Brevet FR3073992A1 — publié le 20190524

Procédé de commande d'un redresseur de Vienne triphasé La présente invention concerne un procédé de commande d'un redresseur triphasé pour un dispositif de charge à entrée triphasée, comprenant un convertisseur AC-DC (courant alternatif-courant continu) isolé. Un tel dispositif de charge est particulièrement adapté pour une utilisation en tant que dispositif embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride. Ces véhicules sont équipés de batteries électriques haute tension et comprennent généralement des chargeurs embarqués, c'est-à-dire des dispositifs de charge des batteries électriques qui sont montés directement sur les véhicules. La fonction principale de ces dispositifs de charge est la recharge des batteries à partir de l'électricité disponible sur le réseau de distribution électrique. Les critères recherchés pour les dispositifs de charge, et tout particulièrement pour les chargeurs embarqués, sont un rendement élevé, un faible encombrement, une isolation galvanique, une bonne fiabilité, une sécurité de fonctionnement, une faible émission de perturbations électromagnétiques, et un faible taux d'harmoniques sur le courant d'entrée. On se place ici dans la catégorie des dispositifs de charge à entrée triphasée, qui présentent une puissance de charge supérieure relativement aux dispositifs de charge à entrée monophasée. La figure 1 illustre une topologie connue d'un dispositif de charge 10 isolé, embarqué sur un véhicule électrique ou hybride pour la recharge de la batterie haute tension du véhicule à partir du réseau électrique triphasé 30 auquel le dispositif de charge embarqué 10 est connecté par l'intermédiaire de l'impédance de ligne 40 du réseau. Afin de mettre en oeuvre la fonction de conversion AC-DC avec isolation galvanique, il est connu d'utiliser un dispositif de charge 10 comprenant un premier convertisseur AC-DC, qui comporte un circuit correcteur de facteur de puissance 20 (PFC, pour « Power factor Correction ») afin de limiter les harmoniques de courant d'entrée, et un deuxième convertisseur DC-DC (courant continu-courant continu) 12, pour assurer la régulation de la charge et également pour assurer la fonction d'isolation pour la sécurité d'utilisation. Un filtre d'entrée 13 est classiquement intégré en entrée du dispositif de charge 2 embarqué 10, en amont du circuit PFC 20 par rapport au réseau électrique triphasé 30. Le circuit PFC 20 est commandé par un contrôleur intégré (non représenté), qui analyse et corrige en temps réel l'allure du courant par rapport 5 à la tension. Il en déduit les erreurs de forme par comparaison avec la sinusoïde redressée de la tension et il les corrige en contrôlant la quantité d'énergie grâce à un découpage haute fréquence et un stockage d'énergie dans une inductance. Son rôle est plus précisément d'obtenir un courant non déphasé et le plus sinusoïdal possible en entrée de l'alimentation du chargeur. 10 Pour le circuit PFC 20, il est connu, notamment du document d'art antérieur CN104811061, de mettre en oeuvre un redresseur triphasé trois niveaux à trois interrupteurs, communément connu sous le nom de redresseur triphasé de Vienne, tel que décrit dans le document d'art antérieur EP94120245 et en figure 2. 15 Le choix de cette topologie est en effet particulièrement avantageux du point de vue des performances pour la correction de facteur de puissance. Dans un redresseur triphasé de Vienne 20, chaque phase de la tension d'entrée alternative triphasée 30 est reliée par des inductances respectives La, Lb, Lc à un bras de commutation 1, 2, 3 du redresseur 20, lequel est pourvu 20 d'une cellule d'interrupteurs de puissance respectivement Sa, Sb, Sc. Les cellules d'interrupteurs de puissance Sa, Sb, Sc étant disposées chacune entre une inductance respective La, Lb, Lc et un point milieu O entre les deux tensions de sortie VDCH et VDCL du redresseur 20, correspondant respectivement à la tension sur un premier condensateur de sortie Cl connecté 25 entre le point milieu O et une ligne d'alimentation positive H et à la tension sur un deuxième condensateur de sortie C2 connecté entre le point milieu O et une ligne d'alimentation négative L. Généralement pour commander un tel redresseur de Vienne 20, on mesure les tensions Va, Vb, Vc et les courants ia, ib, ic en amont des 30 inductances La, Lb, Lc, ou alternativement directement en aval de ces inductances La, Lb, Lc, ainsi qu'en sortie du redresseur et on utilise des boucles de régulation permettant de générer des rapports cycliques 3 nécessaires pour régler le temps de conduction moyen des interrupteurs Sa, Sb, Sc. L'état de l'art sur l'application des rapports cycliques sur chaque bras de commutation d'un redresseur triphasé de Vienne consiste à utiliser l'un ou 5 l'autre des deux interrupteurs en fonction du sens de circulation du courant sur le bras. Cependant, les procédés connus de l'art antérieur pour générer les rapports cycliques du redresseur de Vienne 20 produisent aux bornes des condensateurs de sortie C1, C2 des tensions fluctuantes, qui rendent la 10 régulation du DC/DC 12 relativement complexe et peu fiable. En particulier, on connaît du document CN104811061 précédemment cité, une commande du redresseur mettant en oeuvre une régulation complexe utilisant un tableau de tensions précalculées fonction du nombre de combinaisons d'états des trois commutateurs. Une telle commande est par 15 conséquent peu adaptable, peu robuste. Aussi, on cherche une solution pour améliorer la commande du redresseur, notamment en obtenant un découplage des puissances actives et réactives et en optimisant le rejet de perturbations. On propose un procédé de commande d'un redresseur triphasé 20 comprenant : - une étape de mesure des courants et tensions composées en entrée dudit redresseur ; - une étape de détermination d'une valeur de puissance active et d'une valeur de puissance réactive en fonction desdits courants et tensions mesurés ; 25 - une étape de définition d'une première régulation pour asservir ladite puissance active à une valeur de consigne de puissance de charge ; - une étape de définition d'une seconde régulation pour asservir ladite valeur de puissance réactive à une valeur de consigne de puissance réactive ; - une étape de détermination de tensions de commande à appliquer sur chaque 30 bras dudit redresseur triphasé ; et - une étape de génération de rapports cycliques en fonction desdites tensions de commande. 4 Ainsi, on peut obtenir une commande robuste et relativement simple, en particulier sans boucle à verrouillage de phase ni fonction trigonométrique, lesquelles sont relativement coûteuses en temps de calcul. Le procédé permet en outre de découpler les puissances actives et réactives. 5 De cette manière on peut en outre asservir la puissance directement sans passage par un calcul de consigne de courant. Avantageusement et de manière non limitative, la première régulation comprend une action proportionnelle, une action intégrale, une action de désaturation et une action d'anticipation. Ainsi, on peut améliorer la commande 10 de la puissance active, en obtenant un temps de réponse rapide avec un rejet de perturbation efficace. Avantageusement et de manière non limitative, la deuxième régulation comprend une action proportionnelle, une action intégrale et une action de désaturation. Ainsi, on peut améliorer la commande de la puissance réactive en 15 obtenant un temps de réponse rapide avec un rejet de perturbation efficace. Avantageusement et de manière non limitative, ladite consigne de puissance réactive est nulle, permettant d'optimiser le rendement du système. Cependant, la consigne de puissance réactive peut aussi être non nulle, par exemple réglée à une valeur adaptée pour respecter une norme de charge 20 sur le réseau. Avantageusement et de manière non limitative, l'étape de mesure est suivie d'une étape de transformation des courants mesurés en entrée du redresseur triphasé en courants transformés dans un repère diphasé fixe. Ainsi, on peut obtenir la commande dans un repère fictif simplifiant les opérations de 25 calcul. Avantageusement et de manière non limitative, l'étape de mesure est suivie d'une étape de calcul de tensions simples en fonction desdites tensions composées et d'une étape de transformation desdites tensions simples en tensions transformées dans un repère diphasé fixe. Ainsi, on peut obtenir la 30 commande dans un repère fictif simplifiant les opérations de calcul. L'invention concerne aussi un dispositif de commande d'un redresseur triphasé comprenant : 5 - des moyens de mesure des courants et tensions composées en entrée dudit redresseur ; - des moyens de détermination d'une valeur de puissance active et d'une valeur de puissance réactive en fonction desdits courants et tensions mesurés ; 5 - des moyens de définition d'une première régulation pour asservir ladite puissance active à une valeur de consigne de puissance de charge ; - des moyens de définition d'une seconde régulation pour asservir ladite valeur de puissance réactive à une valeur de consigne de puissance réactive ; - des moyens de détermination de tensions de commande à appliquer sur 10 chaque bras dudit redresseur triphasé ; et - des moyens de génération de rapports cycliques en fonction desdites tensions de commande. L'invention concerne aussi un ensemble électrique comprenant un redresseur triphasé et un dispositif de commande tel que décrit précédemment. 15 L'invention concerne aussi un véhicule automobile comprenant un ensemble électrique tel que décrit précédemment. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins 20 annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un ensemble électrique connu de l'art antérieur; - la figure 2 est une vue schématique d'un redresseur de Vienne d'un ensemble électrique selon la figure 1; et 25 - la figure 3 est un organigramme du procédé de commande selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 2 représente la structure d'un redresseur triphasé de Vienne 20 connu de l'art antérieur, tel qu'il est employé dans l'invention. Le redresseur triphasé de Vienne 2 comprend trois connexions entrantes 30 parallèles couplées chacune à une phase d'un réseau d'alimentation électrique triphasé 30 par l'intermédiaire d'une bobine d'inductance en série La, Lb, Lc, et reliée chacune à une paire d'interrupteurs Sa, Sb, Sc formant un premier, un 6 deuxième et un troisième bras de commutation du redresseur triphasé de Vienne. Chaque paire d'interrupteurs Sa, Sb, Sc comprend un montage série en tête bêche constitué d'un premier interrupteur correspondant Sah, Sbh, Sch, qui 5 est piloté quand un courant d'entrée correspondant ia, ib, ic est positif, et d'un second interrupteur correspondant Sal, Sbl, Scl qui est piloté quand le courant d'entrée correspondant est négatif. Autrement dit, on utilise un seul interrupteur piloté sur une branche de commutation pour le hachage du courant. Les interrupteurs sont formés par des composants semi-conducteurs commandés à 10 la fermeture et à l'ouverture, tel que des transistors SiC-MOS (acronyme anglais pour Silicon Carbide-Meta/ Oxide Semiconductor), connectés en antiparallèle avec une diode. Ce type de semi-conducteurs est adapté pour des fréquences de découpage très élevées. Les interrupteurs Sah, Sbh, Sch sont également nommés interrupteurs haut et les interrupteurs Sal, Sbl, Scl, 15 interrupteurs bas. Le redresseur triphasé de Vienne 20 comprend aussi trois branches parallèles 1, 2 et 3, comportant chacune deux diodes Dah et Dal, Dbh et Dbl et Dch et Dcl, qui forment un pont triphasé à six diodes permettant un transfert unidirectionnel de l'énergie et de redresser le courant et la tension prélevés à 20 partir du réseau d'alimentation électrique 30 triphasé. Chaque entrée du redresseur triphasé de Vienne 20 est connectée, par une connexion entrante parallèle respective, à un point de connexion situé entre deux diodes d'une même branche 1, 2 et 3. Les deux extrémités communes des branches 1, 2 et 3 constituent deux 25 bornes de sorties H et L, respectivement positive H et négative L, du redresseur triphasé de Vienne 20, qui sont destinées à être couplées au dispositif DC-DC 12. Les bras de commutation Sa, Sb, Sc de chaque phase sont par ailleurs connectés chacun respectivement entre le point de connexion a, b, c situé entre 30 les deux diodes des première 1, deuxième 2 et troisième branches 3 et un point milieu O des tensions de sortie VDcH et VDcL du redresseur triphasé de Vienne 20, correspondant respectivement à la tension sur un condensateur de sortie Cl entre la borne de sortie positive H du redresseur triphasé et le point milieu O 7 et à la tension sur un condensateur de sortie C2 entre le point milieu O et une borne de sortie négative L du redresseur triphasé 20. La tension sur les condensateurs de sortie C1, C2 est asservie de façon indépendante par le convertisseur DC-DC du dispositif de charge connecté en 5 sortie du redresseur triphasé de Vienne 20, selon la topologie globale illustré à la figure 1. Autrement dit, les tensions de sortie du redresseur triphasé de Vienne 20 sont commandées par le convertisseur DC-DC 12. Le redresseur triphasé de Vienne 20 intercalé à l'entrée de l'alimentation du chargeur 10 assume le rôle de correction du facteur de puissance du 10 chargeur. Un tel rôle permet d'empêcher les courants perturbateurs (harmoniques) produits par le chargeur, de circuler à travers l'impédance du réseau, située en amont du redresseur de Vienne 20. Les bras de commutation Sa, Sb et Sc de chaque phase du réseau triphasé 30 sont contrôlés aux moyens de six signaux de commande PWM 15 (d'après l'anglais « Pulse Width Modulation ») ayant un rapport cyclique variable à fréquence de découpage fixe égale à 140kHz individuellement réglé par des moyens de traitement de type FPGA par exemple (non représenté) pour des fréquences d'échantillonnage élevées. Ainsi, les moyens de traitement sont adaptés à déterminer les rapports 20 cycliques des signaux de commande de commutation des interrupteurs des bras de commutation du redresseur, nécessaires pour l'asservissement des courants sinusoïdaux en entrée du redresseur 20. Pour déterminer les rapports cycliques à appliquer au redresseur de Vienne 20 on met en oeuvre un procédé de commande 300. 25 Tout d'abord, on mesure 301 les tensions composées VAB, VBc, VcA, à partir desquelles on calcule 302 les tensions simples VA, VB, Vc. Les tensions simples VA, VB, Vc sont ensuite transformées 303 en tensions transformées ees mes dans un repère stationnaire diphasé a,13. Dans ce même repère stationnaire diphasé a,13, on transforme 313 les - es 30 courants de phases mesurés IA , I- C r , au cours d'une étape de mesure 311, en courant de phase transformés iâ es, Cites 8 A partir des tensions et courants mesurés on calcule la puissance active Pmes et la puissance réactive Qmes. Plus précisément, les tensions composées (entre-phases), VAB, VBC, VCA, sont mesurées 301 par des moyens connus de l'homme du métier. On calcule 5 le module du vecteur des tensions réseau comme suit : VG =2 ( + VBC + VjA ) (1) Les tensions simples VA, VB, Vc entre phases et neutre en entrée du redresseur triphasé de Vienne sont calculés 302 à partir des tensions composées VAB, VBC, VCA entre phases, comme suit : 1 0 -1 VAB 10 [VA 1 0 VBC (2) VB=1[-1 3 VG 0 -1 1 VCA On transforme 303 ensuite ces tensions simples VA, VB, VC dans un repère diphasé fixe (a,/.3), comme suit : ,mes 1-7 ,\17 - A VB+Vc mes VB-VC Vfl = (4) 3 (3) mes mes /mes 15 Les courants de phase, IA , /B C , sont mesurés 311 en entrée du redresseur triphasé de Vienne. Ils sont ensuite transformés 313 en courants transformés Pries, mes dans un repère diphasé fixe (a,/3) , comme suit : imes - 'irites 7 I mes ,\1 liene s Imes_imes = -mes B C (6) 20 A partir des courants et tensions mesurés, on calcule 304 la puissance active Pmes et on calcule 305 la puissance réactive Qmes: Pmes = vmes ;mes _L 'mes ;mes a e a ufl efl Qmesmes -mes mes -mes - Va y - ve La puissance active Pmes est asservie à une consigne de puissance de 25 charge P"cl déterminée 306 en fonction des besoins et du dimensionnement du réseau, et la puissance réactive Qmes est asservie à une consigne de puissance réactive Q"cl déterminée 307 en fonction des besoins et du dimensionnement 3 VT. (5) (7) (8) 9 du réseau. Pour ce faire, on emploie un régulateur de puissance active Vp et un régulateur de puissance réactive VQ. On détermine 308 les régulateurs de puissance active Vp et de puissance réactive VQ par application des équations suivantes : 5 Vp = (K: (Kt) KL8VP)) (preq - pores) - VG (9) VQ = (Ki?, +!(KiQ_KsQat8F2))(,req_ Qmes) (10) avec (SVP = Vp - max{min{vp, Vmax}, Vmin} (WQ = VQ max{min{VQ, Vmax} , Vmin} (12) 10 avec Vmin et Vmax respectivement les valeurs minimale et maximale de la tension de commande, et « s » l'opérateur de Laplace. A noter que dans les équations (11) et (12) on emploie les valeurs Vp/VQ de l'étape de calcul précédente, étant donné que ce procédé est répété en continu. 15 Les gains Kp et Ki représentent respectivement un gain proportionnel, qui assure la rapidité, et un gain intégral qui assure une erreur statique nulle. Le gain Ksat sert à éviter l'instabilité de l'asservissement quand la commande est saturée. Ainsi, la puissance active Pmes est asservie 308 à la consigne de 20 puissance de charge P"cl par l'intermédiaire d'un régulateur Vp, dite première régulation Vp, comportant une action proportionnelle, une action intégrale, une action de désaturation et une action d'anticipation. La puissance réactive Qmes est asservie à sa consigne Qreq (qui vaut zéro par défaut) par l'intermédiaire d'un régulateur VQ, dite deuxième régulation VQ, 25 comportant une action proportionnelle, une action intégrale et une action de désaturation. Les tensions de commande vA#,ve,v,1 générées 309, pour être appliquées sur chacun des bras de commutation du redresseur triphasé de Vienne via les interrupteurs de puissance, sont calculées suivant l'équation (13) : 10 1 0 [V A# = resvp - vresvQ , vie ,\IZ -7 2 vmesv vmesv VG 3 _-\13 fl P Q 2 2 L'homme du métier sait générer les rapports cycliques simplement, par comparaison à une rampe notamment, pour réaliser les tensions de commande vA,vB,vC à appliquer. 5 La consigne de puissance réactive Q"cl peut être égale à zéro, par défaut, afin d'optimiser le rendement du système. Néanmoins, elle peut être réglée par l'homme du métier à une autre valeur, par exemple de manière à répondre à certaines exigences sur les harmoniques de courants. En particulier, la consigne de puissance réactive Q"cl peut être choisie de manière à respecter 10 des normes données si la tension de réseau est perturbée. (13) REVENDICATIONS1. Procédé (300) de commande d'un redresseur triphasé (20) comprenant : res r es / mes - une étape de mesure (301, 311) des courants ( A , B C ) et tensions composées (VAB, Vgc, VcA) en entrée dudit redresseur ; - une étape de détermination (304, 305) d'une valeur de puissance active (Pmes) et d'une valeur de puissance réactive (Qmes) en fonction desdits courants et tensions mesurés ; - une étape de définition (306) d'une première régulation (Vp) pour asservir ladite puissance active à une valeur de consigne de puissance de charge (P'eci) - une étape de définition (307) d'une seconde régulation (VQ) pour asservir ladite valeur de puissance réactive à une valeur de consigne de puissance réactive (Ceci) ; - une étape de détermination (308) de tensions de commande (VA#,II,Vc1 à appliquer sur chaque bras dudit redresseur triphasé ; et - une étape de génération (309) de rapports cycliques en fonction desdites tensions de commande (vA#,ve,vn. 2. Procédé (300) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première régulation (Vp) comprend une action proportionnelle, une action intégrale, une action de désaturation et une action d'anticipation. 3. Procédé (300) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la deuxième régulation (VQ) comprend une action proportionnelle, une action intégrale et une action de désaturation. 4. Procédé (300) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite consigne de puissance réactive (Qreq) est nulle . 5. Procédé (300) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape de mesure (301, 311) est suivie d'une étape de 12 es mes transformation (313) des courants mesurés (IA ,B res /,c ) en entrée du redresseur triphasé (20) en courants transformés (i,'"'", i,;'") dans un repère diphasé fixe (a,13). 5 6. Procédé (300) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape de mesure (301, 311) est suivie d'une étape de calcul (302) de tensions simples (VA, VB, Vc) en fonction desdites tensions composées (VAB, VBc, VcA) et d'une étape de transformation (303) desdites tensions simples (VA, VB, Vc) en tensions transformées (vcres, vr") dans un 10 repère diphasé fixe (a,13). 7. Dispositif de commande d'un redresseur triphasé (20) comprenant : - des moyens de mesure des courants (I Aines ,IBmes Cele' ) et tensions composées (VAB, VBc, VcA) en entrée dudit redresseur ; 15 - des moyens de détermination (304, 305) d'une valeur de puissance active (Pmes) et d'une valeur de puissance réactive (Qmes) en fonction desdits courants et tensions mesurés ; - des moyens de définition (306) d'une première régulation pour asservir ladite puissance active à une valeur de consigne de puissance de charge (Preq) ; 20 - des moyens de définition (307) d'une seconde régulation pour asservir ladite valeur de puissance réactive à une valeur de consigne de puissance réactive (Qreq) ; - des moyens de détermination (308) de tensions de commande (VA#, VI,10 à appliquer sur chaque bras dudit redresseur triphasé ; et 25 - des moyens de génération (309) de rapports cycliques en fonction desdites tensions de commande (vA#,ve,vn 8. Ensemble électrique comprenant un redresseur triphasé (20) et un dispositif de commande selon la revendication 7. 30 9. Véhicule automobile comprenant un ensemble électrique selon la revendication 8.