Domaine technique de l'invention

La présente invention se rapporte à un procédé de commande mis en œuvre dans un convertisseur de puissance pour commander deux moteurs synchrones à aimant permanent connectés en parallèle audit convertisseur de puissance.

L'invention concerne également le convertisseur de puissance qui permet de mettre en œuvre ce procédé.

Etat de la technique

De manière connue, un convertisseur de puissance de type variateur de vitesse est connecté en amont à un réseau électrique et permet de commander un moteur électrique. Un variateur de vitesse comporte :

- en entrée, un module redresseur composé en règle générale d'un pont de diodes destiné à redresser la tension alternative fournie par le réseau électrique,

- un bus continu d'alimentation sur lequel est appliquée la tension redressée par le module redresseur, le bus continu d'alimentation étant doté d'un condensateur de bus permettant de maintenir la tension du bus à une valeur constante,

en sortie, un module onduleur destiné à transformer la tension du bus continu en une tension variable à appliquer au moteur électrique.

Pour certaines applications, la sortie d'un variateur de vitesse peut être connectée à deux moteurs électriques distincts. Le même variateur de vitesse est donc employé pour commander les deux moteurs électriques connectés en parallèle. Si les moteurs électriques sont de type synchrone à aimant permanent, la commande en parallèle des deux moteurs, par un même variateur de vitesse, ne peut se faire qu'après un alignement des rotors des deux moteurs synchrones. Pour effectuer cet alignement, il est connu de connecter le variateur de vitesse à un seul moteur électrique synchrone à la fois. Le variateur de vitesse est d'abord connecté au premier moteur électrique synchrone et applique une tension à ce premier moteur électrique pour aligner son rotor sur un axe déterminé. Puis le premier moteur électrique synchrone est déconnecté du variateur de vitesse et le deuxième moteur électrique synchrone est connecté au variateur de vitesse. Le variateur de vitesse est commandé pour appliquer une tension d'alimentation déterminée au deuxième moteur électrique synchrone afin d'aligner son rotor sur le même axe que celui du premier moteur électrique synchrone.

Cette méthode d'alignement est contraignante à mettre en œuvre car elle nécessite la mise en place d'une séquence de commande précise de connexion et de déconnexion de chaque moteur électrique.

Le but de l'invention est de proposer un procédé de commande mis en œuvre dans un variateur de vitesse permettant d'éviter de connecter de manière indépendante chaque moteur électrique synchrone au variateur de vitesse.

Exposé de l'invention

Ce but est atteint par un procédé de commande mis en œuvre dans un convertisseur de puissance qui comporte une sortie connectée à deux moteurs électriques synchrones à aimant permanent en parallèle, ledit convertisseur de puissance étant commandé pour appliquer une tension d'alimentation sur sa sortie, chaque moteur électrique synchrone à aimant permanent comportant un stator et un rotor, le procédé de commande comportant :

- une étape d'application d'un signal de tension à haute fréquence, sans générer de couple, sur les moteurs électriques synchrones à aimant permanent, selon au moins un axe dans un repère fixe, entraînant des oscillations du courant sur la sortie du convertisseur de puissance,

- une étape de mesure des oscillations du courant obtenues sur la sortie du convertisseur de puissance,

- une étape de détermination pour déterminer l'angle du rotor du premier moteur électrique synchrone à aimant permanent et l'angle du rotor du deuxième moteur électrique synchrone à aimant permanent à partir des oscillations du courant mesuré.

Selon une particularité, l'étape de détermination de l'angle du rotor du premier moteur électrique synchrone à aimant permanent est mise en œuvre en tenant compte des paramètres du premier moteur électrique synchrone à aimant permanent.

Selon une autre particularité, l'étape de détermination de l'angle du rotor du deuxième moteur électrique synchrone à aimant permanent est mise en œuvre en tenant compte des paramètres du deuxième moteur électrique synchrone à aimant permanent. Selon une autre particularité, l'angle du rotor du premier moteur électrique synchrone à aimant permanent et l'angle du rotor du deuxième moteur électrique synchrone à aimant permanent sont déterminés à partir des relations suivantes :

dans lesquelles :

- sont des constantes qui sont fonction des

paramètres du premier moteur électrique synchrone à aimant permanent,

^" sont des constantes qui sont fonction

des paramètres du deuxième moteur électrique synchrone à aimant permanent,

représente les oscillations du courant obtenues au premier ordre,

représente les oscillations du courant obtenues au deuxième ordre,

représente l'angle formé par l'axe de l'injection dans le repère fixe, représente la fréquence du signal de tension à haute fréquence qui est appliqué,

représente l'amplitude de l'injection du signal de tension à haute fréquence

et

-

Selon une autre particularité, le procédé comporte une étape d'alignement des rotors selon une stratégie déterminée, mémorisée dans le convertisseur de puissance.

Selon une autre particularité, l'étape d'alignement est mise en oeuvre en tenant compte de l'inertie du premier moteur électrique synchrone à aimant permanent et de l'inertie du deuxième moteur électrique synchrone à aimant permanent.

L'invention concerne également un convertisseur de puissance comportant une sortie destinée à être connectée à deux moteurs électriques synchrones à aimant permanent en parallèle, ledit convertisseur de puissance étant commandé pour appliquer une tension d'alimentation sur sa sortie, chaque moteur électrique synchrone à aimant permanent comportant un stator et un rotor, le convertisseur comportant :

- des moyens d'application d'un signal de tension à haute fréquence, sans générer de couple, sur les deux moteurs électriques synchrones à aimant permanent, selon au moins un axe dans un repère fixe, entraînant des oscillations du courant sur la sortie du convertisseur de puissance,

- des moyens de mesure des oscillations du courant obtenues sur la sortie du convertisseur de puissance,

- des moyens de détermination activés pour déterminer l'angle du rotor du premier moteur électrique synchrone à aimant permanent et l'angle du rotor du deuxième moteur électrique synchrone à aimant permanent à partir des oscillations du courant mesuré.

Selon une particularité, les moyens de détermination sont activés pour déterminer l'angle du rotor du premier moteur électrique synchrone à aimant permanent en tenant compte des paramètres du premier moteur électrique synchrone à aimant permanent.

Selon une autre particularité, les moyens de détermination sont activés pour déterminer l'angle du rotor du deuxième moteur électrique synchrone à aimant permanent en tenant compte des paramètres du deuxième moteur électrique synchrone à aimant permanent.

Selon une autre particularité, l'angle du rotor du premier moteur électrique synchrone à aimant permanent et l'angle du rotor du deuxième moteur électrique synchrone à aimant permanent sont déterminés à partir des relations suivantes :

dans lesquelles :

- sont des constantes qui sont fonction des

paramètres du premier moteur électrique synchrone à aimant permanent,

^" sont des constantes qui sont fonction

des paramètres du deuxième moteur électrique synchrone à aimant permanent, représente les oscillations du courant obtenues au premier ordre,

représente les oscillations du courant obtenues au deuxième ordre,

représente l'angle formé par l'axe de l'injection dans le repère fixe, représente la fréquence du signal de tension à haute fréquence qui est appliqué,

représente l'amplitude de l'injection du signal de tension à haute fréquence

et

- Selon une autre particularité, le convertisseur comporte des moyens d'alignement des rotors selon une stratégie déterminée mémorisée dans le convertisseur de puissance.

Selon une autre particularité, les moyens d'alignement comportent des moyens de détermination d'une stratégie d'alignement tenant compte de l'inertie du premier moteur électrique synchrone à aimant permanent et de l'inertie du deuxième moteur électrique synchrone à aimant permanent.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard de la figure 1 montrant un convertisseur de puissance de type variateur de vitesse et deux moteurs électriques synchrones connectés en parallèle audit convertisseur de puissance.

Description détaillée d'au moins un mode de réalisation

L'invention s'applique à un convertisseur de puissance comportant au moins un module onduleur alimenté par une source de tension continue et comportant une sortie connectée en parallèle à deux moteurs électriques synchrones Mot1 , Mot2 à aimant permanent (PMSM pour Permanet Magnet Synchronous Motor - désignés chacun ci-après moteur électrique synchrone).

L'invention s'applique plus particulièrement à un convertisseur de puissance de type variateur de vitesse. De manière connue, un convertisseur de puissance de type variateur de vitesse est connecté en amont à un réseau électrique R et en aval à au moins un moteur électrique.

Un variateur de vitesse comporte : - en entrée, un module redresseur REC composé en règle générale d'un pont de diodes destiné à redresser la tension alternative fournie par le réseau électrique R,

- un bus continu d'alimentation 10 sur lequel est appliquée la tension redressée par le module redresseur, le bus continu d'alimentation étant doté d'un condensateur de bus Cbus permettant de maintenir la tension du bus à une valeur constante,

en sortie, un module onduleur INV destiné à transformer la tension du bus continu en une tension variable à appliquer au moteur électrique. Le module onduleur INV est commandé en employant une loi de commande déterminée exécutée par des moyens de commande. La loi de commande consiste à calculer les tensions à appliquer au moteur électrique en fonction d'une consigne de vitesse statorique.

Le procédé de commande de l'invention est mis en œuvre dans un variateur de vitesse pour commander les deux moteurs électriques synchrones Mot1 , Mot2 qui sont connectés en parallèle à la sortie du variateur de vitesse.

Selon l'invention, pour commander deux moteurs électriques synchrones Mot1 , Mot2 en parallèle et leur envoyer les mêmes tensions de commande, il est nécessaire d'aligner préalablement les deux rotors R1 , R2 des deux moteurs. Le procédé de commande de l'invention est employé pour permettre de réaliser cet alignement. Cependant, pour aligner les deux rotors R1 , R2, il est nécessaire de connaître leur position respective. Le procédé de commande de l'invention permet ainsi, lors d'une phase préalable d'apprentissage, de déterminer l'angle 0j du rotor R1 du premier moteur électrique synchrone Mot1 et l'angle 02 du rotor R2 du deuxième moteur électrique synchrone Mot2. Le procédé de commande de l'invention est mis en œuvre en envoyant des signaux de tension en parallèle dans les deux moteurs électriques synchrones Mot1 , Mot2.

La démonstration qui suit montre qu'il est possible de déterminer les angles 0j ,

Θ2 des deux rotors R1 , R2 en maintenant la sortie du variateur de vitesse connectée aux deux moteurs électriques synchrones. Sous une approche Hamiltonienne, un modèle mathématique du moteur électrique synchrone à aimant permanent, incluant le phénomène de saturation magnétique, suit par exemple l'expression suivante :

Dans laquelle :

: écriture complexe du flux de fuite stator

: flux de fuite stator d'axe d

: flux de fuite stator d'axe q

: inductance d'axe d

: inductance d'axe q

s : le coefficient de saturation magnétique

En considérant qu'un seul moteur électrique synchrone est connecté au variateur de vitesse, il est possible de déterminer l'angle Θ de son rotor en injectant un signal de tension à haute fréquence. Cette injection en tension est réalisée sans générer de couple, c'est-à-dire sans occasionner un déplacement du rotor. L'injection haute fréquence permet une mesure en courant qui fournit une image de la position du rotor du moteur électrique synchrone.

L'injection d'un signal de tension à haute fréquence dans le repère (a, b) fixe lié au stator, s'exprime de la manière suivante :

où est une amplitude complexe et représente la partie haute fréquence, f est

une fonction périodique de moyenne nulle (de période 1/Ω et d'amplitude 1 ) et F sa primitive centrée.

La fonction f peut prendre par exemple la forme d'un signal carré ou d'un signal sinusoïdal.

Dans la solution proposée, la tension Usab n'est composée que de ce signal haute fréquence. Sans perte de généralité, nous pourrions considérer une tension U _Sa b formée de différents signaux dont les fréquences sont suffisamment séparées, d'un facteur cinq par exemple. Un cas d'application pourrait être de considérer que cette tension est composée d'un signal constant (fréquence d'injection = 0Hz) et d'un signal haute fréquence tel que décrit ci-dessus.

En repartant du modèle du moteur défini ci-dessus, on peut obtenir les expressions des oscillations du courant statorique résultant de l'injection du signal de tension à haute fréquence.

Une oscillation du courant statorique au premier ordre suit la relation

suivante:

Une oscillation du courant statorique au deuxième ordre suit la relation

Dans lesquelles :

représente l'angle du rotor du moteur électrique synchrone,

représente la fréquence du signal haute fréquence injecté, représente le conjugué de la tension

A partir de ces deux expressions, des paramètres du moteur et après mesure des oscillations du courant statorique au premier ordre et au deuxième ordre, il est ainsi possible pour le variateur de vitesse de déterminer l'angle Θ du rotor d'un seul moteur électrique synchrone qui lui est connecté.

En considérant plus particulièrement l'injection d'un signal de tension selon l'axe a du repère fixe (a, b) lié au stator, on a : On obtient alors :

Pour simplifier le traitement mis en œuvre dans le variateur de vitesse, il serait également possible d'injecter trois signaux de tension à haute fréquence successifs selon trois axes, décalés entre eux de 2π/3.

On obtiendrait alors :

Avec qui correspond à la résultante des oscillations au premier ordre du

courant statorique obtenues suite aux injections successives des trois signaux de tension et qui correspond à la résultante des oscillations au deuxième ordre du courant

statorique suite aux injections successives des trois signaux de tension.

La méthode d'injection et les expressions (4) et (5) obtenues ci-dessus pour la détermination de l'angle Θ du rotor pour un seul moteur électrique synchrone connecté au variateur de vitesse peuvent s'appliquer à la détermination des deux angles des rotors lorsque deux moteurs électriques synchrones sont connectés en parallèle au variateur de vitesse.

Un signal de tension à haute fréquence est injecté dans les deux moteurs électriques synchrones par le variateur de vitesse, sans générer de couple, comme si un seul moteur électrique synchrone était connecté au variateur de vitesse. Les oscillations du courant obtenues en réponse proviennent alors des deux moteurs électriques synchrones et tiennent donc compte de la position du rotor de chaque moteur électrique synchrone. L'invention consiste donc à pouvoir extraire du signal de courant mesuré la position du rotor R1 du premier moteur électrique synchrone Mot1 et la position du rotor R2 du deuxième moteur électrique synchrone Mot2. Lorsque deux moteurs électriques synchrones Mot1 , Mot2 sont connectés en sortie d'un même variateur de vitesse, les oscillations du courant au premier ordre qui sont mesurées correspondent à la somme des oscillations du courant statorique

au premier ordre du premier moteur électrique synchrone Mot1 et des oscillations du courant statorique ^au premier ordre du deuxième moteur électrique synchrone

Mot2 et les oscillations du courant au deuxième ordre qui sont mesurées

correspondent à la somme des oscillations du courant statorique ^au deuxième

ordre du premier moteur électrique synchrone et des oscillations du courant statorique a ^u deuxième ordre du deuxième moteur électrique synchrone Mot2. Cela

s'exprime par les relations suivantes :

dans lesquelles :

" ~ correspond aux oscillations du courant statorique au premier ordre

du premier moteur électrique synchrone Mot1 ,

- correspond aux oscillations du courant statorique au premier ordre

du deuxième moteur électrique synchrone Mot2,

- correspond aux oscillations du courant statorique au deuxième ordre

du premier moteur électrique synchrone Mot1 ,

- correspond aux oscillations du courant statorique au deuxième ordre

du deuxième moteur électrique synchrone Mot2,

Posons les notations suivantes :

avec S qui est l'amplitude (réelle) de l'injection du signal de tension à haute fréquence et a qui est la phase de l'injection (si l'injection du signal est réalisée sur l'axe a du repère (a, b) fixe lié au stator, alors a = 0 ). Il n'y a pas de limitation sur l'amplitude de la tension injectée. Elle doit générer un signal de courant perceptible qui sera utilisé pour identifier la position des flux (donc des rotors) des deux moteurs électriques synchrones. En reprenant les expressions générales (2) et (3) ci-dessus exprimant les oscillations du courant statorique au premier ordre et au deuxième ordre, pour un seul moteur électrique synchrone connecté au variateur de vitesse, nous obtenons les relations (7) suivantes :

Dans lesquelles

A partir des relations (7) et en utilisant les indices 1 (respectivement 2) pour noter les paramètres du moteur 1 (respectivement du moteur 2), les relations (6) écrites ci- dessus peuvent ainsi être réécrites pour chaque moteur.

Pour le moteur 1 :

avec

Pour le moteur 2 :

avec :

Au final, à partir des expressions (6), on obtient les relations (10) et (1 1 ) ci- dessous qui permettent de déterminer l'angle 0j du rotor R1 du premier moteur électrique synchrone Mot1 connecté au variateur de vitesse et l'angle Θ2 du rotor R2 du deuxième moteur électrique synchrone Mot2 connecté au variateur de vitesse :

avec

A partir des paramètres du premier moteur électrique synchrone Mot1 , des paramètres du deuxième moteur électrique synchrone Mot2, de la mesure des oscillations du courant statorique résultant, au premier ordre et au deuxième ordre, ces oscillations résultant de l'injection du signal de tension à haute fréquence selon un axe déterminé dans le repère fixe (a, b) lié au stator, il est ainsi possible de déterminer l'angle Θ _] du rotor R1 du premier moteur électrique synchrone Mot1 et l'angle Θ2 du rotor R2 du deuxième moteur électrique synchrone Mot2.

Les équations (10), (1 1 ) peuvent se résoudre de différentes manières. Une manière consiste par exemple à résoudre en premier la relation au premier ordre (relation en g-oscillation au premier ordre en F/Ω ) pour dégager plusieurs solutions et à sélectionner l'unique solution parmi les solutions déjà trouvées grâce à la relation au second ordre (relation en n-oscillation au deuxième ordre en F ² /Q ² ).

Une fois les angles des deux rotors R1 , R2 déterminés, le variateur de

vitesse peut mettre en place une étape d'alignement des deux rotors R1 , R2. Bien entendu, différentes stratégies peuvent être mises en place pour réaliser l'alignement des deux rotors. Ces stratégies sont par exemple mémorisées dans le variateur de vitesse et appliquées au choix de l'utilisateur. L'alignement peut par exemple s'effectuer en déplaçant le rotor de l'un des deux moteurs électriques synchrones pour l'aligner sur le rotor de l'autre moteur électrique synchrone. La stratégie employée peut également consister à déplacer les deux rotors vers une position médiane intermédiaire ou vers une position pondérée tenant compte de l'inertie de chaque moteur électrique synchrone ou des puissances mises en jeu.

Après avoir aligné les deux rotors R1 , R2, le variateur de vitesse peut commander les deux moteurs électriques synchrones Mot1 , Mot2 en employant une seule loi de commande et en envoyant les mêmes signaux de commande dans les deux moteurs électriques synchrones.