Brevet FR3049788A1 — publié le 20171006

Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de commande d'un moteur électrique de type asynchrone et à un système de commande mettant en oeuvre ledit procédé pour commander ledit moteur électrique. Etat de la technique Dans un schéma de commande classique d'un moteur électrique de type asynchrone, une loi de commande est exécutée par une unité de traitement et reçoit en entrée une référence de vitesse (ou référence de pulsation) et un flux de référence. En fonction de ces deux informations et des mesures des grandeurs sur le moteur (courant et/ou vitesse), l'unité de traitement détermine une référence de tension à appliquer au moteur électrique. A partir de cette référence de tension, l'unité de traitement détermine les tensions de commande à appliquer sur chaque phase de sortie connectée au moteur. De manière connue, ces tensions sont appliquées au moteur en utilisant une architecture d'électronique de puissance. En règle générale, cette architecture est connectée à un réseau électrique fournissant une tension électrique alternative. L'architecture comporte un redresseur AC/DC, un bus continu d'alimentation connecté au redresseur et un onduleur de tension de type DC/AC. L'onduleur de tension est par exemple commandé en Modulation de Largeur d'Impulsions. Un tel onduleur délivre au moteur une suite d'impulsions d'amplitude fixe, positive ou négative et modulées en largeur, selon une loi de commande en tension. La tension maximale délivrée au moteur électrique ne peut pas dépasser la tension disponible au niveau du bus continu d'alimentation. Dans ce schéma de commande, il est connu que lorsque qu'on impose en entrée une référence de vitesse supérieure à un certain seuil (proche en général de la vitesse nominale du moteur) et une référence de flux constante, la tension calculée en fonction de ces références peut être incompatible avec la tension disponible sur le réseau ou avec une limitation de tension choisie pour le moteur à alimenter. Dans une telle situation, pour pouvoir appliquer cette référence de vitesse au moteur électrique et ainsi obtenir une tension que l'onduleur peut générer, l'unité de traitement doit nécessairement réduire la valeur du flux et ainsi entrer dans une zone de "défluxage". Ce problème a d'abord été abordé dans le brevet US 5,204,607 qui propose de corriger la référence de flux lorsque la référence de tension déterminée devient supérieure à la tension que peut fournir l'onduleur. Pour cela, le système effectue une 3049788 2 comparaison entre la référence de tension et la tension maximale que peut fournir l'onduleur. La différence calculée est utilisée pour déterminer une valeur de correction à appliquer à la référence de flux. La référence de flux est corrigée tant que la référence de tension pour l'onduleur est inférieure ou égale à la tension maximale que 5 peut fournir l'onduleur. Ainsi la référence de flux et le flux réel sont toujours en accord ce qui évite le défluxage. Cependant dans ce système, les références de courant ne sont pas corrigées dynamiquement ce qui ne permet pas de lui garantir les mêmes propriétés de stabilité dans la zone de limitation de tension et en dehors de cette zone. Le brevet US7,221,117 propose une autre solution qui utilise un modèle du 10 moteur électrique et qui permet d'adapter le flux en limitation de tension et ainsi d'assurer la stabilité du contrôle du moteur électrique en limitation de tension. Cependant, dans cette dernière méthode, le fait d'atteindre la limitation de tension lors du défluxage entraîne des perturbations dynamiques transitoires sur les grandeurs mécaniques du moteur électrique et notamment sur le couple du moteur électrique. 15 Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de commande mis en oeuvre dans l'unité de traitement, qui permet de résoudre les problèmes de perturbations dynamiques liées au passage en région "défluxée". Exposé de l'invention 20 Ce but est atteint par un procédé de commande d'un moteur électrique asynchrone, mis en oeuvre dans une unité de traitement, ladite unité de traitement étant associée à un convertisseur de puissance connecté par des phases de sortie audit moteur électrique et agencée pour exécuter une loi de commande en vue de déterminer des tensions à appliquer audit moteur électrique à partir d'une référence de 25 vitesse et d'une référence de flux appliquées en entrée, ledit procédé comportant une phase d'identification qui consiste à : Générer une trajectoire de vitesse en entrée de la loi de commande de manière à faire prendre à la référence de vitesse plusieurs valeurs successives déterminées, 30 Pour chaque valeur prise par la référence de vitesse, déterminer la tension aux bornes du moteur électrique, Pour chaque valeur prise par la référence de vitesse, déterminer et mémoriser la valeur de flux pour laquelle la tension aux bornes du moteur électrique est égale à une valeur seuil déterminée. 35 3049788 3 Selon une particularité, la trajectoire de vitesse suit un profil en escalier, dont chaque échelon correspond à une valeur distincte à appliquer. Selon un premier mode de réalisation, pour chaque valeur prise par la référence de vitesse, le procédé consiste à : 5 Faire varier la référence de flux entre une valeur minimale et une valeur maximale, Déterminer la courbe de variation de la tension du moteur obtenue lors de la variation de la référence de flux, Déterminer la valeur de référence de flux pour laquelle la tension du 10 moteur est égale à ladite valeur seuil. Dans ce premier mode de réalisation, le procédé consiste à déterminer l'intersection entre la constante formée par ladite valeur seuil et la courbe de variation de la tension du moteur obtenue lors de la variation de la référence de flux à une 15 référence de vitesse donnée. Selon un deuxième mode de réalisation, pour chaque valeur prise par la référence de vitesse, il consiste à : Fixer la référence de flux à une valeur déterminée, 20 Déterminer la tension du moteur obtenue en fonction de ladite valeur de la référence de vitesse et de ladite de référence de flux appliquées en entrée, Déterminer la différence de tension entre la tension du moteur obtenue et ladite valeur seuil, 25 Corriger la valeur de référence de flux appliquée en entrée jusqu'à ce que la tension du moteur soit égale à ladite valeur seuil, Mémoriser la valeur de référence de flux obtenue lorsque la tension du moteur est égale à ladite valeur seuil. 30 Selon une autre particularité de l'invention, le procédé comporte une phase d'exploitation qui suit la phase d'identification et dans laquelle chaque valeur de flux mémorisée en liaison avec chaque référence de vitesse lors de la phase d'identification peut être employée pour adapter le flux en temps réel lors de l'exécution de la loi de commande du moteur électrique. 35 3049788 4 L'invention concerne également un système de commande d'un moteur électrique comprenant une unité de traitement, ladite unité de traitement étant associée à un convertisseur de puissance connecté par des phases de sortie audit moteur électrique et agencé pour appliquer des tensions variables audit moteur électrique en 5 exécutant une loi de commande, ledit système, lors d'une phase d'identification, exécute: Un module de génération d'une trajectoire de vitesse en entrée de la loi de commande de manière à faire prendre à la référence de vitesse plusieurs valeurs successives déterminées, 10 Pour chaque valeur prise par la référence de vitesse, un module de détermination de la tension aux bornes du moteur électrique, Pour chaque valeur prise par la référence de vitesse, un module de détermination de la valeur de flux pour laquelle la tension aux bornes du moteur électrique est égale à une valeur seuil déterminée et un module de 15 mémorisation de ladite valeur de flux déterminée. Selon une particularité du système, la trajectoire de vitesse générée par le module de génération de trajectoire suit un profil en escalier, dont chaque échelon correspond à une valeur distincte à appliquer. 20 Selon un premier mode de réalisation, pour chaque valeur prise par la vitesse de référence, le système exécute : Un module de génération d'une trajectoire de référence de flux entre une valeur minimale et une valeur maximale, Un module de détermination d'une courbe de variation de la tension du 25 moteur lors de la variation de la référence de flux, Un module de détermination de la valeur de référence du flux pour laquelle la tension du moteur est égale à ladite valeur seuil. Selon une particularité de ce premier mode de réalisation, ledit module de 30 détermination de la valeur de référence de flux est agencé pour déterminer l'intersection entre la constante formée par ladite valeur seuil et la courbe de variation de la tension du moteur obtenue lors de la variation de la référence de flux à une référence de vitesse donnée. Selon un deuxième mode de réalisation, pour chaque valeur prise par la 35 référence de vitesse, le système fixe la référence de flux à une valeur déterminée et exécute : 3049788 5 Un module de détermination de la tension du moteur obtenue en fonction de ladite valeur de référence de vitesse et de ladite valeur de référence de flux appliquées en entrée, Un module de détermination de la différence de tension entre la tension du 5 moteur obtenue et ladite valeur seuil, Un module pour déterminer une correction à appliquer à la valeur de la référence de flux appliquée en entrée jusqu'à ce que la tension du moteur soit égale à ladite valeur seuil, Un module de mémorisation de la valeur de référence de flux obtenue 10 lorsque la tension du moteur est égale à ladite valeur seuil. Selon une particularité, lors d'une phase d'exploitation qui suit la phase d'identification, il est agencé pour adapter le flux en temps réel lors de l'exécution de la loi de commande du moteur électrique à partir des valeurs de flux mémorisées en 15 liaison avec les références de vitesse lors de la phase d'identification. 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 : 20 - La figure 1 représente le schéma d'un variateur de vitesse classique incluant le système de commande de l'invention. - La figure 2 représente un synoptique illustrant le principe de fonctionnement du procédé de commande de l'invention, selon un premier mode de réalisation. 25 - Les figures 3A à 3D représentent des courbes illustrant le principe de fonctionnement de l'invention selon le premier mode de réalisation. - La figure 4 représente un synoptique illustrant le principe de fonctionnement du procédé de commande de l'invention, selon un deuxième mode de réalisation. 30 - La figure 5 représente une courbe reliant la référence de flux à la référence de vitesse à une tension maximale. Description détaillée d'au moins un mode de réalisation 35 L'invention décrite ci-dessous s'applique à la commande d'un moteur asynchrone (à induction), préférentiellement à alimentation triphasée. Elle est mise en 3049788 6 oeuvre dans un schéma de commande classique de type vectoriel ou scalaire, en boucle ouverte, c'est-à-dire sans retour d'une mesure de vitesse au niveau du moteur électrique, ou en boucle fermée, c'est-à-dire avec retour d'une mesure de vitesse au niveau du moteur électrique. 5 Dans la suite de la description, on entend par tension du moteur Um, l'amplitude du vecteur de la référence de tension ayant les deux composantes ud_'f et uq_'f. . Par ailleurs, il est connu de passer du repère tournant (d,q) au repère triphasé a,b,c qui correspond au repère physique du moteur électrique commandé. Ainsi, on a également: uc, = Um cos(0) 2rr ub = Um cos(0 - 3) 2rr u, = Um cos(0 + 3) 10 Avec ud,ub,u,, les valeurs instantanées des tensions appliquées sur chaque phase de sortie et 0 l'angle de déphasage appliqué entre tensions appliquées entre les phases de sortie. Le procédé de commande de l'invention est mis en oeuvre dans un système 15 de commande qui comporte une unité de traitement UC. L'unité de traitement UC comporte au moins un microprocesseur et une mémoire. Ce système de commande est associé à un variateur de vitesse destiné à la commande d'un moteur électrique. Il pourra notamment être intégré audit variateur de vitesse. De manière connue, le variateur de vitesse comporte en règle générale : 20 Des phases d'entrée R, S, T connectées à un réseau électrique fournissant une tension alternative. Un redresseur AC/DC 10, tel que par exemple un pont de diodes, destiné à transformer la tension alternative fournie par le réseau en une tension continue. 25 Un bus continu d'alimentation connecté en sortie du redresseur et comportant deux lignes d'alimentation L1, L2 entre lesquelles est appliquée la tension continue. Au moins un condensateur de bus Cbus connecté entre les deux lignes d'alimentation du bus et destiné à maintenir la tension continue à une 30 valeur constante. Un onduleur DC/AC 11 connecté au bus continu d'alimentation et comprenant plusieurs transistors de puissance, par exemple de type IGBT, 3049788 7 commandés par l'unité de traitement de manière à appliquer les tensions requises sur des phases de sortie connectées au moteur électrique. La commande de l'onduleur 11 est par exemple réalisée par des techniques traditionnelles de type MLI (Modulation à Largeur d'Impulsion) ou CDC 5 (Contrôle Direct de Couple). Une loi de commande exécutée par l'unité de traitement UC permet de déterminer les tensions à appliquer sur les phases de sortie. Des phases de sortie a,b,c destinées à être connectées au moteur électrique M à commander. 10 De manière non limitative, l'invention sera décrite pour une loi de commande de type scalaire en U/F et en boucle ouverte. Il faut comprendre que la méthode décrite ci-dessous sera identique quelle que soit la loi de commande employée. 15 De manière connue en référence aux figures 2 et 4, une loi de commande scalaire en U/F classique, exécutée par l'unité de traitement pour la commande d'un moteur électrique asynchrone en boucle ouverte, comporte les caractéristiques principales suivantes : Une référence de vitesse, qui correspond à la pulsation électrique cos des 20 courants à injecter au stator, et une référence de flux sont appliquées en entrée. L'unité de traitement UC, à partir d'un module M1 calculateur de tension, détermine une référence de tension directe ud 'f et une référence de tension en quadrature ug 'f. 25 A partir des deux composantes de tension, l'unité de traitement UC exécute un module M2 de limitation de tension à une valeur Umax déterminée, fonction de la tension limite (Juni que peut fournir le variateur de vitesse au moteur électrique M. On aura par exemple : Umax = 0.95 X Uum En sortie du module M2 de limitation, on obtient une référence de tension 30 directe limitée fid et une référence de tension en quadrature limitée fid sur la base desquelles les tensions à appliquer en sortie sont déterminées. 3049788 8 - A partir des deux tensions, un module M3 applique une transformation de Park pour déterminer les tensions ua,ub,u, à appliquer sur chaque phase de sortie. L'unité de traitement exécute également un module M4 de détermination 5 de l'angle de déphasage es à appliquer entre les tensions ua,ub,u, à appliquer au moteur à partir de la pulsation cos introduite en entrée. D'autres modules peuvent bien entendu être mis en oeuvre par l'unité de traitement mais ceux-ci ne seront pas détaillées dans la présente demande. Cette loi de commande est mise en oeuvre lors d'une phase d'exploitation, 10 c'est-à-dire pendant le fonctionnement normal du moteur électrique M commandé par le variateur de vitesse. L'invention concerne un procédé de commande qui comporte une phase d'identification réalisée préférentiellement préalablement à ladite phase d'exploitation. Cette phase d'identification vise à déterminer, pour différentes pulsations GO, 15 appliquées en entrée, les valeurs de flux pour lesquelles la tension du moteur est égale à une valeur seuil déterminée. Cette valeur seuil sera préférentiellement liée à la valeur Uum de la tension limite que peut fournir le variateur de vitesse. Cette valeur seuil, désignée Umax, est choisie inférieure à la valeur Uum de tension limite. Cette valeur seuil est préférentiellement mémorisée par l'unité de traitement et est par exemple 20 égale à : Umax = 0.95 X Uum Lors du fonctionnement normal du moteur électrique M, les valeurs de flux identifiées vont permettre d'adapter en temps réel, si nécessaire, la valeur de la référence de flux ci, et ainsi éviter une limitation de tension. 25 Autrement dit, il s'agit de construire un profil de courbe reliant l'amplitude de la référence de flux à la pulsation cos à une tension de seuil déterminée, par exemple égale à la valeur seuil définie ci-dessus. Un tel profil est représenté en figure 5. En fonctionnement normal, si le flux du moteur électrique reste à une amplitude qui est située au-dessous de cette courbe, alors le moteur électrique M n'atteint pas la 30 limitation de tension. La démonstration qui suit permet de montrer qu'une variation du flux a une incidence sur la tension du moteur. 3049788 9 Les équations électriques d'un moteur asynchrone dans le repère tournant d,q, selon un modèle standard, sont les suivantes (notation sous forme complexe) : { dis Lf -dt = -(Rs Rreq jii.cos)is + Ur' - icor») + us 5 Avec : Rreq = Rr iLn T L = L - 141- et (I) = 177- (I) Lr' r Rr' f s Lr Lr Les paramètres électriques sont : Rs : résistance statorique; Rr: résistance rotorique; 10 Ls : inductance statorique; Lr: inductance rotorique Lm: inductance mutuelle entre le stator et le rotor. Les variables sont : 15 (1),-: flux rotorique. is : courant statorique. us: tension du moteur. cos : pulsation électrique. cor : vitesse mécanique multiplié par le nombre de pairs de pôle. 20 Comme déjà expliqué, la tension fournie par le variateur de vitesse au moteur électrique ne peut pas dépasser une valeur limite (Juni, ainsi l'amplitude de la tension du moteur est soumise à la contrainte suivante : lus I REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un moteur électrique (M) asynchrone, mis en oeuvre dans une unité de traitement, ladite unité de traitement étant associée à un convertisseur de puissance connecté par des phases de sortie (a, b, c) audit moteur électrique (M) et agencée pour exécuter une loi de commande en vue de déterminer des tensions à appliquer audit moteur électrique à partir d'une référence de vitesse et d'une référence de flux appliquées en entrée, caractérisé en ce qu'il comporte une phase d'identification qui consiste à : Générer une trajectoire de vitesse en entrée de la loi de commande de manière à faire prendre à la référence de vitesse plusieurs valeurs successives déterminées, Pour chaque valeur prise par la référence de vitesse, déterminer la tension (Um) aux bornes du moteur électrique (M), Pour chaque valeur prise par la référence de vitesse, déterminer et mémoriser la valeur de flux pour laquelle la tension aux bornes du moteur électrique est égale à une valeur seuil déterminée (Umax). 2. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la trajectoire de vitesse suit un profil en escalier, dont chaque échelon correspond à une valeur distincte à appliquer. 3. Procédé de commande selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que pour chaque valeur prise par la référence de vitesse, il consiste à : Faire varier la référence de flux entre une valeur minimale et une valeur maximale, Déterminer la courbe de variation de la tension du moteur (Um) obtenue lors de la variation de la référence de flux, Déterminer la valeur de référence de flux pour laquelle la tension du moteur est égale à ladite valeur seuil (Umax). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer l'intersection entre la constante formée par ladite valeur seuil (Umax) et la courbe de variation de la tension du moteur (Um) obtenue lors de la variation de la référence de flux à une référence de vitesse donnée. 3049788 15 5. Procédé de commande selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que pour chaque valeur prise par la référence de vitesse, il consiste à : Fixer la référence de flux à une valeur déterminée, Déterminer la tension du moteur obtenue en fonction de ladite valeur de la 5 référence de vitesse et de ladite de référence de flux appliquées en entrée, Déterminer la différence de tension entre la tension du moteur obtenue et ladite valeur seuil, Corriger la valeur de référence de flux appliquée en entrée jusqu'à ce que 10 la tension du moteur soit égale à ladite valeur seuil (U,',,,), Mémoriser la valeur de référence de flux obtenue lorsque la tension du moteur est égale à ladite valeur seuil (U,',,,c). 6. Procédé selon l'une des revendication 1 à 5, caractérisé en ce qu'il 15 comporte une phase d'exploitation qui suit la phase d'identification et dans laquelle chaque valeur de flux mémorisée en liaison avec chaque référence de vitesse lors de la phase d'identification peut être employée pour adapter le flux en temps réel lors de l'exécution de la loi de commande du moteur électrique. 20 7. Système de commande d'un moteur électrique (M), comprenant une unité de traitement, ladite unité de traitement étant associée à un convertisseur de puissance connecté par des phases de sortie (a, b, c) audit moteur électrique (M) et agencé pour appliquer des tensions variables audit moteur électrique en exécutant une loi de commande, caractérisé en ce que lors d'une phase 25 d'identification, il exécute : Un module (M5) de génération d'une trajectoire de vitesse en entrée de la loi de commande de manière à faire prendre à la référence de vitesse plusieurs valeurs successives déterminées, Pour chaque valeur prise par la référence de vitesse, un module (M1) de 30 détermination de la tension (Um) aux bornes du moteur électrique (M), Pour chaque valeur prise par la référence de vitesse, un module (M7, M9) de détermination de la valeur de flux pour laquelle la tension aux bornes du moteur électrique est égale à une valeur seuil déterminée (U,',,,) et un module de mémorisation (10) de ladite valeur de flux déterminée. 3049788 16 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que la trajectoire de vitesse générée par le module (M5) de génération de trajectoire suit un profil en escalier, dont chaque échelon correspond à une valeur distincte à appliquer. 5 9. Système selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que pour chaque valeur prise par la vitesse de référence, il exécute : Un module (M6) de génération d'une trajectoire de référence de flux entre une valeur minimale et une valeur maximale, Un module (M1) de détermination d'une courbe de variation de la tension 10 du moteur (Um) lors de la variation de la référence de flux, Un module de détermination de la valeur de référence du flux pour laquelle la tension du moteur est égale à ladite valeur seuil (Umar). 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit module de 15 détermination de la valeur de référence de flux est agencé pour déterminer l'intersection entre la constante formée par ladite valeur seuil (Umax) et la courbe de variation de la tension du moteur (Um) obtenue lors de la variation de la référence de flux à une référence de vitesse donnée. 20 11. Système selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que pour chaque valeur prise par la référence de vitesse, il fixe la référence de flux à une valeur déterminée et il exécute : Un module (M1) de détermination de la tension du moteur obtenue en fonction de ladite valeur de référence de vitesse et de ladite valeur de 25 référence de flux appliquées en entrée, Un module (M8) de détermination de la différence de tension entre la tension du moteur obtenue et ladite valeur seuil, Un module (M9) pour déterminer une correction à appliquer à la valeur de la référence de flux appliquée en entrée jusqu'à ce que la tension du 30 moteur soit égale à ladite valeur seuil (Umar), Un module (M10) de mémorisation de la valeur de référence de flux obtenue lorsque la tension du moteur est égale à ladite valeur seuil (Umax). 12. Système selon l'une des revendication 7 à 11, caractérisé en ce que lors 35 d'une phase d'exploitation qui suit la phase d'identification, il est agencé pour adapter le flux en temps réel lors de l'exécution de la loi de commande du moteur 3049788 17 électrique à partir des valeurs de flux mémorisées en liaison avec les références de vitesse lors de la phase d'identification. 5