Brevet FR3050337A1 — publié le 20171020

Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de commande mis en oeuvre pour une installation de commande de moteur électrique et à un système de commande employé dans ladite installation pour mettre en oeuvre ledit procédé. Etat de la technique Il est connu d'employer des installations de commande à plusieurs convertisseurs pour commander un ou plusieurs moteurs électriques. On distingue ainsi différentes architectures : Dans une première architecture, l'installation comporte au moins deux convertisseurs de type onduleur connectés en parallèle à un même bus continu d'alimentation, chacun de ces onduleurs étant destiné à la commande d'un moteur électrique distinct. Dans une deuxième architecture, l'installation comporte un premier convertisseur de type redresseur actif connecté au réseau et un deuxième convertisseur de type onduleur destiné à la commande d'un moteur électrique. De manière classique, les instants de commutation des transistors de chaque convertisseur sont déterminés par modulation de largeur d'impulsion (ci-après MLI). Une MLI de type intersective consiste à comparer une porteuse triangulaire symétrique ou asymétrique avec une ou plusieurs modulantes. Il est connu que l'augmentation de la fréquence de découpage appliquée à un convertisseur entraîne une hausse du courant de mode commun. Le courant de mode commun généré peut emprunter différents chemins entre le système et chaque moteur électrique. Ces chemins sont créés par des couplages capacitifs générés : Entre les conducteurs du câble reliant chaque convertisseur à sa charge électrique, Entre les enroulements du moteur et le stator, et Entre les transistors de chaque convertisseur et le dissipateur relié à la terre. Lorsque l'installation comporte ainsi deux convertisseurs selon l'une des deux architectures décrites ci-dessus, la tension de mode commun totale est la somme des perturbations fournies par chacun des convertisseurs. 3050337 2 Habituellement, on utilise un filtre pour réduire les perturbations générées. Le filtre peut être composé de composants passifs et/ou actifs. Dans une solution de filtrage à composants passifs, celle-ci doit être dimensionnée pour : Entraîner une atténuation nécessaire des perturbations en vue de 5 respecter des seuils standards prédéfinis de perturbations électromagnétiques, Garantir que son inductance de mode commun ne soit jamais saturée. Pour filtrer ces tensions de mode commun, le filtre CEM présent en entrée est souvent surdimensionné pour répondre à ces deux contraintes et répondre ainsi au cas 10 le plus défavorable de saturation du noyau magnétique de l'inductance du filtre. C'est ainsi qu'il a été proposé d'agir sur l'origine des perturbations de manière à réduire les besoins en filtrage. Dans une installation réalisée selon une architecture à redresseur actif telle que décrite ci-dessus, différentes solutions ont ainsi été développées pour réduire le 15 courant de mode commun. Ces solutions consistent par exemple en une action sur les commandes du redresseur et de l'onduleur. Le document JP2003018853 propose par exemple une méthode pour réduire le courant de mode commun dans un variateur de vitesse en synchronisant la commutation à la fermeture (ou à l'ouverture) de trois transistors de puissance (hauts 20 ou bas) de l'étage redresseur avec la commutation à la fermeture (ou à l'ouverture) des trois transistors correspondants (respectivement hauts ou bas) de l'étage onduleur. Cette solution permet de réduire la dimension du filtre employé pour filtrer le courant de mode commun et donc de diminuer les coûts du convertisseur. Le brevet US6,185,115 décrit également une méthode permettant de 25 synchroniser les commutations de l'étage redresseur avec les commutations de l'étage onduleur de manière à réduire la tension de mode commun. La méthode proposée consiste à synchroniser la commutation d'un seul bras de commutation de l'étage onduleur, en front montant et descendant, avec la commutation d'un seul bras de commutation de l'étage redresseur ce qui permet, pour une période de découpage, de 30 passer seulement de douze fronts de tension à huit fronts de tension sur tous les bras de commutation. La demande de brevet EP2442436A2 décrit également une méthode de synchronisation des commutations entre l'étage redresseur et l'étage onduleur. La méthode permet de synchroniser chaque commutation d'un transistor de l'étage 3050337 3 redresseur avec une commutation de l'étage onduleur, permettant ainsi de réduire la tension de mode commun totale générée. Cependant, les solutions décrites dans ces brevets antérieurs ne sont pas forcément satisfaisantes et ne peuvent pas s'appliquer pour des installations de 5 commande qui présentent une architecture à au moins deux convertisseurs en parallèle connectés à un même bus continu d'alimentation. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de commande qui permette : 10 De limiter au maximum la génération de tension de mode commun de manière à employer un filtre de mode commun dimensionné de manière adaptée, De s'adapter à des installations de commande à au moins deux convertisseurs connectés en parallèle à un même bus continu 15 d'alimentation et destinés chacun à la commande d'un moteur électrique distinct. Exposé de l'invention Ce but est atteint par un procédé de commande mis en oeuvre pour une 20 installation de commande de moteur électrique, ladite installation de commande comportant : Un premier convertisseur fronts de tension à un premier moteur électrique connecté audit premier convertisseur par des premières phases de sortie, Un deuxième convertisseur connecté comportant des bras de commutation 25 commandés pour appliquer des deuxièmes fronts de tension à un deuxième moteur électrique connecté audit deuxième convertisseur par des deuxièmes phases de sortie, Le procédé de commande comportant une étape de synchronisation des premiers fronts de tension avec les deuxièmes fronts de tension en vue de 30 minimiser les courants de mode commun générés par ladite installation. Selon une particularité, l'étape de synchronisation consiste, sur une période de découpage, à : - Synchroniser les fronts de tension montants des impulsions de tension générées sur les phases de sortie du premier convertisseur avec des fronts 3050337 4 de tension descendants des impulsions de tension générées sur les phases de sortie du deuxième convertisseur, et Synchroniser les fronts de tension descendants des impulsions de tension générées sur les phases de sortie du premier convertisseur avec des fronts 5 de tension montants des impulsions de tension générées sur les phases de sortie du deuxième convertisseur. Selon une autre particularité, pour chaque impulsion de tension, le front de tension montant et le front de tension descendant sont déterminés à partir d'une modulation à largeur d'impulsion de type intersective entre une porteuse de type 10 asymétrique et deux modulantes. Selon une autre particularité, l'étape de synchronisation consiste à déterminer, sur une période de découpage, les modulantes pour que chaque front montant d'une impulsion de tension à générer sur une phase de sortie du premier convertisseur coïncide toujours avec un front descendant d'une impulsion de tension à générer sur 15 une phase de sortie du deuxième convertisseur. Selon une autre particularité, le procédé comporte une étape de détection des modulantes en surmodulation en vue de déterminer un nombre de bras de commutation bloqué dans chaque convertisseur. Selon une autre particularité, le procédé comporte une étape de détermination 20 d'un nombre de synchronisation possible en fonction du nombre de bras de commutation bloqué dans chaque convertisseur. L'invention concerne également un système de commande mis en oeuvre pour une installation de commande de moteur électrique, ladite installation de commande 25 comportant : Un premier convertisseur comportant des bras de commutation commandés pour appliquer des premiers fronts de tension à un premier moteur électrique connecté audit premier convertisseur par des premières phases de sortie, 30 Un deuxième convertisseur connecté comportant des bras de commutation commandés pour appliquer des deuxièmes fronts de tension à un deuxième moteur électrique connecté audit deuxième convertisseur par des deuxièmes phases de sortie, 3050337 5 Ledit système comportant un module logiciel de synchronisation des premiers fronts de tension avec les deuxièmes fronts de tension en vue de minimiser les courants de mode commun générés par ladite installation. 5 Selon une particularité, le module de synchronisation est exécuté pour : Synchroniser les fronts de tension montants des impulsions de tension générées sur les phases de sortie du premier convertisseur avec des fronts de tension descendants des impulsions de tension générées sur les phases de sortie du deuxième convertisseur, et 10 Synchroniser les fronts de tension descendants des impulsions de tension générées sur les phases de sortie du premier convertisseur avec des fronts de tension montants des impulsions de tension générées sur les phases de sortie du deuxième convertisseur. Selon une autre particularité du système, pour chaque impulsion de tension, le 15 front de tension montant et le front de tension descendant sont déterminés à partir d'une modulation à largeur d'impulsion de type intersective entre une porteuse de type asymétrique et deux modulantes. Selon une autre particularité du système, le module de synchronisation est agencé pour déterminer, sur une période de découpage, les modulantes pour que 20 chaque front montant d'une impulsion de tension à générer sur une phase de sortie du premier convertisseur coïncide toujours avec un front descendant d'une impulsion de tension à générer sur une phase de sortie du deuxième convertisseur. Selon une autre particularité, le système un module de détection des modulantes en surmodulation en vue de déterminer un nombre de bras de 25 commutation bloqués dans chaque convertisseur. Selon une autre particularité, le système comporte un module de détermination d'un nombre de synchronisation possible en fonction du nombre de bras de commutation bloqués dans chaque convertisseur. 30 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 : - La figure 1A représente une installation de commande pour laquelle le 35 procédé de commande de l'invention est mis en oeuvre. 3050337 6 La figure 1B représente une variante à l'installation de commande de la figure 1 à laquelle le procédé de commande de l'invention peut être appliqué. La figure 2 illustre les courants de mode commun générés dans une 5 installation de commande telle que représentée sur la figure 1A. Les figures 3A et 3B illustrent, respectivement le principe de fonctionnement d'une modulation intersective classique et celui d'une modulation intersective employant une porteuse et deux modulantes. Les figures 4A et 4B illustrent les deux types d'impulsions pouvant être 10 générées par une modulation intersective. La figure 5 illustre l'implémentation du procédé de commande de l'invention dans une installation de commande telle que celle représentée sur la figure 1A. La figure 6 représente le principe d'une synchronisation totale des 15 impulsions, obtenue grâce au procédé de commande de l'invention. La figure 7 représente le principe d'une synchronisation obtenue grâce au procédé de commande de l'invention, lorsqu'un bras de commutation d'un convertisseur est bloqué. La figure 8 représente le principe d'une synchronisation obtenue grâce au 20 procédé de commande de l'invention, lorsque deux bras de commutation appartenant à des convertisseurs différents sont bloqués. La figure 9 représente le principe d'une synchronisation obtenue grâce au procédé de commande de l'invention, lorsque deux bras de commutation d'un même convertisseur sont bloqués. 25 La figure 10 représente le principe d'une synchronisation obtenue grâce au procédé de commande de l'invention, lorsqu'un bras de commutation d'un convertisseur et deux bras de commutation de l'autre convertisseurs sont bloqués. La figure 11 représente le principe d'une synchronisation obtenue grâce au 30 procédé de commande de l'invention, lorsque deux bras de commutation d'un convertisseur et deux bras de commutation de l'autre convertisseur sont bloqués. La figure 12 illustre de manière schématique le principe de sélection du mode de synchronisation. 3050337 7 Description détaillée d'au moins un mode de réalisation L'invention vise à proposer un procédé de commande qui pourra s'adapter à des architectures qui présentent au moins deux convertisseurs. 5 Pour simplifier, l'invention sera décrite ci-dessous pour des installations à deux convertisseurs mais il faut comprendre que le principe pourra s'appliquer pour des installations à plus de deux convertisseurs. Les particularités de fonctionnement liées à une installation à plus de deux convertisseurs seront détaillées par la suite. 10 En référence à la figure 1A, une première variante d'une installation à deux convertisseurs connectés en parallèle à un même bus continu d'alimentation comporte ainsi : Une source de tension fournissant une tension continue. La source de tension continue sera par exemple composée d'un redresseur REC 15 connecté à un réseau électrique R et destiné à redresser une tension alternative fournie par ce réseau. Un bus continu d'alimentation doté d'une première ligne d'alimentation L1 à potentiel positif et d'une seconde ligne d'alimentation L2 à potentiel négatif entre lesquelles est appliquée la tension continue. 20 Au moins un condensateur de bus Cbus connecté entre la première ligne d'alimentation L1 et la seconde ligne d'alimentation L2 et destiné à maintenir constante la tension continue sur le bus. Un premier convertisseur CONV1 de type onduleur connecté au bus continu d'alimentation et comprenant plusieurs bras de commutation 25 connectés en parallèle entre les deux lignes d'alimentation. Chaque bras de commutation comporte au moins deux transistors, par exemple de type IGBT, connectés en série. Des premières phases de sortie U, V, W, chaque première phase de sortie étant connectée à un point milieu situé entre deux transistors d'un bras de 30 commutation distinct du premier convertisseur de manière à être relié à un premier moteur électrique M1. Un deuxième convertisseur CONV2 de type onduleur connecté au bus continu d'alimentation, en parallèle du premier convertisseur CONV1, et comprenant également plusieurs bras de commutation connectés en 3050337 8 parallèle entre les deux lignes d'alimentation. Chaque bras de commutation comporte au moins deux transistors, par exemple de type IGBT, connectés en série. Des deuxièmes phases de sortie X, Y, Z, chaque deuxième phase de 5 sortie étant connectée à un point milieu situé entre deux transistors d'un bras de commutation distinct du deuxième convertisseur de manière à être relié à un deuxième moteur électrique M2. Un filtre de mode commun FMC est également positionné en entrée, en amont 10 du redresseur pour filtrer les tensions de mode commun générées. L'un des objectifs du procédé de l'invention est de pouvoir réduire les tensions de mode commun dès leur origine et permettre ainsi d'éviter tout surdimensionnement de ce filtre. Dans une deuxième variante de réalisation représentée sur la figure 1 B, deux variateurs de vitesse sont destinés à commander chacun un moteur électrique M1, M2 15 distinct, les deux moteurs électriques étant associés dans l'entraînement d'une même charge C. Dans cette installation, les deux convertisseurs CONV10, CONV20 sont connectés de manière indépendante au réseau à travers un redresseur distinct REC10, REC20. Dans la suite de la description, l'invention sera décrite pour une installation à 20 deux convertisseurs connectés en parallèle à un même bus continu d'alimentation, telle que représentée sur la figure 1A. Cependant, il faut comprendre que l'invention pourra s'appliquer aussi à une installation telle que celle représentée sur la figure 1B. Pour la commande de ces convertisseurs CONV1, CONV2, l'installation 25 représentée sur la figure 1A comporte un système de commande adapté. Le système de commande pourra comporter une unité de commande commune à tous les convertisseurs ou une unité de commande distincte associée à chaque convertisseur. Dans la suite de la description et de manière non limitative, nous considérerons une solution dans laquelle une unité de commande distincte est dédiée à la commande 30 d'un convertisseur particulier. Deux unités de commande UC1, UC2 distinctes sont ainsi employées pour commander respectivement le premier convertisseur CONV1 et le deuxième convertisseur CONV2 de l'installation selon l'architecture de la figure 1A. Chaque unité de commande est destinée à commander les transistors du convertisseur auquel elle est associée entre un état ouvert et un état fermé pour 3050337 9 appliquer des tensions sur les phases de sortie, lesdites tensions étant déterminées en exécutant une loi de commande spécifique. Chaque transistor est associé à un dispositif de commande de grille qui reçoit les ordres de commande de son unité de commande. Chaque unité de commande comporte notamment un microprocesseur et 5 des moyens de mémorisation. Les deux unités de commande UC1, UC2 sont avantageusement connectées entre elles de manière à pouvoir synchroniser leurs ordres de commande. Le procédé de commande de l'invention s'applique préférentiellement à une installation dont le premier convertisseur CONV1 et le deuxième convertisseur CONV2 10 comportent un même nombre de bras de commutation, par exemple trois bras de commutation, chaque bras comportant au moins deux transistors de puissance. Préférentiellement, le nombre de niveaux du premier convertisseur est identique au nombre de niveaux du deuxième convertisseur. Sur la figure 1A et de manière non limitative, le premier convertisseur CONV1 et le deuxième convertisseur CONV2 sont à 15 deux niveaux. Bien entendu, le premier convertisseur et le deuxième convertisseur pourraient avoir des topologies différentes. Dans la suite de la description, l'invention est décrite pour des convertisseurs DC/AC triphasés identiques à deux niveaux. Bien entendu, il faut comprendre que l'invention pourra s'appliquer pour des topologies différentes, en effectuant des 20 adaptations dans le procédé de commande de l'invention qui sera décrit ci-dessous. La figure 2 représente l'installation de commande de la figure 1 de manière simplifiée en faisant ressortir les perturbations de mode commun fournies par chacun des convertisseurs. Le courant de mode commun généré peut emprunter différents 25 chemins entre le système et chaque moteur électrique. Ces chemins sont créés par des couplages capacitifs générés : Entre les conducteurs du câble reliant chaque convertisseur à sa charge électrique, Entre les enroulements du moteur et le stator, et 30 Entre les transistors de chaque convertisseur et le dissipateur relié à la terre. Lorsque l'installation comporte ainsi deux convertisseurs, la tension de mode commun totale est la somme des perturbations fournies par chacun des convertisseurs. 3050337 10 On a ainsi : vm" = uV 0 + Vvo + Vwo et V =Vxo + VYO + V ZO 3 mc _2 3 Dans lesquelles : Vu0, Vv0, Vw0 correspondent aux tensions simples sur les phases de sortie U, V, W du premier convertisseur, référencées au point bas (0) du bus continu d'alimentation, V 3 (1+ hNo - 2 i ) = -3(1- hNo 2 ) 2 *> hNO 1 = hNO 2 5 Avec : - Pu, Pli, iew les rapports cycliques des impulsions de type 1-0-1 sur les phases de sortie X, Y, Z du deuxième convertisseur. ax, ay, az les rapports cycliques des impulsions de type 0-1-0 sur les phases de sortie X, Y, Z du deuxième convertisseur. 10 hNoi la composante homopolaire employée dans la commande du premier convertisseur et hNo2 la composante homopolaire employée dans la commande du deuxième convertisseur. Si les différentes conditions définies ci-dessus sont remplies, une 15 synchronisation totale des fronts de tension est mise en oeuvre par le module de synchronisation exécuté l'unité de commande. Dans ce cas, le procédé de commande de l'invention applique l'algorithme décrit ci-dessous en liaison avec la figure 5. Il s'agit de déterminer chaque modulante à appliquer pour que la synchronisation soit totale. Dans cet algorithme, on a : m1 X1 m2 X1 m1 YI m2 YI m1 Z1 m2 Z qui représentent, pour chaque phase de sortie X, Y, Z du deuxième convertisseur, les deux modulantes à déterminer pour les impulsions de type 0-1-0 à appliquer, M3 U1 M4 U1 M3 V, M4 V, M3 W, M4 w qui représentent, pour chaque phase de sortie U, V, W du premier convertisseur, les deux modulantes à déterminer pour les impulsions de type 1-0-1 à appliquer, T1 à T6 correspondent aux instants définissant chaque impulsion appliquée sur les phases de sortie U, V, W du premier convertisseur et X, Y, Z du deuxième convertisseur. 20 25 3050337 18 Pour obtenir la synchronisation totale, en liaison avec la figure 6, les différentes étapes mises en oeuvre par le module de synchronisation pour déterminer les modulantes à appliquer sur une période de découpage T, sont alors les suivantes : 5 a. Choix arbitraire pour fixer un premier front de tension, par exemple le front montant de l'impulsion V REVENDICATIONS1. Procédé de commande mis en oeuvre pour une installation de commande de moteur électrique, ladite installation de commande comportant : Un premier convertisseur (CONV1) comportant des bras de commutation commandés pour appliquer des premiers fronts de tension à un premier moteur électrique (M1) connecté audit premier convertisseur par des premières phases de sortie, Un deuxième convertisseur (CONV2) comportant des bras de commutation commandés pour appliquer des deuxièmes fronts de tension à un deuxième moteur électrique (M2) connecté audit deuxième convertisseur par des deuxièmes phases de sortie, Caractérisé en ce que le procédé de commande comporte une étape de synchronisation des premiers fronts de tension avec les deuxièmes fronts de tension en vue de minimiser les courants de mode commun générés par ladite installation. 2. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de synchronisation consiste, sur une période de découpage, à : Synchroniser les fronts de tension montants des impulsions de tension générées sur les phases de sortie (U, V, W) du premier convertisseur avec des fronts de tension descendants des impulsions de tension générées sur les phases de sortie (X, Y, Z) du deuxième convertisseur, et Synchroniser les fronts de tension descendants des impulsions de tension générées sur les phases de sortie du premier convertisseur avec des fronts de tension montants des impulsions de tension générées sur les phases de sortie du deuxième convertisseur. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que pour chaque impulsion de tension, le front de tension montant et le front de tension descendant sont déterminés à partir d'une modulation à largeur d'impulsion de type intersective entre une porteuse de type asymétrique et deux modulantes. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape de synchronisation consiste à déterminer, sur une période de découpage, les 3050337 25 modulantes pour que chaque front montant d'une impulsion de tension à générer sur une phase de sortie du premier convertisseur coïncide toujours avec un front descendant d'une impulsion de tension à générer sur une phase de sortie du deuxième convertisseur. 5 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détection des modulantes en surmodulation en vue de déterminer un nombre de bras de commutation bloqué dans chaque convertisseur. 10 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détermination d'un nombre de synchronisation possible en fonction du nombre de bras de commutation bloqué dans chaque convertisseur. 7. Système de commande mis en oeuvre pour une installation de commande de 15 moteur électrique, ladite installation de commande comportant : Un premier convertisseur comportant des bras de commutation commandés pour appliquer des premiers fronts de tension à un premier moteur électrique connecté audit premier convertisseur par des premières phases de sortie, 20 Un deuxième convertisseur comportant des bras de commutation commandés pour appliquer des deuxièmes fronts de tension à un deuxième moteur électrique connecté audit deuxième convertisseur par des deuxièmes phases de sortie, Caractérisé en ce que le système comporte un module logiciel de 25 synchronisation des premiers fronts de tension avec les deuxièmes fronts de tension en vue de minimiser les courants de mode commun générés par ladite installation. 8. Système de commande selon la revendication 7, caractérisé en ce que le 30 module de synchronisation est exécuté pour : Synchroniser les fronts de tension montants des impulsions de tension générées sur les phases de sortie (U, V, W) du premier convertisseur avec des fronts de tension descendants des impulsions de tension générées sur les phases de sortie (X, Y, Z) du deuxième convertisseur, et Synchroniser les fronts de tension descendants des impulsions de tension générées sur les phases de sortie du premier convertisseur avec des fronts 3050337 26 de tension montants des impulsions de tension générées sur les phases de sortie du deuxième convertisseur. 9. Système selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que pour chaque impulsion de tension, le front de tension montant et le front de tension 5 descendant sont déterminés à partir d'une modulation à largeur d'impulsion de type intersective entre une porteuse de type asymétrique et deux modulantes. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que le module de synchronisation est agencé pour déterminer, sur une période de découpage, 10 les modulantes pour que chaque front montant d'une impulsion de tension à générer sur une phase de sortie du premier convertisseur coïncide toujours avec un front descendant d'une impulsion de tension à générer sur une phase de sortie du deuxième convertisseur. 15 11. Système selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comporte un module de détection des modulantes en surmodulation en vue de déterminer un nombre de bras de commutation bloqués dans chaque convertisseur. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un module 20 de détermination d'un nombre de synchronisation possible en fonction du nombre de bras de commutation bloqués dans chaque convertisseur.