dans un moteur à vitesse variable. Cette commande nécessite une fréquence de découpage très supérieure à 20 la fréquence électrique du moteur, comme par exemple une fréquence de découpage correspondant à 10 à 25 fois la fréquence électrique du moteur. La fréquence électrique est le produit de la fréquence mécanique du moteur par le nombre de paires de pôles du moteur. Piloter des machines à haute vitesse en commande sinusoïdale 25 nécessite alors d'utiliser un convertisseur de puissance, ou onduleur, ayant une fréquence de découpage très élevée ce qui engendre un grand nombre de défis technique à relever concernant notamment : - une très forte augmentation des pertes dans les semiconducteurs de puissance, 30 - un moyen de refroidissement traditionnel plus adapté, qui implique du coup une difficulté supplémentaire d'intégration du convertisseur DC/AC, et - une rupture technologique nécessaire par rapport à la technologie actuelle, étant donné qu'un composant semi- 35 conducteur à grand gap est nécessaire et que les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) sont inadaptés. 3050083 2 Une alternative à la commande sinusoïdale est de piloter l'onduleur avec une commande dite « 120° », ce qui permet de diviser par six le nombre de commutations sur chaque interrupteur tout en gardant la même fréquence de découpage. Ceci est dû au fait qu'un seul interrupteur 5 découpe durant 1/6e de la période électrique. Cette commande améliore les pertes par commutations dans les composants de puissance mais dégrade la qualité du courant fourni au moteur, notamment par la présence de fortes harmoniques, et engendre d'autres contraintes tels que : - une pulsation du couple moteur plus importante, un risque d'excitation des modes propres (ligne d'arbre...), - une dégradation du facteur de puissance et l'apparition d'harmonique en entrée de l'équipement, et un risque d'augmentation du volume des filtres et de renforcement des pièces mécaniques sur la ligne d'arbre En outre, même avec une commande de type « 120° », le choix de la fréquence de découpage reste toujours lié à la fréquence électrique du moteur. Il est connu de l'état de la technique des circuits de conversion de puissance comprenant un onduleur couplé en aval d'un convertisseur DC/DC à redressement synchrone, qu'on nomme également en anglais PAM pour « Pulse Amplitude Modulation », qui peut être de type abaisseur de tension (ou « buck » en anglais), élévateur de tension (ou « boost » en anglais), ou abaisseur-élévateur de tension (ou « buck-boost » en anglais). De tels circuits de conversion de puissance permettent un fonctionnement en pleine onde de l'onduleur qui présente l'avantage de diminuer les pertes dans le circuit de conversion, et notamment dans l'onduleur. Le circuit permet de dissocier la fonction abaisseur de tension de la fonction générateur de fréquence statorique proportionnelle à la fréquence mécanique du moteur. Le rôle du convertisseur DC/DC est d'imposer une tension moyenne en sortie du dispositif de conversion, et ainsi, lorsque le 35 dispositif est raccordé à un moteur, d'imposer une tension moyenne aux bornes du moteur pour fixer sa vitesse. Le réglage de la tension de sortie 3050083 3 du convertisseur DC/DC abaisseur à découpage permet donc de contrôler la vitesse du moteur. L'onduleur, convertisseur DC/AC, permet d'assurer l'aiguillage des courants dans les phases du moteur à la fréquence électrique du 5 moteur. Il ne modifie pas l'amplitude moyenne de la tension du moteur. Ainsi, lorsque le dispositif de conversion est raccordé à un moteur électrique, le dispositif permet d'avoir une fréquence de découpage du convertisseur DC/DC indépendante de la fréquence électrique du moteur auquel le dispositif de conversion est couplé. 10 L'onduleur travaille avec une tension d'entrée contrôlée par le convertisseur DC/DC et ne subit plus directement les variations de tension du réseau électrique. Ceci permet d'optimiser le choix des composants de puissance de l'onduleur, les pertes dans les semi-conducteurs de puissance. 15 Cependant, de tels circuits de conversion génèrent des harmoniques supplémentaires dans le moteur et donc de la pulsation de couple. Cette génération d'harmoniques supplémentaires est susceptible d'exciter des modes propres et de générer des contraintes mécaniques supplémentaires. 20 Objet et résumé de l'invention L'invention vise à fournir un dispositif de conversion de puissance électrique DC/AC dont la fréquence de découpage du convertisseur est découplée de la fréquence électrique du moteur auquel 25 le dispositif est destiné à être électriquement raccordé et permettant d'éliminer une part importante des harmoniques perturbants le fonctionnement d'une machine électrique couplée en sortie du dispositif. Dans un premier objet de l'invention, il est proposé un dispositif de conversion de puissance électrique continu-alternatif comprenant des 30 bornes d'entrées destinées à être électriquement raccordées à un réseau d'alimentation électrique continu, des bornes de sortie destinées à être électriquement raccordées à un moteur électrique, un convertisseur électrique à découpage couplé auxdites bornes d'entrée et un onduleur électrique couplé entre le convertisseur électrique à découplage et lesdites bornes de sortie. 3050083 4 Selon une caractéristique générale de l'invention, le dispositif de conversion de puissance comprend en outre une unité de commande de l'onduleur configurée pour fonctionner en modulation par largeur d'impulsion pré-calculée avec des instants de commutation des 5 commutateurs commandés de l'onduleur électrique fixes pré-calculés quelles que soient la fréquence de rotation du moteur et la tension du réseau électrique destinés à être raccordés audit dispositif. Le dispositif de conversion de puissance offre ainsi un compromis entre une commande en modulation d'amplitude d'impulsion, 10 ou « Pulse Amplitude Modulation » en anglais, qui réduit le nombre de commutations mais augmentent l'intensité des harmoniques de courants, et une commande de type sinusoïdale qui réduit l'intensité des harmoniques de courant mais présente un nombre très important de commutations. 15 En effet, du fait que l'onduleur travaille avec une tension d'entrée contrôlée par le convertisseur DC/DC et ne subisse plus directement les variations de tension du réseau électrique, il est possible de le commander en modulation de largeur d'impulsion pré-calculée et fixe pour éliminer certaines harmoniques de courant dans les phases du 20 moteur. Le fonctionnement de l'onduleur (DC/AC) en modulation par largeur d'impulsion pré-calculée induit une commande des instants de commutations à partir d'instants fixes pré-calculés de sorte à éliminer certaines harmoniques dans le courant fourni au moteur. Par exemple, en 25 rajoutant 2 commutations supplémentaires par interrupteur et sur une période électrique à un instant pré-calculé, il est possible de supprimer les harmoniques 3, 5 et 7 qui apparaitraient avec une commande de type « 120° » classique. Ce principe simplifie considérablement la conception du 30 convertisseur de tension dans le cas des machines synchrones à haute vitesse, c'est-à-dire dont les vitesses sont supérieures à 30000 tr/min ou fréquence électrique supérieure à 1 kHz. Cette technique de commande pré-calculée impose des angles de commande fixes quelles que soient la fréquence de rotation du moteur 35 et la tension du réseau électrique destinés à être raccordés audit dispositif. 3050083 Le choix de l'harmonique à rejeter permet d'optimiser le gain du filtrage d'entrée du dispositif de conversion de puissance, de gagner en terme de rendement du moteur, de réduire l'ondulation de couple générée, et de supprimer des fréquences critiques sur les parties 5 mécaniques du moteur couplé en sortie du dispositif de conversion de puissance telles que le rotor et les roulements. En outre, la mise en oeuvre de la commande dite pré-calculée est plus facile à implémenter qu'une commande de type sinus sur un onduleur seul car les ressources matérielles nécessaires sont moindres. En 10 effet, dans le cas d'une commande de type sinus, les ressources matérielles nécessaires doivent assurer usuellement les transformées de Park et Concordia ou Clark, ainsi que la nécessité d'avoir deux capteurs de courant moteur, et une information continue de la position rotorique. Par contre dans le cas d'une commande pré-calculée, un seul capteur de 15 courant est nécessaire, une unité de calcul simple pour calculer les moments de commutation et une information discrétisée (ex tous les 60° électrique). Par rapport à une commande sinusoïdale, le dispositif de conversion de puissance selon l'invention présente les avantages 20 suivants : la vitesse de rotation du moteur est moins contraignante pour la partie électronique de puissance ce qui offre la possibilité de raccorder des moteurs présentant un plus grand nombre de paires de pôles électriques ; 25 - le moteur électrique est soumis à une tension moins hachée, ce qui réduit les pertes fer dans le moteur et le courant de mode commun drainées par les capacités du stator ainsi que le risque de décharge partielle ; - la commande est simple car elle ne nécessite pas de calcul 30 en temps réel vu qu'elle est pré-calculée lors de la conception du dispositif de conversion de puissance et stockée dans l'unité de commande. Par rapport à une commande de type « 120° », le dispositif de conversion de puissance selon l'invention présente les avantages 35 suivants : 3050083 6 - la suppression des principales harmoniques de courant dans le moteur (3, 5, 7...) ; - un gain sur le filtrage du courant d'entrée ; - une diminution des risques de résonance mécanique ; 5 - une réduction des pertes grâce à l'abaissement du nombre de commutations si on se contente d'éliminer les harmoniques 3, 5 et 7. Le dispositif de conversion de puissance selon l'invention présente en outre les avantages suivants aussi bien par rapport à une 10 commande de type « 120° » que par rapport à une commande sinusoïdale : - les interrupteurs de puissance du convertisseur électrique à découpage et de l'onduleur peuvent être optimisés séparément ce qui permet d'avoir un meilleur compromis 15 entre rapidité, perte, tenue en tension et robustesse ; - l'absence de découpage au niveau de l'onduleur facilite l'implémentation d'une commande sans capteur de position rotorique. Selon un aspect du dispositif de conversion de puissance, le 20 convertisseur électrique à découpage comporte une topologie de type abaisseur de tension (ou « buck » en anglais). Dans une première variante, le convertisseur électrique à découpage comporte une topologie de type élévateur de tension (ou « boost » en anglais). 25 Dans une seconde variante, le convertisseur électrique à découpage comporte une topologie de type abaisseur-élévateur de tension (ou « buck-boost » en anglais). La topologie du convertisseur est choisie en fonction du niveau du réseau d'alimentation auquel le dispositif est destiné à être connecté et 30 en fonction de la vitesse nécessaire pour le fonctionnement du moteur électrique auquel le dispositif est destiné à être connecté. Dans un second objet de l'invention, il est proposé un système de motorisation comprenant un réseau d'alimentation électrique continu, un moteur électrique, et un dispositif de conversion de puissance 35 électrique continu-alternatif électriquement raccordé entre le réseau d'alimentation électrique et le moteur électrique. 3050083 7 Selon un aspect du système de motorisation, le moteur électrique peut être un compresseur à pile à combustible. 5 Brève description des dessins. L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un système 10 de motorisation comprenant un dispositif de conversion de puissance selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 présente un exemple de forme d'onde de tension fournie par le dispositif de conversion de la figure 1 au moteur auquel il est couplé ; 15 - les figures 3 et 4 représentent respectivement un signal de tension simple de l'onduleur dans le cadre d'une commande à 180° classique, et un exemple d'un signal de tension simple de l'onduleur dans le cadre d'une commande à 180° selon l'invention ; 20 - les figures 5 et 6 représentent respectivement le contenu spectrale de la tension simple de la figure 3, et le contenu spectrale de l'onde modifiée de la figure 4. Description détaillée de modes de réalisation 25 Sur la figure 1 est représenté schématiquement un système de motorisation comprenant un dispositif de conversion de puissance selon un mode de réalisation de l'invention. Le système de motorisation 1 comprend un réseau d'alimentation électrique continu 2, tel qu'un réseau d'alimentation 30 embarqué à bord d'un aéronef par exemple, une machine électrique tournante 3 correspondant ici par un moteur électrique triphasé à haute vitesse, et un dispositif électrique 4 de conversion de puissance continu-alternatif. Le dispositif 4 de conversion comprend deux bornes d'entrée 5a 35 et 5b électriquement raccordées aux deux bornes de raccordement 2a et 2b du réseau d'alimentation continu 2, et trois bornes de sortie 6 3050083 8 électriquement couplées aux trois bornes de couplage du moteur électrique 3. Le dispositif 4 comprend en outre un étage de filtrage 7, un étage 8 abaisseur de tension à découpage, et un étage onduleur 9. 5 L'étage abaisseur de tension 8 est couplé en entrée aux bornes d'entrée 5 du dispositif de conversion 4 via l'étage de filtrage 7. L'étage de filtrage 7 est donc couplé entre les bornes d'entrée 5a et 5b et l'étage abaisseur de tension 8. L'étage onduleur 9 est, d'une part, couplé en sortie aux bornes de sortie 6 du dispositif de conversion et, d'autre part, en entrée à la 10 sortie de l'étage abaisseur de tension 8. L'étage abaisseur de tension 8 est donc couplé électriquement entre l'étage de filtrage 7 à son entrée et l'étage onduleur 9 à sa sortie. L'étage de filtrage 7 comprend un montage dit « LC » comportant une bobine de filtrage 10 et une capacité de filtrage 11. 15 La bobine de filtrage 10 est couplée entre une première borne d'entrée 71 et une première borne de sortie 73 de l'étage de filtrage 7, la première borne d'entrée 71 de l'étage de filtrage 7 étant couplée à la première borne de raccordement 2a du réseau d'alimentation via la première borne de raccordement 5a, et la première borne de sortie 73 de 20 l'étage de filtrage 7 étant couplée à une première borne d'entrée 81 de l'étage abaisseur de tension 8. La capacité de filtrage 11 est couplée entre la première borne de sortie 73 de l'étage de sortie 7 et les secondes bornes d'entrée et de sortie 72 et 74 de l'étage de sortie 7 qui sont couplées ensemble à la seconde borne de raccordement 2b du réseau 25 d'alimentation continu 2 via une borne d'entrée 5b du dispositif de conversion 4 et à une seconde borne d'entrée 82 de l'étage abaisseur de tension 8. L'étage abaisseur de tension 8 comprend un interrupteur commandé 12 qui peut être de technologie MOSFET, IGBT OU Bipolaire, 30 un transistor 13 qui peut être une diode comme cela est représenté dans l'exemple illustré sur la figure 1, une inductance 14 et un bus 15 possédant une capacité C. Le bus 15 est couplé entre une première et une seconde bornes de sortie 83 et 84 de l'étage abaisseur de tension 8, la seconde borne de 35 sortie 84 étant couplée à la masse, c'est-à-dire à la seconde borne de 3050083 9 raccordement 2b du réseau d'alimentation continu 2, et donc à la seconde borne d'entrée 82. L'interrupteur commandé 12 et l'inductance 14 sont couplés en série entre la première borne d'entrée 81 et la première borne de sortie 83 5 de l'étage abaisseur de tension 8, l'interrupteur commandé étant directement raccordé à la première borne d'entrée 81 et l'inductance étant directement raccordée à la première borne de sortie 83. Une première borne de la diode 13 est raccordée au noeud de raccordement 85 couplant l'interrupteur commandé 12 à l'inductance 14, 10 et une seconde borne de la diode 13 est raccordée à la seconde entrée 82 et à la seconde sortie 84 de l'étage abaisseur de tension 8. L'étage onduleur 9 comprend trois branches 15 raccordées chacune entre une première borne d'entrée 91 de l'étage onduleur 9 raccordée à la première borne de sortie 83 de l'étage abaisseur de tension 15 8 et une seconde borne d'entrée 92 couplée à la seconde borne de sortie 84 de l'étage abaisseur de tension 8 et donc à la masse. Chaque branche 15 comporte deux commutateurs commandés 16 couplés en série et une borne de sortie 9a, 9b ou 9c de l'étage onduleur 9 raccordée à une des bornes de sortie 6 du dispositif de conversion 4. La borne de sortie 9a, 9b 20 ou 9c de l'étage onduleur 9 de chaque branche 15 correspond au noeud de raccordement des deux commutateurs commandés 16 de la branche. Le dispositif de conversion 4 comprend en outre une unité de commande 17 couplée à l'étage onduleur 9 pour le commander. L'unité de commande 17 comporte une mémoire et est configurée pour fonctionner 25 en modulation par largeur d'impulsion pré-calculée avec des instants de commutations fixes pré-calculés et enregistrés dans la mémoire quelles que soient la fréquence de rotation du moteur 3 et la tension du réseau électrique 2 raccordés au dispositif de conversion 4. Comme cela est illustré sur la figure 2 qui présente un exemple 30 de forme d'onde de la tension fournie par le dispositif de conversion 4 de la figure 1 au moteur 3 auquel il est couplé, le dispositif de conversion 4 permet ainsi de fournir en sortie un signal de tension Vdc_link dont l'amplitude a été abaissée par rapport à l'amplitude de la tension Vdc délivrée par le réseau d'alimentation électrique 2 grâce à l'étage abaisseur 35 de tension 8, et dont la forme est modulée en largeur d'impulsion par l'étage onduleur 9. La référence t représente le temps sur le graphique. 3050083 10 Sur les figures 3 et 4 sont représentées respectivement un signal de tension simple de l'onduleur dans le cadre d'une commande à 180° classique, et un exemple d'un signal de tension simple de l'onduleur dans le cadre d'une commande à 180° selon l'invention, c'est-à-dire avec 5 l'ajout de commutations. En partant de la forme d'onde de la tension simple onduleur, des commutations sont ajoutées dans le but d'éliminer certaines harmoniques gênantes, comme par exemple les harmoniques 5, 7, 11, 13, etc. L'instant de ces commutations supplémentaires, al et a2, c'est-à-dire 10 l'angle auquel ces commutations supplémentaires interviennent, va permettre d'éliminer certaines composantes du spectre de la tension. Le nombre de commutations ajoutées dépend du nombre d'harmoniques à minimiser ou supprimer. Dans le cas illustré sur la figure 4, on cherche à supprimer les harmoniques 5 et 7. Il faut alors au moins 15 deux angles de commutations supplémentaires, al et a2 avec al REVENDICATIONS1. Dispositif (4) de conversion de puissance électrique continu-alternatif comprenant des bornes d'entrées (5) destinées à être électriquement raccordées à un réseau d'alimentation électrique continu (2), des bornes de sortie (6) destinées à être électriquement raccordées à un moteur électrique (3), un convertisseur électrique à découpage (8) couplé auxdites bornes d'entrée (5) et un onduleur électrique (9) couplé entre le convertisseur électrique à découpage (8) et lesdites bornes de sortie (6), caractérisé en ce qull comprend une unité de commande (17) de l'onduleur électrique (9) configurée pour fonctionner en modulation par largeur dimpulsion pré-calculée avec des instants de commutation des commutateurs commandés (16) de l'onduleur électrique (9) fixes pré- calculés quelles que soient la fréquence de rotation du moteur (3) et la tension (Vdc) du réseau électrique (2) destinés à être raccordés audit dispositif (4). 2. Dispositif (4) selon la revendication 1, dans lequel le 20 convertisseur électrique à découpage (8) comporte une topologie de type abaisseur de tension. 3. Dispositif (4) selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur électrique à découpage comporte une topologie de type 25 élévateur de tension. 4. Dispositif (4) selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur électrique à découpage comporte une topologie de type abaisseur-élévateur de tension. 30 5. Système de motorisation (1) comprenant un réseau d'alimentation électrique continu (2) et un moteur électrique (3), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif (4) de conversion de puissance électrique continu-alternatif selon l'une des revendications 1 35 à 4 électriquement raccordé entre le réseau d'alimentation électrique (2) et le moteur électrique (3). 3050083 13 6. Système de motorisation (1) selon la revendication 5, dans lequel le moteur électrique (3) est un compresseur à pile à combustible. 5 7. Système de motorisation (1) selon a revendication 5, dans lequel le moteur électrique (3) est un moteur de ventilateur.