EP3072232A2 - Alimentation d'un moteur electrique - Google Patents

Alimentation d'un moteur electrique

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EP3072232A2
EP3072232A2 EP14799483.4A EP14799483A EP3072232A2 EP 3072232 A2 EP3072232 A2 EP 3072232A2 EP 14799483 A EP14799483 A EP 14799483A EP 3072232 A2 EP3072232 A2 EP 3072232A2
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EP
European Patent Office
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electric motor
speed
power
circuit
voltage
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EP14799483.4A
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Inventor
Xavier Goumain
Xavier ROUSSEIL
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Valeo Systemes Thermiques SAS
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Valeo Systemes Thermiques SAS
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/047—V/F converter, wherein the voltage is controlled proportionally with the frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/34—Arrangements for starting
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/20—Arrangements for starting

Definitions

  • the present invention relates to the supply of electric motors.
  • a particularly interesting application of the invention lies in the field of supply of electric motors used in motor vehicles.
  • a power supply system of an electric motor used in a motor vehicle comprises a power circuit for transmitting the voltage of the vehicle battery to an electronic card managing the power supply of said motor.
  • An example of such a power supply system is shown diagrammatically in FIG. 1 for the supply of a three-phase electronically commutated motor 1 capable of driving a fan 2 of a heating, ventilation and air-conditioning system of a motor vehicle.
  • Such a motor also known under the name of "brushless" motor (English terminology meaning "brushless"), or synchronous motor self-controlled magnets, comprises three stator windings, represented here in a triangle assembly, of which the voltages U, V and W are delivered by the power system.
  • This power system includes:
  • a power circuit 3 whose input terminals are connected to a voltage source (not shown) formed by the vehicle battery, and an electronic control circuit 4 for powering the motor
  • the power system further comprises a safety switch 5 for selectively connecting the battery to the power circuit 3 and the circuit 4.
  • this safety switch 5 is placed in series on the -BATT connection terminal, but could equivalently be connected in series to the + BATT terminal.
  • the safety switch 5 is traditionally an enhancement type MOSFET transistor, for example N type, whose drain and source are connected in series on the -BATT connection terminal, and whose gate receives a control signal SW_CMD allowing to switch the transistor between a blocked state (open switch), or a saturated operating state (closed switch) in which the transistor behaves between its drain and its source as a very low value resistor.
  • the fact of reducing the supply voltage during very precise operating phases of the engine for which the set speed is low makes it possible to significantly reduce the noise emissions due to the stator windings.
  • the system according to the invention may also have one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination:
  • the power system further comprises a MOSFET transistor forming a safety switch, which, in the closed position, allows the connection of the power circuit to said DC voltage source, and a gate control means of the MOSFET transistor suitable for placing said transistor in the closed position in a saturated operating mode for a set speed higher than said threshold speed, or in a closed position in a linear operating mode for a set speed lower than said threshold speed.
  • the MOSFET transistor is controlled to produce between the drain and the source a voltage increasing linearly as a function of the set speed.
  • the threshold speed is between 10% and 30% of the maximum speed possible for the electric motor.
  • the threshold speed is preferably equal to 20% of the maximum speed possible for the electric motor.
  • the electric motor is brushless or with brushes.
  • the electric motor is preferably without brushes.
  • FIG. 1 is a simplified schematic representation of a power system of an electric motor according to the prior art
  • Figure 1 has been described above with reference to the prior art.
  • Figure 2 is a simplified schematic representation of a power system of an electric motor 1 according to the invention.
  • a power circuit 3 whose input terminals are connected to a voltage source (not shown) formed by the vehicle battery, and
  • a safety switch 5 for selectively connecting the battery to the power circuit 3 and the electronic control circuit 4.
  • the power circuit 3 and consequently the electronic control circuit 4 are powered by the value of the voltage as delivered by the vehicle battery typically of the order of 13 volts.
  • control module 6 making the system capable of reducing the value of DC voltage received by the power circuit during the operating phases of the engine for which the emissions sound are the most troublesome, typically when starting the electric motor and / or during operating phases for which the target speed of the electric motor is below a threshold speed.
  • control module 6 represented here schematically in the form of an electronic circuit interposed between the safety switch 5 and the input of the power circuit 3 is therefore:
  • the power circuit 3 be powered by the DC voltage from the battery when the target speed for the motor is greater than the threshold speed and
  • FIG. 3 illustrates a particularly clever implementation in that it makes best use of the components already available in the system, in particular the MOSFET transistor 5 used as a safety switch to interrupt the power supply in the event of overheating, or to put on standby the system.
  • the way the gate of the transistor is controlled so that it is not used as a simple switch More specifically, the transistor that was until now only used in saturated mode, regardless of the setpoint speed, will now be driven according to the target speed so as to:
  • the control signal SW_CMD is generated by the module 6 as a function of the set speed SCONS -
  • the control module 6 can be entirely software, managed for example by a microcontroller capable of generating, for linear operation, a Pulse Width Modulation (PWM) signal proportional to the reference speed.
  • PWM Pulse Width Modulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

L'invention concerne un système d'alimentation d'un moteur électrique (1) comportant un circuit (3) de puissance dont les bornes d'entrée sont connectées à une source de tension continue, et un circuit électronique (4) de commande du moteur électrique (1) en fonction d'un signal de commande représentatif de la vitesse de consigne du moteur. Conformément à l'invention, le système comporte un moyen (6) apte à réduire la valeur de tension continue reçue par le circuit (3) de puissance lors du démarrage du moteur électrique (1) et/ou lors de phases de fonctionnement pour lesquelles la vitesse de consigne du moteur électrique (1) est inférieure à une vitesse seuil.

Description

ALIMENTATION D'UN MOTEUR ELECTRIQUE
La présente invention concerne l'alimentation des moteurs électriques. Une application particulièrement intéressante de l'invention se situe dans le domaine de l'alimentation des moteurs électriques utilisés dans les véhicules automobiles.
De façon générale, un système d'alimentation d'un moteur électrique utilisé dans un véhicule automobile comporte un circuit de puissance visant à transmettre la tension de la batterie du véhicule vers une carte électronique gérant l'alimentation dudit moteur. Un exemple d'un tel système d'alimentation est représenté schématiquement en figure 1 pour l'alimentation d'un moteur 1 triphasé à commutation électronique apte à entraîner un ventilateur 2 d'un système de chauffage, ventilation et climatisation d'un véhicule automobile. Un tel moteur 1, connu aussi sous l'appellation de moteur « brushless » (terminologie anglo-saxonne signifiant « sans balais »), ou de moteur synchrone autopiloté à aimants, comporte trois enroulements statoriques, représentés ici selon un montage en triangle, dont les tensions U, V et W sont délivrées par le système d'alimentation. Ce système d'alimentation comporte :
- un circuit de puissance 3 dont les bornes d'entrée sont connectées à une source de tension (non représentée) formée par la batterie du véhicule, et - un circuit électronique de commande 4 visant à alimenter le moteur
1.
Le circuit de puissance 3 est un filtre d'entrée comprenant par exemple une inductance L reliée en série sur la borne positive +BAT de la batterie deux condensateurs montés chacun entre la borne négative -BAT et l'une des bornes de l'inductance. Sa fonction est de transmettre la tension de la batterie vers le circuit électronique de commande 4. Le circuit électronique de commande 4 est composé d'un circuit d'alimentation à découpage comportant trois bras de pont 9, 10, 11 comprenant chacun deux interrupteurs montés en série, chaque interrupteur étant muni d'une diode en antiparallèle. Chacun des trois enroulements statoriques du moteur 1 est donc alimenté par l'un des ponts. Pour éviter une connexion permanente de la batterie au circuit de puissance et au circuit électronique de commande qui pourrait impliquer des courants de fuite susceptible d'entraîner un échauffement non souhaité, le système d'alimentation comporte en outre un interrupteur 5 de sécurité permettant de connecter sélectivement la batterie au circuit de puissance 3 et au circuit électronique de commande 4. Dans l'exemple représenté, cet interrupteur 5 de sécurité est placé en série sur la borne de connexion -BATT, mais pourrait de manière équivalente être connecté en série sur la borne + BATT. L'interrupteur 5 de sécurité est traditionnellement un transistor de type MOSFET à enrichissement, par exemple de type N, dont le drain et la source sont connectés en série sur la borne de connexion -BATT, et dont la grille reçoit un signal de commande SW_CMD permettant de faire basculer le transistor entre un état bloqué (interrupteur ouvert), ou un état de fonctionnement en saturation (interrupteur fermé) dans lequel le transistor se comporte entre son drain et sa source comme une résistance de très faible valeur.
L'un des problèmes qui se pose avec ce type de moteurs électriques est le niveau d'émission de bruit acoustique qui peut rester non négligeable par rapport aux émissions sonores environnantes. En particulier, les études de la Demanderesse ont montré que le bruit généré par de tels moteurs pouvait être important lors de certaines phases de fonctionnement, notamment lors des phases de démarrage du moteur, où encore lorsque le moteur est commandé pour tourner à des vitesses relativement faibles.
Dans ce contexte, la présente invention vise à fournir une solution qui permet d'améliorer les performances acoustiques, en particulier de réduire le niveau d'émission sonore, d'un moteur électrique en fonction de la phase de fonctionnement dans lequel le moteur se trouve.
A cette fin, l'invention propose un système d'alimentation d'un moteur électrique comportant :
- un circuit de puissance dont les bornes d'entrée sont connectées à une source de tension continue,
- un circuit électronique de commande du moteur électrique en fonction d'un signal de commande représentatif de la vitesse de consigne du moteur, ledit système étant caractérisé en ce qu'il est apte à réduire la valeur de tension continue reçue par le circuit de puissance lors du démarrage du moteur électrique et/ou lors de phases de fonctionnement pour lesquelles la vitesse de consigne du moteur électrique est inférieure à une vitesse seuil .
Grâce à l'invention, le fait de réduire la tension d'alimentation lors de phases de fonctionnement bien précises du moteur pour lesquelles la vitesse de consigne est faible permet de réduire de façon importante les émissions sonores dues aux enroulements statoriques.
Le système selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la valeur de tension continue reçue par le circuit de puissance correspond, lors du démarrage du moteur électrique et/ou lors de phases de fonctionnement pour lesquelles la vitesse de consigne du moteur électrique est inférieure à une vitesse seuil, à la tension continue délivrée par la source réduite d'une valeur croissant linéairement en fonction de la vitesse de consigne.
- le système d'alimentation comporte en outre un transistor MOSFET formant un interrupteur de sécurité, qui, en position fermée, autorise la connexion du circuit de puissance à ladite source de tension continue, et un moyen de commande de la grille du transistor MOSFET apte à placer ledit transistor en position fermée dans un mode de fonctionnement saturé pour une vitesse de consigne supérieure à ladite vitesse seuil, ou en position fermée dans un mode de fonctionnement linéaire pour une vitesse de consigne inférieure à ladite vitesse seuil.
- dans ledit mode de fonctionnement linéaire, le transistor MOSFET est commandé pour produire entre le drain et la source une tension augmentant linéairement en fonction de la vitesse de consigne.
- la vitesse seuil est comprise entre 10% et 30% de la vitesse maximum possible pour le moteur électrique. - la vitesse seuil est de préférence égale à 20% de la vitesse maximum possible pour le moteur électrique.
- le moteur électrique est sans balais ou avec balais.
- le moteur électrique est préférentiellement sans balais.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 est une représentation schématique simplifiée d'un système d'alimentation d'un moteur électrique selon l'art antérieur;
- la figure 2 est une représentation schématique simplifiée d'un système d'alimentation d'un moteur électrique selon un mode de réalisation possible de l'invention ;
- la figure 3 illustre schématiquement une implémentation préférée permettant de réduire la valeur de la tension continue reçue par le circuit de puissance de la figure 1 ;
- la figure 4 illustre, à titre d'exemple, la tension d'alimentation délivrée en fonction de phases de fonctionnement du moteur électrique.
La figure 1 a été décrite plus haut en référence à l'art antérieur. La figure 2 est une représentation schématique simplifiée d'un système d'alimentation d'un moteur électrique 1 selon l'invention.
On y retrouve, comme explicité ci-avant dans le cadre de l'art antérieur :
- un circuit de puissance 3 dont les bornes d'entrée sont connectées à une source de tension (non représentée) formée par la batterie du véhicule, et
- un circuit électronique de commande 4 visant à alimenter le moteur 1 en fonction d'un signal de commande représentatif de la vitesse de consigne du moteur, et
- de préférence, un interrupteur 5 de sécurité permettant de connecter sélectivement la batterie au circuit de puissance 3 et au circuit électronique de commande 4.
Comme cela a été indiqué plus haut, en fonctionnement classique, c'est-à-dire lorsque l'interrupteur 5 de sécurité est fermé, le circuit de puissance 3, et par suite, le circuit électronique de commande 4, sont alimentés par la valeur de la tension telle que délivrée par la batterie du véhicule, typiquement de l'ordre de 13 Volts.
Or, les essais menés par la Demanderesse ont permis de mettre en évidence que les émissions sonores, en particulier celles liées aux enroulements statoriques dans le cas d'un moteur sans balais sont proportionnelles à la valeur de la tension d'alimentation continue.
Fort de ce constat, il est proposé de munir le système d'alimentation d'un module 6 de commande rendant le système apte à réduire la valeur de tension continue reçue par le circuit de puissance lors des phases de fonctionnement du moteur pour lequel les émissions sonores s'avèrent les plus gênantes, typiquement lors du démarrage du moteur électrique et/ou lors de phases de fonctionnement pour lesquelles la vitesse de consigne du moteur électrique est inférieure à une vitesse seuil.
Le rôle du module 6 de commande, représenté ici schématiquement sous la forme d'un circuit électronique interposé entre l'interrupteur de sécurité 5 et l'entrée du circuit de puissance 3 est donc :
- de laisser le circuit de puissance 3 être alimenté par la tension continue issue de la batterie dès lors que la vitesse de consigne pour le moteur est supérieure à la vitesse seuil et
- de réduire la valeur de tension continue sinon, de préférence d'une valeur croissant linéairement en fonction de la vitesse de consigne.
Un grand nombre d'implémentations, électroniques ou logicielles, peuvent être envisagées pour assurer un tel contrôle de la valeur de la tension d'alimentation.
La figure 3 illustre une implémentation particulièrement astucieuse en ce qu'elle utilise au mieux les composants déjà disponibles dans le système, en particulier le transistor MOSFET 5 utilisé comme interrupteur de sécurité pour interrompre l'alimentation en cas de surchauffe, ou pour mettre en veille le système.
Conformément au mode de réalisation de l'invention, on modifie la façon dont est commandée la grille du transistor pour qu'il ne soit pas utilisé comme simple interrupteur. Plus spécifiquement, le transistor qui n'était jusqu'à maintenant utilisé qu'en mode saturé, quelle que soit la vitesse de consigne, va à présent être piloté en fonction de la vitesse de consigne de manière à :
- présenter un fonctionnement saturé classique lorsque les vitesses de consignes sont supérieures à la valeur seuil ;
- présenter un fonctionnement linéaire sinon, de façon à réduire la valeur de tension effectivement fournie au circuit 3 d'une valeur croissant linéairement en fonction de la vitesse de consigne.
Les figures 3 et 4 permettent d'illustrer ce principe. Lorsque le transistor 5 est dans une zone de fonctionnement saturée, le circuit en aval du transistor reçoit classiquement l'alimentation +BAT issue de la batterie. Cette zone correspond à la partie 2 sur la figure 4.
En revanche, lorsque le transistor 5 est dans sa zone de fonctionnement linéaire, il développe une tension non nulle V_SW entre son drain et sa source, de sorte que le circuit en aval reçoit la tension :
+ BAT - V_SW
La partie 1 sur la figure 4 illustre les variations de la tension reçue par le circuit 3 en fonction de la vitesse de consigne du moteur. Dans l'exemple donné, la vitesse seuil est de l'ordre de 20% de la vitesse maximum possible pour le moteur électrique.
Le signal de commande SW_CMD est généré par le module 6 en fonction de la vitesse de consigne SCONS -
Le module 6 de commande peut être entièrement logiciel, géré par exemple par un microcontrôleur apte à générer, pour le fonctionnement linéaire, un signal à Modulation de Largeur d'Impulsions (MLI) proportionnel à la vitesse de consigne.
En variante, un circuit électronique spécifique apte à générer une commande proportionnelle à la vitesse de consigne peut également être utilisée. Dans les deux cas, une boucle de rétroaction peut être ajoutée à des fins de régulation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système d'alimentation d'un moteur électrique (1) comportant :
- un circuit (3) de puissance dont les bornes d'entrée sont connectées à une source de tension continue,
- un circuit électronique (4) de commande du moteur électrique (1) en fonction d'un signal de commande représentatif de la vitesse de consigne du moteur,
ledit système étant caractérisé en ce qu'il est apte à réduire la valeur de tension continue reçue par le circuit (3) de puissance lors du démarrage du moteur électrique (1) et/ou lors de phases de fonctionnement pour lesquelles la vitesse de consigne du moteur électrique (1) est inférieure à une vitesse seuil.
2. Système d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite valeur de tension continue reçue par le circuit (3) de puissance correspond, lors du démarrage du moteur électrique (1) et/ou lors de phases de fonctionnement pour lesquelles la vitesse de consigne du moteur électrique (1) est inférieure à une vitesse seuil, à la tension continue délivrée par la source réduite d'une valeur croissant linéairement en fonction de la vitesse de consigne.
3. Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédente, comportant en outre un transistor MOSFET (5) formant un interrupteur de sécurité, qui, en position fermée, autorise la connexion du circuit de puissance (3) à ladite source de tension continue, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (6) de commande de la grille du transistor MOSFET (5) apte à placer ledit transistor en position fermée dans un mode de fonctionnement saturé pour une vitesse de consigne supérieure à ladite vitesse seuil, ou en position fermée dans un mode de fonctionnement linéaire pour une vitesse de consigne inférieure à ladite vitesse seuil.
4. Système d'alimentation selon la revendication 3, caractérisé en ce que, dans ledit mode de fonctionnement linéaire, le transistor MOSFET est commandé pour produire entre le drain et la source une tension augmentant linéairement en fonction de la vitesse de consigne.
5. Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit moyen (6) de commande comprend un microcontrôleur apte à générer un signal de type Modulation de Largeur d'Impulsions (MLI) proportionnel à la vitesse de consigne.
6. Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit moyen (6) de commande comprend un circuit électronique.
7. Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit circuit électronique (4) de commande est formé par un circuit d'alimentation à découpage.
8. Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, apte à alimenter un moteur électrique de type sans balai, caractérisé en ce que la vitesse seuil est égale à 20% de la vitesse maximum possible pour le moteur électrique.
EP14799483.4A 2013-11-20 2014-11-18 Alimentation d'un moteur electrique Withdrawn EP3072232A2 (fr)

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