Titre de l’invention : Régulateur de courant pour machine synchrone polyphasée multi-étoiles à neutres déconnectés

Domaine Technique

La présente invention se rapporte au domaine général de la commande des machines synchrones polyphasées et elle vise plus précisément la commande de machines synchrones à aimants permanents (MSAP) multi-étoiles (avec ou en absence de décalage spatial entre les étoiles) à fort couplage magnétique entre les étoiles au stator (soit à bobinage distribué) et présentant des fréquences électriques élevées (soit au moins égale à 800Hz), c'est-à-dire soit tournant à hautes vitesses mécaniques (indépendamment du nombre de paires de pôles, par exemple entre 25 000 et 50 000 trs/min) soit tournant à faibles/moyennes vitesses mécaniques mais avec un nombre de paires de pôles élevé (par exemple entre 9 et 40).

Lorsque le nombre de phases « n » de la machine est un multiple de 3, il est privilégié d'assembler les n phases de la machine en k=n/3 étoiles avec k neutres déconnectés. Cette disposition polyphasée multi-étoiles à neutres déconnectés permet, entre-autres, la réduction des contenus harmoniques des signaux tant temporels (liés aux courants d'alimentation du stator) que spatiaux (liés aux forces magnétomotrices).

Technique antérieure

Comme le montre la figure 1 qui illustre schématiquement une chaîne de génération polyphasée d'un réseau électrique, une génératrice synchrone à aimants permanents (PMG pour « Permanent Magnet Generator ») polyphasée multi-étoiles 10 est telle que chaque étoile est connectée à un redresseur actif 12A, 12B, 12C générant chacun aux bornes d'une capacité de lissage 14A, 14B, 14C une tension continue pour créer un bus HVDC (pour « High Voltage Direct Bus ») 16A, 16B, 16C pouvant alimenter, par exemple, des moteurs électriques de propulsion. Le contrôle de la machine qui permet de réguler la tension de sortie pour chacun des bus est effectuée de manière indépendante par des modules de commande 18A, 18B, 18C qui chacun agissent sur le redresseur actif associé, en fonction notamment de l'angle mécanique Q de la machine.

Un redresseur actif par étoile permet de réguler la tension de sortie pour chacun, indépendamment, en fonction de la charge qui peut avoir des demandes en puissance différentes. Ce redresseur actif (ou convertisseur AC-DC) peut être, comme il est connu dans le cas illustré d'une machine synchrone à neuf phases, du type redresseur triphasé réversible en courant à six interrupteurs de puissance semi- conducteurs (connu en anglais sous le nom de « Six-switch Voltage Source Active Rectifier »).

Un module de commande 18 d'un tel redresseur actif conforme à l'art antérieur est illustré à la figure 5. Il est organisé autour d'un modulateur à largeur d'impulsion à vecteur spatial 180 (SVPWM pour « space vector puise width modulation ») qui va délivrer les rapports cycliques dA, dB, dC pour les éléments semi-conducteurs du redresseur à partir de valeurs des tensions active, ou directe Ud, et réactive, ou quadratique Uq, délivrées par un régulateur de courant à action proportionnelle et intégrale (PI) 182. Ce régulateur PI agit sur la différence entre des courants direct idref et quadratique iqref de référence et des valeurs correspondantes id, iq issues de valeurs de courant iA, iB, iC mesurées dans chacune des trois phases en étoile de la machine synchrone à aimants permanents (comme il est connu, le courant de référence iqref est issu d'une boucle externe de tension non représentée et le courant idref est déduit de la stratégie de défluxage de la PMG). Deux modules successifs de transformation de Clarke 184 et de Park 186 assurent la transformation des courants iA, iB, iC en les courants id, iq via des courants ia, ΐb et un module de transformation de Park inverse 188 assure la transformation des tensions ud, uq en des tensions ua, up interprétables par le modulateur SVPWM. Les modules de transformation de Park et Park inverse sont synchronisés sur l'angle mécanique Q.

La figure 6 montre la variation dynamique des pôles de la fonction de transfert en boucle fermée de la machine asservie à travers un tel régulateur PI de l'art antérieur en fonction de la vitesse angulaire électrique coelec (en rad/s). On constate la présence de deux pôles asymétriques mettant en relief le couplage existant entre les axes direct d et quadratique q de la machine et évoluant dans deux sens différents. Le pôle rapide (le plus éloigné de l'axe des imaginaires) devient de moins en moins amorti tout en conservant une composante réelle négative quasi-fixe. Quant au pôle lent (le plus proche des axes des imaginaires), il évolue de manière à rendre instable le système contrôlé vu qu'à partir d'une certaine vitesse angulaire électrique, la partie réelle du pôle lent change de signe et devient positive.

La figure 7 a pour objet d'illustrer l'impact d'un échelon de courant d'un axe d'une étoile sur les courants des autres étoiles avec un tel régulateur PI de l'art antérieur. En l'espèce, il s'agit d'un échelon de courant iqref de 50 ampères introduit sur l'axe quadratique de l'étoile A. on peut observer un fort dépassement de courant sur l'axe direct de l'étoile A mais également sur les axes direct et quadratique des deux autres étoiles B et C, ce qui montre une non compensation des termes de couplage internes (couplage intra-étoile entre l'axe d et l'axe q) et externes (couplages croisés entre étoiles) de la machine et donc des interactions préjudiciables aux performances de la machine.

Ainsi, il apparaît qu'une régulation de courant à action proportionnelle et intégrale n'est pas suffisante à elle seule pour assurer la commande haute vitesse mécanique de machines synchrones multi-étoiles fortement couplées et qu'il existe donc un besoin, surtout dans la zone de haute vitesse angulaire électrique, d'assurer la stabilité du contrôle numérique (discrétisé) et de maintenir les performances des boucles d'asservissement sur l'ensemble des points de fonctionnement de la machine.

Exposé de l'invention

La présente invention a pour objet de pallier les inconvénients précités en proposant un régulateur de courant qui permette de minimiser l'impact du couplage magnétique entre les différentes étoiles de la machine et d'assurer un découplage entre les axes directe et quadratique d'une même étoile. Un autre but de l'invention est de limiter au minimum les modifications apportées aux circuits électroniques de la machine. Ces buts sont atteints par un régulateur de courant pour machine synchrone polyphasée multi-étoiles à neutres déconnectés délivrant des valeurs de tensions directe ud et quadratique uq à partir de différences entre des valeurs de courant de référence direct idref et quadratique iqref et des valeurs de courant mesurées direct id et quadratique iq, le régulateur de courant comportant des correcteurs à action proportionnelle et intégrale recevant en entrée ces différences et délivrant en sortie des valeurs de tension corrigées, caractérisé en ce que le régulateur de courant comporte en outre des correcteurs à action intégrale recevant en entrée un produit d'une vitesse angulaire électrique avec ces différences entre les valeurs de courant de référence et les valeurs de courant mesurées et délivrant en sortie, de manière croisée entre les voies directe et quadratique, des valeurs de tensions qui ajoutées ou soustraites aux valeurs de tensions corrigées délivrées en sortie des correcteurs à action proportionnelle et intégrale délivrent lesdites tensions directe ud et quadratique uq.

Ainsi, en appliquant un tel contrôle numérique, il est possible de rendre quasi- indépendante les différentes étoiles tout en assurant la stabilité (faibles dépassements et transitoires) et la tenue des performances sur l'ensemble des points de fonctionnement.

De préférence, les correcteurs à action proportionnelle et intégrale comportent des gains proportionnels K1d, K1q et intégral K2d, K2q et les correcteurs à action intégrale comportent un gain intégral K3d, K3q.

Avantageusement, le gain intégral K3d, K3q est du même ordre de grandeur que le gain proportionnel Kld, Klq.

Le régulateur de courant est décrit par l'expression suivante : ud = (Kld+K2d/s) (idref-id) - (œelecK3q/s) (iqref-iq) uq = (Klq+K2q/s) (iqref-iq) + (œelecK3d/s) (idref-id)

De préférence, la vitesse angulaire électrique correspond à une fréquence électrique au moins égale à 800Hz. L'invention concerne également une machine synchrone polyphasée multi-étoiles à neutres déconnectés comportant pour chacune des étoiles un régulateur de courant tel que précité.

L'invention concerne encore un procédé de commande d’une machine synchrone polyphasée multi-étoiles à neutres déconnectés dans lequel des valeurs de tensions directe ud et quadratique uq sont élaborées à partir de différences entre des valeurs de courant de référence direct idref et quadratique iqref et des valeurs de courant mesurées direct id et quadratique iq, des correcteurs à action proportionnelle et intégrale d’une voie directe et d’une voie quadratique recevant en entrée ces différences et délivrant en sortie des valeurs de tension corrigées directe et quadratique, et dans lequel des correcteurs à action intégrale recevant en entrée un produit d’une vitesse angulaire électrique avec ces différences entre les valeurs de courant de référence et les valeurs de courant mesurées délivrent en sortie, de manière croisée entre les voies directe et quadratique, des valeurs de tensions directe et quadratique qui ajoutées ou soustraites aux valeurs de tensions corrigées directe et quadratique délivrées en sortie des correcteurs à action proportionnelle et intégrale délivrent lesdites tensions directe ud et quadratique uq.

Avantageusement, la valeur de tension directe issue du correcteur à action intégrale est ajoutée à la valeur de tension corrigée quadratique issue du correcteur à action proportionnelle et intégrale de la voie directe et la valeur de tension quadratique issue du correcteur à action intégrale est soustraite à la valeur de tension corrigée directe issue du correcteur à action proportionnelle et intégrale de la voie quadratique.

De préférence, les valeurs de courant mesurées direct id et quadratique iq sont issues de transformation abc/dq de courants mesurés iA, iB, iC dans chacune des phases des étoiles.

Avantageusement, les tensions directe ud et quadratique uq délivrent une commande de modulation par largeur d'impulsion à vecteur spatial après une transformation dq/ab. Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation non limitatifs et sur lesquels :

[Fig. 1] La figure 1 illustre une chaîne de génération à 9 phases d'un réseau électrique à laquelle s'applique l'invention,

[Fig. 2] La figure 2 est un synoptique d'un régulateur de courant pour machine synchrone polyphasée à aimants permanents conforme à l'invention,

[Fig. 3] La figure 3 est une vue illustrant en fonction de la vitesse électrique la variation dynamique des pôles de la fonction de transfert en boucle fermée de la machine asservie par le régulateur de la figure 2,

[Fig. 4] La figure 4 est une vue montrant l'évolution des courants directs et quadratiques dans chacune des phases d'une machine comportant le régulateur de la figure 2 suite à un échelon de courant en créneau dans une phase donnée,

[Fig. 5] La figure 5 est un synoptique d'un régulateur de courant pour machine synchrone polyphasée à aimants permanents conforme à l'art antérieur,

[Fig.6] La figure 6 est une vue illustrant en fonction de la vitesse électrique la variation dynamique des pôles de la fonction de transfert en boucle fermée de la machine asservie par le régulateur de la figure 5, et

[Fig.7] La figure 7 est une vue montrant l'évolution des courants directs et quadratiques dans chacune des étoiles d'une machine comportant le régulateur de la figure 5 suite à un échelon de courant dans une étoile donnée.

Description des modes de réalisation

L'invention s'applique à une chaîne de génération polyphasée d'un réseau électrique telle qu'illustrée par exemple à la figure 1 montrant trois canaux de génération de puissance, chacun étant muni de son redresseur actif commandé par un module de commande permettant un contrôle indépendant des tensions de bus sur ces trois canaux.

Selon l'invention et comme l'illustre la figure 2, ces modules de commande comportent chacun un régulateur de courant 20 qui permet une compensation par action intégrale par retour d'état dans la machine synchrone polyphasée multi-étoiles à neutres déconnectés que ces modules pilotent. Le régulateur de courant délivre, comme il est connu, des valeurs de tensions directe ud et quadratique uq à partir de différences entre des valeurs de courant de référence direct idref et quadratique iqref et des valeurs de courant mesurées direct id et quadratique iq élaborées par les différentiateurs 202d, 202q. Ce régulateur de courant comporte classiquement des correcteurs à action proportionnelle et intégrale, un sur la voie directe 200d et un sur la voie quadratique 200q, recevant en entrée ces différences et délivrant en sortie des valeurs de tension corrigées directe et quadratique.

Selon l'invention, le régulateur de courant 20 comporte en outre des correcteurs à action intégrale 206d, 206q recevant en entrée un produit, obtenu par un multiplieur 208d, 208q, d'une vitesse angulaire électrique (produit de la vitesse angulaire par le nombre de pôles) avec ces différences entre les valeurs de courant de référence et les valeurs de courant mesurées et délivrant en sortie, de manière croisée, des valeurs de tensions directe et quadratique qui selon la voie choisie, directe ou quadratique, seront ajoutées ou soustraites aux valeurs de tensions corrigées directe et quadratique délivrées en sortie des correcteurs à action proportionnelle et intégrale délivrent les tensions directe ud et quadratique uq.

Plus précisément, la valeur de tension directe issue du correcteur à action intégrale 206d est ajoutée à la valeur de tension corrigée quadratique issue du correcteur à action proportionnelle et intégrale de la voie quadratique 200q et la valeur de tension quadratique issue du correcteur à action intégrale 206q est soustraite à la valeur de tension corrigée directe issue du correcteur à action proportionnelle et intégrale de la voie directe 200d. On notera que la vitesse angulaire électrique coelec est obtenue par un module de dérivation 22 recevant l'angle mécanique Q de la machine et correspond avantageusement à une fréquence électrique au moins égale à 800Hz.

Les équations décrivant ces régulateurs de courant sont les suivantes :

Sur l'axe d: ud = (Kld+K2d/s) (idref-id) - (œelecK3q/s) (iqref-iq),

Sur l'axe q: uq = (Klq+K2q/s) (iqref-iq) + (œelecK3d/s) (idref-id).

Avec des gains proportionnels Kld, Klq et intégral K2d, K2q et les correcteurs à action intégrale comportent un gain intégral K3d, K3q. Typiquement, Kl =0.6 ; K2=1293 et K3=0.3. Toutefois, l'homme du métier sait adapter ces coefficients en fonction de la bande passante imposée à l'asservissement, cette dernière dépendant par exemple, de la plage de vitesse de la machine, de la fréquence de découpage de l'électronique de puissance et d'autres éléments connus.

De préférence, le gain intégral K3d, K3q est du même ordre de grandeur que le gain proportionnel Kld, Klq.

Comme le montre la figure 3 qui illustre la variation dynamique des pôles de la fonction de transfert en bouclée fermée de la machine, la fonction de transfert du régulateur produit une fonction de transfert en bouclée fermée stable avec un polynôme caractéristique d'ordre deux ou les pôles sont à parties réelles et imaginaires négatives quelle que soit la vitesse électrique. Cet excellent résultat est obtenu par la compensation que crée le découplage par action intégrale (en retour d'état ou feedback). Les termes de couplage intra-étoiles étant les plus prépondérants, leur compensation par cette action intégrale en retour assure une minimisation du couplage entre les étoiles.

Ainsi, comme illustré à la figure 4, les axes d et q sont entièrement découplés. On obtient un contrôle stable pour toutes les vitesses de rotation de la machine, des faibles dépassements et ou transitoires, une meilleure dynamique des boucles internes de courants qui apporte une meilleure dynamique de la boucle externe en tension et un découplage indépendant des paramètres de la machine (absence de sensibilité aux variations des paramètres machine).