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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2522901A1
Family ID 18649659
Probable Assignee Gen Electric
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title SYSTEME DE COMMANDE DE MOTEUR A COURANT ALTERNATIF COMMANDE
EN COURANT MODULE EN LARGEUR D'IMPULSION
Abstract
_________________________________________________________________
SYSTEME DE COMMANDE D'UN MOTEUR PERMETTANT DE REGULER LA VITESSE ET LE
COUPLE D'UN MOTEUR A COURANT ALTERNATIF.
IL COMPREND UN ONDULEUR 24 COMMANDE EN COURANT MODULE EN LARGEUR
D'IMPULSION, UNE PREMIERE BOUCLE DE COMMANDE 30 QUI MAINTIENT LA
VALEUR DE LA TENSION AUX BORNES DU MOTEUR QUELLES QUE SOIENT LES
VARIATIONS DE CONDITIONS DE CHARGE ET UNE DEUXIEME BOUCLE DE COMMANDE
58 POUR STABILISER LA FREQUENCE DU MOTEUR.
APPLICATIONS AUX MACHINES A COURANT ALTERNATIF.
Description
_________________________________________________________________
La presente invention a trait aux systemes de commande de machines a
courant alternatif, et plus parti- culierement aux systemes de
commande de machines a courant alternatif comportant un onduleur
commande en courant.
Dans les applications des machines a courant alternatif o l'on
souhaite avoir une regulation de la vitesse et du couple de la
machine, on emploie des syste- mes de commande a ondbuleur De maniere
generale, un sys- teme de commande a onduleur comprend un onduleur
courant continu/courant alternatif a frequence variable alimente par
une source de courant continu, fournissant du courant a frequence
variable a une machine a courant alternatif soit synchrone, soit a
induction De tels onduleurs ont le plus souvent une configuration
comportant plusieurs paires de dispositifs de commutation, les
dispositifs de commuta- tion de chaque paire etant couples en serie et
chaque paire des dispositifs de commutation couples en serie branchee
a une source de courant continu On relie a la jonction de chaque
dispositif de commutation couple en serie une phase respective de la
machine Du courant alternatif est fourni par l'onduleur a la machine
quand les dispositifs de com- mutation de chaque paire sont
alternativement et successi- vement rendus conducteurs.
La presente invention a pour but de realiser un systeme de commande
simplifie que l'on puisse utiliser dans des applications demandant un
reglage de la vitesse mais ne necessitant pas une regulation precise
du couple.
Un autre objectif de la presente invention est la realisation d'un
systeme de commande qui permette d'ob- tenir un fonctionnement du
moteur en presence d'une charge cyclique plus stable que celui que
l'on a habituellement en fonctionnement en boucle ouverte avec un
onduleur com- mande en tension.
La presente invention, sous une premiere forme, realise une commande
de moteur interposable entre une source d'energie electrique et le
stator d'un moteur a courant alternatif La commande de moteur comprend
un onduleur commande en courant comprenant des regulateurs de courant
qui comparent des ondes sinusoidales de reference produi- tes par un
generateur d'ondes a un courant de ligne reel correspondant du moteur
pour produire des signaux d'erreur.
On compare ces signaux d'erreur a une bande d'hysteresis et l'on
envoie des signaux modules en largeur d'impulsion a l'onduleur pour
maintenir les signaux d'erreur a l'inte- rieur de la bande
d'hysterisis Une premiere boucle de commande maintient la valeur de la
tension aux bornes du moteur quelles que soient les variations des
conditions de charge On determine le flux du moteur dans la pre- miere
boucle de commande en integrant la tension detectee a la sortie de
l'onduleur Le flux du moteur est redresse et compare a un flux de
reference qui peut etre constant, si l'on desire un fonctionnement
avec un rapport tension/ frequence constant pour obtenir un signal
d'erreur On amplifie le signal d'erreur et on l'utilise pour commander
l'entree de courant de l'onduleur.
Dans une autre realisation de la presente inven- tion, on peut ajouter
une deuxieme boucle de commande d'en- tree pour stabiliser la
frequence du moteur On determine la composante active du courant de
ligne du moteur et des accroissements de cette composante active
entrainent des breves reductions de la frequences de l'onduleur ce qui
permet la stabilisation du rotor du moteur en cas d'oscil- lations de
pompage.
La description qui va suivre se refere aux figures annexees qui
representent respectivement: figure 1, une representation en partie
sche- matique, en partie fonctionnelle de la presente invention;
figure 2, un diagramme de phase montrant la relation entre les
tensions de ligne par rapport au neutre et le flux d'entrefer du
moteur; et figure 3, les diagrammes-d'ondes des signaux d'entree et de
sortie du redresseur synchrone de la figure 1.
La figure 1 decrit une commande de moteur a courant alternatif Un
onduleur commande en courant a lar- geur d'impulsion modulee 8
comprend un generateur d'ondes fournissant a chacun des trois
regulateurs de courant 12, 14 et 16 des signaux sinusoidaux de
reference, ces signaux de reference etant en relation triphasee l'un
avec l'autre L'amplitude et la frequence des trois signaux sinusoidaux
engendres par le generateur d'ondes varient en fonction d'un signal de
commande de frequence et d'un signal de commande d'amplitude appliques
au gene- rateur d'ondes Les regulateurs de courant 12, 14 et 16, en
plus des entrees reliees au generateur d'ondes, ont chacun une entree
reliee a descapteurs de courant 18, 20 et 22, eux-memes relies a la
sortie de l'onduleur 24 Les regulateurs de courant fournissent des
signaux a largeur d'impulsion modulee a l'onduleur 24 La source de
courant continu 26 fournit du courant a l'onduleur La sortie de
l'onduleur constituee de trois lignes A, B et C est reliee a
l'enroulement du stator du moteur 28.
Une premiere boucle de commande 30 possede un dispositif
d'amplification differentielle 32 comprenant-une resistance 34 reliee
a la borne d'entree negative d'un amplificateur 36 et une resistance
38 reliee a la borne positive de cet amplificateur La tension de ligne
A est appliquee a la resistance 34 et la tension de ligne B a la
resistance 38 Une resistance 40 est branchee entre la borne positive
de l'amplificateur 36 et la terre Une resistance de reaction 41 est
branchee entre la sortie de l'amplificateur 36 et la borne d'entree
negative de cet amplificateur 36.
Le signal de sortie de l'amplificateur diffe- rentiel qui est egal a
la difference entre les tensions de ligne A et B est applique a
l'entree de l'integrateur 42.
L'integrateur 42 comprend une resistance 44 branchee a son entree
L'autre extremite de la resistance 44 est reliee a un amplificateur 46
Une resistance de reaction 48 et un condensateur de reaction 50 sont
branches entre l'entree et la sortie de l'amplificateur 46 on fait
passer le signal de sortie de l'integrateur a travers un dispositif
redres- seur et de filtrage 52 et le signal de sortie resultant est
applique a la borne d'entree negative d'une jonction de sommation 54
Un signal de consigne de flux T* est applique a la borne d'entree
positive de la jonction de sommation 54 La sortie de la jonction de
sommation est reliee a un regulateur de flux 56 dont la sortie est
reliee a l'entree de commande d'amplitude du generateur d'ondes 10.
Une deuxieme boucle de commande 58 recoit la tension de ligne C a une
entree d'un sectionneur-inverseur 62 On applique a l'autre entree du
sectionneur-inverseur 62 la tension de ligne C inversee par
l'inverseur de signal 64 La sortie de l'integrateur 42 est reliee a la
borne d'entree positive d'un comparateur 66 dont la borne d'entree
negative est mise a la masse La sortie du compa- rateur 66 commande le
sectionneur-inverseur 62 On fait passer le signal de sortie redresse
de facon synchrone du sectionneur-inverseur 62 dans un filtre
passe-bas de lissage 68 qui, lui-meme, est relie a un circuit 70 ayant
une fonction de transfert ws/(s +) qui fait disparaitre la valeur en
regime permanent du signal de sortie du fil- tre de lissage et laisse
passer seulement les variations transitoires Un amplificateur a gain
unite possede une resistance 72 de valeur R reliee a l'entree de
l'amplifi- cateur 73 Une resistance 74 de meme valeur R est branchee
entre l'entree et la sortie de l'amplificateur 73 On branche en serie
avec la resistance 72 a l'entree de l'amplificateur a gain unite un
condensateur 71 La sor- tie du circuit 70 est reliee a la borne
d'entree negative d'une jonction de sommation 76 Une autre realisation
de la fonction de transfert pourrait etre un condensateur en serie
avec une resistance reliee a la terre, la sortie se trouvant alors
entre la resistance et le condensateur.
L'entree positive de la jonction de sommation 76 recoit une frequence
de consigne F* commandee par un operateur Le signal d'erreur est
applique a l'entree de commande de frequence du generateur d'ondes 10.
On va maintenant decrire le fonctionnement du circuit de la figure 1
Le generateur d'ondes 10 fournit un signal sinusoidal de reference a
chaque regulateur de courant 12, 14 et 16 Ces signaux sinusoidaux sont
en relation triphasee l'un avec l'autre On compare le signal de
reference fourni a chaque regulateur de courant a un signal de courant
de ligne du moteur correspondant pour obtenir un signal d'erreur Le
signal d'erreur est alors applique a un comparateur (non represente)
situe dans le regulateur de courant, et quand ce signal d'erreur
setrouve hors d'une bande d'hysteresis predeterminee de part et
d'autre de cette bande, des signaux logiques " 1 " et "-l" sont emis.
Le train des impulsions logiques "l" et "-1 " de chaque regulateur de
courant forment les signaux de commutation modulee en largeur
d'impulsion pour les phases respectives de l'onduleur Les signaux-de
commutation de l'onduleur sont appliques a un circuit de declenchement
qui commande les paires de commutateurs de l'onduleur, chaque paire
etant associee a une phase du moteur Un signal logique "l", par
exemple, associe a une paire de commutateurs de l'onduleur, ferme le
commutateur superieur, ouvre le commu- tateur inferieur et relie la
source de courant continu a la phase correspondante du moteur Un
signal logique "-l" du mome regulateur de courant ferme le commutateur
inferieur, ouvre le commutateur superieur et relie la source de cou-
rant continu suivant une polarite inverse a la phase du moteur La
commutation repetee des trois paires de commuta- teurs de l'onduleur a
pour resultat la fourniture de courant triphase au moteur, avec le
courant fourni a chaque phase maintenu a l'interieur de la bande
d'hysterisis predeter- minee correspondante Pour plus de details en ce
qui concerne le fonctionnement de l'onduleur on peut se refe- rer a la
demande de brevet des Etats-Unis d'Amerique n O 080 479 intitulee:
"Systeme de commande a onduleur a modulation en largeur d'impulsions
commande en courant transistorise" et dont on trouvera une breve
description ci-apres: il s'agit d'un systeme de commande de machines a
courant alternatif, comprenant une machine a courant alternatif et un
onduleur dont la configuration comporte plusieurs paires de
transistors avec les transistors de chaque paire couples en serie et
chaque paire de transis- tors couples en serie reliee a une source de
courant continu ce systeme est commande par le courant de l'ondu- leur
On rend les transistors de chaque paire de transis- tors de l'onduleur
alternativement conducteurs pour four- nir du courant alternatif a la
sortie de l'onduleur en conformite avec un signal d'erreur de courant,
proportion- nel a la difference de grandeur entre un courant de phase
reel de l'onduleur et un signal sinusoidal de reference, avec
inversion de l'etat de conduction des transistors de chaque paire
chaque fois que le signal d'erreur du courant depasse une limite
inferieure ou superieure d'hysterisis, ces limites varient selon le
courant de phase reel de l'on- leur Pour commander la vitesse et le
couple de la machine, on fait dependre la tension de sortie de
l'onduleur, res- pectivement, des variations en amplitude et en
frequence du signal sinusoidal de reference selon les consignes de
l'operateur On obtient le fonctionnement de commande optimal de
l'onduleur en regulant l'amplitude et la fre- quence du signal
sinusoidal de reference selon un signal de reaction de couple de la
machine et un signal de reac- tion de flux de la machine.
Suivant la presente invention decrite figure 1, la premiere boucle de
commande 30 controle la tension des lignes A et B L'amplificateur
differentiel 32 donne la difference B-A et l'integrateur 42 integre
cette diffe- rence pour obtenir le flux A-B De plus l'integrateur 42
supprime l'ondulation de hachage et une grande partie du bruit present
dans le circuit Le signal de flux variable A-B est redresse, filtre et
compare a un niveau de flux de consigne Y* Le signal d'erreur
resultant est applique a un regulateur de flux qui fournit des valeurs
de sortie de niveau d'amplitude minimum et maximum avec un gain entre
ces deux limites La valeur de niveau minimum empeche le fonctionnement
a flux nul (si on utilise un moteur a induction) et la limite maximum
est necessaire pour eviter une surintensite a la sortie de l'onduleur.
On utilise le signal de sortie du regulateur de flux pour commander le
signal d'amplitude d'entree du generateur d'ondes qui a son tour
commande le courant de l'onduleur. Si le flux de consigne Y* est
constant on peut alors obtenir un fonctionnement avec un rapport
tension/ frequence constant de premier ordre Quand la charge du moteur
s'accroit et qu'on alimente le moteur avec un cou- rant constant, la
tension du moteur tombe Cette tension diminuee est detectee par la
premiere boucle de commande qui accroit l'amplitude du courant du
moteur pour compen- ser et redonner a la tension sa valeur anterieure
Egale- ment, quand la frequence varie, l'integrateur de la bou- cle de
commande compense automatiquement les variations de frequence puisque
la tension doit s'accroitre lineai- rement avec la vitesse Le
fonctionnement de l'onduleur avec la premiere boucle de commande a des
caracteristi- ques similaires a celles d'un systeme convertisseur de
tension en boucle ouverte tout en maintenant les carac- teres
inherents a un systeme a impulsion modulee en lar- geur commande en
courant c'est-a-dire variation de la largeur des impulsions de
commutation de l'onduleur pour maintenir le courant residuel a un
faible niveau et par la diminuer les pertes du moteur Le circuit de
commande fonctionne sur n'importe quel moteur triphase simplement en
reliant les bornes de sortie de l'onduleur aux bornes du stator du
moteur On peut aussi utiliser l'onduleur a modulation en largeur
d'impulsion avec la premiere bou- cle de commande comme source de
courant a tension tripha- see constante Quand il est utilise comme
source de cou- rant, l'integrateur de flux aura un gain unite et la
cons- tante de temps de l'integrateur 42 sera relativement plus grande
que la constante de temps en fonctionnement en cir- cuit de commande.
La deuxieme boucle de commande 58 fonctionne pour stabiliser le moteur
en cas d'oscillations du rotor ou oscillations de pompage Les
oscillations du rotor pro- viennent des harmoniques presents a la
sortie de l'ondu- leur qui provoquent des oscillations du couple, ce
qui pose un probleme surtout aux basses vitesses Pour un moteur concu
pour 60 Hz, par exemple, les pulsations de vitessedu moteur sont les
plus sensibles pour une frequence appliquee de 10 and #x003E; Hz La
seconde boucle de commande 58 determine la composante active du
courant du stator du moteur en appli- quant le courant de stator total
de la lignee a une des deux bornes d'entree d'un sectionneur-inverseur
62 et en appliquant le courant inverse de la ligne C a l'autre borne
d'entree La position du sectionneur 62 est determinee par le
comparateur 66 qui controle les passages a zero du flux B-A en phase
avec le courant de ligne.
Pour la bonne marche de l'inverseur synchrone 62, il est necessaire
d'avoir un signal qui soit en phase avec la tension de ligne C du
moteur En se referant main- tenant a la figure 2 montrant les
relations de phase entre les tensions et les flux d'entrefer du
moteur, on peut s'apercevoir que la difference entre la tension de
ligne A (prise par rapport au neutre) et la tension de ligne B (prise
par rapport au neutre) a pour resultat une tension de ligne a ligne de
A-B La tension B-A est dephasee de par rapport a la tension C Le flux
du a la tension A-B est en phase avec la tension de phase C et avec la
composante active du courant de ligne de la phase C. Le flux A-B est
determine par le signal de sortie de l'integrateur 42 de la premiere
boucle de com- mande Quand le flux A-B est positif, le sectionneur 62
laisse passer le courant de ligne, quand le flux est nega- tif, le
sectionneur 62 laisse passer le courant de ligne negatif de
l'inverseur de signal 64 La figure 3 repre- sente les differentes
ondes impliquees dans le redresse- ment synchrone La figure 3 A
represente le signal de flux du comparateur, et la figure 3 B un
courant en phase avec la tension (dans un moteur a induction
generalement le courant est dephase de 300 par rapport a la tension a
pleine charge) ce qui signifie que la totalite du courant est un
courant actif La figure 3 C represente le signal de sortie du
sectionneur 62 fonctionnant en redresseur synchrone quand les
conditions decrites figure 3 B predo- minent La figure i D represente
l'onde de courant pour une charge nulle avec un dephasage de 900 du
courant par rapport a la tension Le courant de la figure 3 D n'a pas
de composante active La figure 3 E represente le signal de sortie du
sectionneur fonctionnant en redresseur synchrone quand les conditions
decrites figure 3 D dominent.
En fonctionnement reel le courant n'est pas une sinusoide pure mais
comprend des harmoniques qui reduisent la precision des determinations
du courant actif Cepen- dant quand on mesure de cette facon la
composante active du courant, la precision est suffisante pour obtenir
la stabilisation Le signal de sortie du sectionneur 62 est envoye a
travers un filtre de lissage L'onde resultante (figure 3 B) est un
signal beaucoup plus grand a la sortie du filtre de lissage que l'onde
de la figure 3 E Le courant actif est alors applique a un
amplificateur a gain unite ayant une fonction de transfert ws/(s + w)
o S est une variable complexe de la transformee de La Place et w une
fonction de la frequence de l'onde appliquee a l'am- plificateur La
caracteristique de la fonction de trans- fert est de supprimer la
composante de courant continu et de faire correspondre a des
accroissements du courant actif d'entree de la fonction de transfert
des variations brusques et momentanees du signal de sortie de la
fonction de transfert La sortie du circuit 70 est branchee pour agir
comme une contre-reaction au signal de commande de frequence Quand le
courant augmente parce que la charge s'accroit sous l'effet de la
premiere boucle de commande, la deuxieme boucle de commande detecte
l'accroissement de la composante active du courant et emet une breve
impul- sion qui diminue momentanement la frequence de commande du
generateur d'ondes En abaissant la frequence d'entree du generateur on
diminue brievement et d'une faible quantite la vitesse du rotor,
empechant ainsi le moteur d'atteindre immediatement le couple Abaisser
brievement la frequence quand la charge augmente agit comme une
contre-reaction stabilisant le rotor en cas d'oscilla- tions de
pompage.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1 Commande de moteur interposable entre une source d'energie
electrique (26) et le stator d'un moteur a courant alternatif
polyphase (28) pour commander la vitesse et le couple du moteur,
caracterisee en ce qu'elle comprend: un onduleur (24) commande en
courant compor- tant un generateur d'ondes (10) qui fournit des
signaux polyphases de reference variant en frequence et en amplitude
en reponse a des signaux de commande d'ampli- tude et de frequence
respectivement, des moyens de reac- tion (18,20,22) pour realiser des
signaux proportionnels a chaque courant de ligne du moteur et des
moyens regula- teurs de courant (12,14,16) pour comparer chaque signal
de reference du generateur d'ondes (10) au signal de courant de ligne
correspondant provenant des moyens de reaction (18,20,22), pour
obtenir ainsi un signal d'erreur et les moyens de regulateurs de
courant (12,14,16) compre- nant egalement des moyens pour comparer
chaque signal d'erreur a une bande d'hysterisis pour fournir des
signaux modules en largeur d'impulsion a l'onduleur (24) pour que ces
signaux d'erreur restent a l'interieur de la bande d'hysterisis; et
une premiere boucle de commande (30) pour maintenir la valeur de la
tension du stator du moteur (28) lors de variations de charge
comprenant un moyen d'inte- gration (42) pour fournir un signal
proportionnel au flux du moteur (28) du a la tension de sortie de
l'onduleur (24), un moyen de redressement (52) pour redresser ce
signal, un moyen de sommation (54) pour determiner la difference entre
le signal de sortie du moyen de redres- sement (52) et un signal de
flux de consigne pour fournir un signal d'erreur, et un moyen de
regulation de flux (56) fournissant un gain au signal d'erreur de
flux, ce signal etant applique a l'entree de la commande d'amplitude
du generateur d'ondes (10).
2 Commande de moteur selon la revendication 1, caracterisee en ce
qu'elle comprend: une deuxieme boucle de commande (58) pour stabiliser
la frequence du rotor comprenant un moyen de determination (66) de la
composante active du courant, un moyen (70) pour fournir une breve
impulsion de sortie en reponse a un accroissement de la composante
active du courant du moteur, un moyen de sommation (76) pour deter-
miner la difference entre le signal de sortie du moyen (70)
fournissant une breve impulsion et un signal de fre- quence de
consigne, ce signal de difference etant appli- que a l'entree de
commande de frequence du generateur d'on- des (10).
3 Commande selon la revendication 1, caracte- risee en ce qu'elle
comprend: une deuxieme boucle de commande (58) pour stabiliser la
frequence du moteur comprenant un moyen de redressement (62) pour
redresser un troisieme courant de sortie de l'onduleur (24) qui est en
synchronisme avec les passages a zero du flux produit par la
difference entre les premiere et deuxieme tensions de sortie de
l'onduleur (24), un filtre de lissage (68) pour lisser le signal de
sortie du moyen de redressement synchrone (62); et un moyen (70) pour
fournir une breve impulsion en reponse a un accroissement de la
composante active du troisieme courant de sortie de l'onduleur (24),
cette impulsion agissant comme un signal de contre-reaction sur la
commande de frequence.
4 Commande de moteur selon la revendication 2 ou 3, caracterisee en ce
que le moyen (70) pour fournir une breve impulsion comprend un
amplificateur operationnel a gain unite (73) et un condensateur (71)
en serie avec la borne d'entree de l'amplificateur (73).
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