Brevet FR3082686A1 — publié le 20191220

PROCÉDÉ DE PROTECTION THERMIQUE D'UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE La présente invention porte sur un procédé de protection thermique d'une machine électrique tournante. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des alternateurs pour véhicules automobiles. Un tel alternateur transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique et peut être réversible. Un alternateur réversible, appelé alterno-démarreur, permet de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule. L'invention pourra également être mise en oeuvre avec un moteur électrique. De façon connue en soi, un alternateur ou un alterno-démarreur comporte un carter et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor à griffes, solidaire en rotation d'un arbre, et un stator qui entoure le rotor avec présence d'un entrefer. Par ailleurs, le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir le bobinage. Le bobinage traverse les encoches et forme des chignons faisant saillie de part et d'autre du corps de stator. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Ces enroulements sont des enroulements polyphasés dont les extrémités correspondant à des sorties de phase sont reliées à un dispositif de contrôle. Ce dispositif de contrôle comporte un pont redresseur muni d'éléments redresseurs, tels que des diodes ou des transistors, par exemple de type MOSFET. Une telle machine peut mettre en oeuvre une fonction de freinage récupératif permettant de fournir de l'énergie électrique à la batterie lors d'une phase de freinage. Lorsqu'une telle fonction est activée, l'alternateur est sollicité à ses limites afin de délivrer le maximum de courant possible. Cela provoque une élévation de température qu'il est nécessaire de contrôler 2 afin de ne pas dégrader la fiabilité de l'alternateur. Ce problème de contrôle thermique se pose particulièrement pour les alternateurs fonctionnant en sur-régime, désignés également par les termes alternateur "boostés". Ce type d'alternateur est utilisé dans le cadre d'opérations d'abaissement en gamme 5 (désignée par le terme "downsizing" en anglais) consistant à utiliser, dans un véhicule d'une certaine catégorie, un équipement d'un véhicule d'une catégorie inférieure en "boostant" ses caractéristiques. L'invention vise à résoudre efficacement ce problème de contrôle de la température en proposant un procédé de pilotage d'une machine électrique 10 tournante, notamment pour véhicule automobile, caractérisé en ce que ledit procédé comporte: - une étape de détermination d'une tension d'excitation limite du rotor en fonction d'une vitesse de rotation du rotor et d'une température ambiante de la machine électrique tournante, 15 - une étape de détermination d'un écart entre une valeur relative à une tension d'excitation réelle du rotor et une valeur relative à la tension d'excitation limite du rotor, - une étape d'application, sur l'écart précédemment déterminé, d'un filtre représentatif d'une constante de temps thermique de la machine électrique 20 tournante pour obtenir un écart filtré, - une étape de détermination d'un rapport cyclique maximal à partir de l'écart filtré, et - une étape d'application au rotor d'un rapport cyclique égal au minimum entre un rapport cyclique issu d'une boucle de régulation et le rapport 25 cyclique maximal précédemment déterminé. L'invention permet ainsi de gérer la température de l'alternateur tout en permettant d'appliquer, de manière transitoire, un débit très important en sortie de la machine électrique tournante, notamment lors de l'activation de la fonction de freinage récupératif. L'invention présente également un 30 caractère économique, dans la mesure où elle pourra être implémentée de façon logicielle dans le dispositif de contrôle existant de la machine électrique tournante. Selon une mise en oeuvre, pour déterminer la tension d'excitation limite du 3 rotor, ledit procédé comporte: - une étape de détermination d'une tension d'excitation en fonction de la vitesse de rotation du rotor, et - une étape de décalage de la tension d'excitation en fonction de la 5 température ambiante. Selon une mise en oeuvre, ledit procédé comporte une étape de correction de l'écart filtré. Selon une mise en oeuvre, la correction est de type proportionnel. Cette mise en oeuvre présente l'avantage d'être simple et efficace et est donc ui préférentiellement retenue. Selon une mise en oeuvre, la correction est de type proportionnel intégral. Selon une mise en oeuvre, la correction est de type proportionnel intégral dérivé. Selon une mise en oeuvre, l'écart déterminé est l'écart entre la tension 15 d'excitation réelle du rotor et la tension d'excitation limite du rotor. Selon une mise en oeuvre, l'écart déterminé est l'écart entre le carré de la tension d'excitation réelle du rotor et le carré de la tension d'excitation limite du rotor. Selon une mise en oeuvre, la température ambiante est estimée. 20 Selon une mise en oeuvre, la température ambiante est estimée à partir d'une mesure de température effectuée au niveau d'une jonction d'un circuit électronique d'un dispositif de contrôle. Selon une mise en oeuvre, la température ambiante est estimée à partir d'une mesure de température effectuée sur un dispositif de contrôle, ou bien 25 sur la machine électrique tournante, ou bien encore à partir d'une mesure de température fournie par un calculateur moteur. Selon une mise en oeuvre, la température ambiante est mesurée. L'invention a également pour objet un dispositif de contrôle caractérisé en ce 4 qu'il comporte une mémoire stockant des instructions logicielles ou un réseau logique programmé pour la mise en oeuvre du procédé de pilotage d'une machine électrique tournante tel que précédemment défini. L'invention concerne en outre une machine électrique tournante caractérisée 5 en ce qu'elle comporte un dispositif de contrôle tel que précédemment défini. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. La figure 1 est une représentation schématique fonctionnelle d'une machine 10 électrique tournante mettant en oeuvre le procédé selon la présente invention; La figure 2a est un diagramme du bloc fonctionnel permettant de calculer la tension d'excitation limite applicable au rotor; La figure 2b montre des représentations graphiques illustrant l'ajustement de 15 la tension d'excitation limite du rotor en fonction de la température ambiante; La figure 3 est un diagramme du bloc fonctionnel permettant de calculer un rapport cyclique maximal applicable au rotor à partir de la tension d'excitation limite; La figure 4 est un diagramme fonctionnel synthétique de l'ensemble des 20 fonctions permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; La figure 5 est un diagramme de l'évolution temporelle des signaux des blocs fonctionnels lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention permettant de limiter une température de la machine électrique tournante; La figure 6 est une représentation graphique de l'évolution de la tension 25 d'excitation et de la température de la machine électrique en fonction de la charge lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. 5 La figure 1 montre de façon schématique une machine électrique tournante 10, en particulier un alternateur, mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. L'alternateur 10 est destiné à être installé dans un véhicule comportant un réseau électrique, appelé également réseau de bord, 5 connecté à une batterie Batt. Le réseau de bord pourra présenter une tension de fonctionnement notamment de 12V, 24V, ou 48V. L'alternateur 10 pourra fonctionner en mode alternateur appelé également mode générateur, ou en mode moteur comprenant un mode démarreur, connus de l'homme du métier. 10 L'alternateur 10 comprend notamment une partie électrotechnique 11, un dispositif de contôle 122 et un pont redresseur 13. Plus précisément, la partie électrotechnique 11 comprend un élément induit 14, et un élément inducteur 15. Dans un exemple, l'induit 14 est le stator, et l'inducteur 15 est un rotor comportant une bobine d'excitation 16. La vitesse 15 du rotor 15 est calculée par le dispositif de contrôle 122 à partir de la mesure de la période d'une phase connectée au dispositif de contrôle. Le stator 14 comprend un nombre N de phases. Dans l'exemple considéré, le stator 14 comporte trois phases u, v et w. En variante, le nombre N de phases pourra être égal à 5 pour une machine pentaphasée, à 6 pour une machine de type 20 hexaphasée ou double triphasée ou à 7 pour une machine heptaphasée. Les phases du stator 14 pourront être couplées en triangle ou en étoile. Une combinaison de couplage triangle et étoile est également envisageable. Le dispositif de contrôle 122 comprend un circuit d'excitation 121 générant un courant d'excitation qui est destiné à être injecté dans la bobine 25 d'excitation 16 du rotor 15. Ce circuit d'excitation 121 est intégré à un dispositif de contrôle 122 pour asservir la tension de sortie B+ à une valeur fixée. À cet effet, le dispositif de contrôle 122 comprend un comparateur pour faire la différence entre la valeur fixée et la tension de sortie B+ et en déduire un signal d'erreur en tension. En outre, un correcteur détermine le rapport 30 cyclique en fonction du signal d'erreur en tension. Le correcteur pourra comprendre des fonctions proportionnelle, intégrale, et dérivée afin d'améliorer la stabilité, la précision, et la rapidité de la boucle de contrôle en tension. 6 Le dispositif de contrôle 122 comporte un pont redresseur 13 muni d'éléments redresseurs, tels que des diodes ou des transistors, par exemple de type MOSFET. Un signal de commande issu du calculateur moteur 20 est reçu via un moyen de communication 21 de type CAN ("Controller Area 5 Network" en anglais), LIN ("Local lnterconnect Network" en anglais) ou autre. Le pont redresseur 13 comporte un premier élément de commutation reliant un enroulement de phase u, v, w à la tension d'alimentation B+ de la batterie Batt quand il est passant, et un second élément de commutation reliant cet enroulement de phase u, v, w à la masse M quand il est passant. Les to éléments de commutation utilisés sont de préférence des transistors de puissance de type MOSFET, des diodes, ou bien des diodes faibles pertes. Le dispositif de contrôle 122 comporte une mémoire 124 stockant des instructions logicielles ou un réseau logique programmé pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention décrit ci-après en référence 15 avec les figures 2 et 4. La figure 2a montre un bloc fonctionnel B1 permettant de déterminer une tension d'excitation limite Uexc_lim du rotor 15 en fonction d'une vitesse de rotation Wmel du rotor 15 et d'une température ambiante Tamb de l'alternateur 10. Il s'agit d'une tension limite à ne pas dépasser lorsque 20 l'alternateur 10 est stabilisé en débit afin de ne pas excéder sa température maximale de fonctionnement. À cet effet, le module M1 détermine une tension d'excitation Uexc en fonction de la vitesse de rotation Wmel du rotor 15. La tension d'excitation Uexc est décalée par application, via le module additionneur M2, d'une valeur de 25 tension de décalage Voff issue du module M3. Ce module M3 génère la valeur de tension de décalage Voff en fonction de la température ambiante Tamb de l'alternateur 10. Ainsi, comme on peut le voir sur la figure 2b, par rapport à la courbe de référence CO obtenue pour une température ambiante Tamb de référence, la courbe Cl obtenue pour une température ambiante 30 Tamb inférieure à la température ambiante Tamb de référence est décalée vers le haut, et la courbe C2 obtenue pour une température ambiante Tamb supérieure à la température ambiante Tamb de référence est décalée vers le bas. Les modules M1 et M3 peuvent prendre la forme d'une cartographie. 7 La température ambiante Tamb pourra être estimée au moyen du module M4 à partir d'une mesure Tmes effectuée sur une jonction d'un circuit électronique du dispositif de contrôle 122, ou d'une mesure effectuée directement sur un dispositif de contrôle 122 ou sur la machine électrique 5 tournante 10, ou encore à partir d'une mesure de température fournie par un calculateur moteur 20. Alternativement, la température ambiante Tamb de l'alternateur 10 est estimée par exemple à l'aide d'un capteur disposé sur un chignon de bobinage. Comme on peut le voir sur la figure 3, le bloc 132 permet de générer un rapport cyclique maximal DClim applicable au rotor 15 10 à partir de la tension d'excitation limite Uexc_lim du rotor 15 précédemment déterminée et de la tension d'excitation réelle Uexc_r du rotor 15, c'est-à-dire de la tension d'excitation mesurée. À cet effet, le module M5 élève au carré la tension d'excitation réelle Uexc r du rotor 15 et le module M6 élève au carré la tension d'excitation limite 15 Uexc_lim du rotor 15. Puis le module soustracteur M7 détermine d'un écart entre ces deux valeurs Uexc_lim2 et Uexc_r2. Il n'est toutefois pas indispensable que l'écart e soit calculé à partir des valeurs Uexc_lim et Uexc_r élevées au carré. Il pourra être calculé directement à partir des valeurs Uexc_lim et Uexc_r. Plus généralement, l'écart s est calculé à partir 20 d'une valeur relative à la tension d'excitation réelle Uexc r du rotor et d'une valeur relative à la tension d'excitation limite Uexc lim du rotor 15. Un filtre F représentatif d'une constante de temps thermique de l'alternateur 10 est appliqué sur l'écart s précédemment déterminé. Ainsi, en sortie du filtre F, le signal évolue avec la même dynamique que celle de la 25 température alternateur. Ce filtre F est avantageusement un filtre d'ordre 1 présentant une constante de temps comprise entre 80 et 120 secondes. L'écart filtré e' est corrigé à l'aide du module correcteur M7 en sortie duquel on obtient une valeur homogène à un rapport cyclique, par exemple en %Nolt, qui est ajoutée à 100% via le module additionneur M8. La correction 30 appliquée par le module M7 est de préférence de type proportionnel, avec une valeur comprise entre 0.01%Nolt et 0.1%/Volt. Un module écréteur M9 permet de limiter à 100% le rapport cyclique maximal DClim calculé dans le cas où la tension d'excitation réelle Uexc_r est 8 inférieure à la tension d'excitation limite Uexc_lim. En effet, l'écarts est alors positif. en sorte que la sortie du module additionneur M8 pourra être supérieure à 100%. Le module écréteur M9 permet donc de limiter la sortie du module additionneur M8 à 100%. 5 En revanche, dans le cas où la tension d'excitation réelle Uexc_r est supérieure à la tension d'excitation limite Uexc_lim. L'écart s est alors négatif, en sorte que la sortie du module additionneur M8 est inférieure à 100%. Comme on peut le voir sur la figure 4, le module M10 sélectionne le minimum entre le rapport cyclique maximal DClim et le rapport cyclique DC_reg issu ui de la boucle de régulation du dispositif de contrôle 122. Le rapport cyclique sélectionné est ensuite appliqué au rotor 15 par le module d'excitation 121. On décrit ci-après en référence avec la figure 5, les signaux observables lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. 15 À l'instant t1, une charge Ch importante est appliquée aux bornes de l'alternateur 10. L'écart E entre la tension d'excitation limite calculée Uexc_lim et la tension d'excitation Uexc_r appliquée au rotor 15 devient négative. La valeur de l'écart filtré s' diminue. La valeur maximale de rapport cyclique autorisée DClim reste à 100%. L'alternateur 10 délivre alors le maximum de 20 courant. À l'instant t2, la valeur de l'écart filtré s' devient négative. La valeur maximale de rapport cyclique autorisée DClim diminue, en sorte que la tension d'excitation du rotor Uexc_r diminue aussi. Le courant de sortie de l'alternateur 10 diminue également. En effet, dans ce cas, le rapport cyclique 25 DClim est prioritaire par rapport au rapport cyclique DC_reg issu de la boucle de régulation du dispositif de contrôle 122. À l'instant t3, la tension d'excitation rotor Uexc_r est stabilisée à la valeur de la tension d'excitation limite Uexc_lim, l'alternateur 10 délivre du courant tout en ne dépassant pas sa limite de température de fonctionnement. 30 À l'instant t4, la charge Ch appliquée à l'alternateur 10 diminue, la tension 9 d'excitation du rotor Uexc diminue donc également. La valeur de l'écart filtrée s' redevient positive, et la valeur maximale de rapport cyclique autorisée DClim repasse à 100%. La figure 6 illustre l'évolution de la tension d'excitation Uexc et de la 5 température Temp de la machine électrique en fonction de la charge Ch. La gestion thermique via le procédé selon l'invention offre plus de temps de disponibilité à faible courant lorsque la charge est plus faible (la température de l'alternateur s'élève lentement) que lorsque la charge est importante (élévation rapide de la température). ui Ainsi, on observe que, pour une faible charge (cf. courbe C3.1), la durée pendant laquelle la tension d'excitation (cf. courbe C3.2) est supérieure à la tension d'excitation est plus grande que pour une charge élevée (cf. courbes C4.1 et C4.2). En outre, la montée en température de la machine électrique 10 pour une faible charge est plus lente pour une faible charge (cf. courbe 15 C3.3) que pour une charge importante (cf. courbe C4.3). Les courbes C5.1, C5.2, et C5.3 ont été obtenues pour une charge intermédiaire. Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas 20 en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents. En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, REVENDICATIONS1. Procédé de pilotage d'une machine électrique tournante (10), notamment pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte: - une étape de détermination d'une tension d'excitation limite (Uexc_lim) du rotor (15) en fonction d'une vitesse de rotation (Wmel) du rotor (15) et d'une température ambiante (Tamb) de la machine électrique tournante (10), - une étape de détermination d'un écart (s) entre une valeur relative à une tension d'excitation réelle (Uexc_r) du rotor (15) et une valeur relative à ui la tension d'excitation limite (Uexc_lim) du rotor (15), - une étape d'application, sur l'écart (E) précédemment déterminé, d'un filtre (F) représentatif d'une constante de temps thermique de la machine électrique tournante (10) pour obtenir un écart filtré (s'), - une étape de détermination d'un rapport cyclique maximal (DClim) à 15 partir de l'écart filtré (s'), et - une étape d'application au rotor (15) d'un rapport cyclique égal au minimum entre un rapport cyclique (DC_reg) issu d'une boucle de régulation et le rapport cyclique maximal (DClim) précédemment déterminé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour 20 déterminer la tension d'excitation limite (Uexc_lim) du rotor (15), ledit procédé comporte: - une étape de détermination d'une tension d'excitation (Uexc) en fonction de la vitesse de rotation (Wmel) du rotor (15), et - une étape de décalage de la tension d'excitation (Uexc) en fonction 25 de la température ambiante (Tamb). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de correction de l'écart filtré (s'). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la correction est de type proportionnel. 30 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'écart (s) déterminé est l'écart entre le carré de la 11 tension d'excitation réelle (Uexc_r) du rotor (15) et le carré de la tension d'excitation limite (Uexc_lim) du rotor (15). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la température ambiante (Tamb) est estimée. 5 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la température ambiante (Tamb) est estimée à partir d'une mesure de température effectuée au niveau d'une jonction d'un circuit électronique d'un dispositif de contrôle (122). 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la w température ambiante (Tamb) est estimée à partir d'une mesure de température effectuée sur un dispositif de contrôle (122), ou bien sur la machine électrique tournante (10), ou bien encore à partir d'une mesure de température fournie par un calculateur moteur (20). 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 15 caractérisé en ce que la température ambiante (Tamb) est mesurée. 10. Dispositif de contrôle (122) caractérisé en ce qu'il comporte une mémoire stockant des instructions logicielles ou un réseau logique programmé pour la mise en oeuvre du procédé de pilotage d'une machine électrique tournante (10) tel que défini selon l'une quelconque des 20 revendications précédentes. 11. Machine électrique tournante (10) caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de contrôle (122) tel que défini selon la revendication précédente.