FR2975845A1 - Suivi de rotor de machine synchrone a inducteur bobine utilisant un signal sans capteur d'injection de porteuse et un courant d'excitation - Google Patents
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Abstract
Un exemple de procédé (100) de lancement d'un fonctionnement d'une machine synchrone à inducteur bobiné (10) dans un mode moteur comprend estimer (110) une position initiale d'un rotor (38) d'une machine synchrone à inducteur bobiné (10) en utilisant un signal de stimulation sans capteur d'injection (66). Le procédé (100) suit (120) une position de fonctionnement du rotor (38) sur la base des harmoniques de courant de la machine synchrone à inducteur bobiné (10). Le procédé étalonne (130) également le suivi (120) en utilisant la position initiale estimée.
Description
SUIVI DE ROTOR DE MACHINE SYNCHRONE A INDUCTEUR BOBINE UTILISANT UN SIGNAL SANS CAPTEUR D'INJECTION DE PORTEUSE ET UN COURANT D'EXCITATION Contexte La présente description concerne généralement une commande de moteur. Plus particulièrement, la présente description concerne un procédé d'estimation d'informations de position de rotor pour un moteur.
Les moteurs-génératrices électriques et les machines synchrones à inducteur bobiné (ou WFSM de l'anglais « Wound Field Synchronous Machines») sont des types de machines électriques qui sont commandées pour fournir une performance souhaitée. Une WFSM est particulièrement utile pour des applications aéronautiques parce que la WFSM peut fonctionner de manière sélective en tant que démarreur (moteur) pour une turbomachine et en tant que génératrice qui est entraînée par la turbomachine. La WFSM est généralement couplée à une génératrice à aimants permanents. La génératrice à aimants permanents alimente un système d'excitation qui fournit un courant aux enroulements de la WFSM lorsque la WFSM fonctionne dans un mode de génération. Les informations de position concernant les composants de moteur sont nécessaires pour réaliser une commande précise de la WFSM. Diverses techniques de détermination de position ont été proposées.
Une technique connue d'estimation de la position de composants dans la WFSM implique de superposer un signal de tension de porteuse à un signal de tension de commande fondamental. Un contrôleur génère le signal de commande fondamental, qui module une source d'énergie alternative qui commande le moteur pour produire un couple de rotation. Etant donné que le signal de tension de porteuse est un signal relativement haute fréquence, le signal de tension de porteuse n'affecte pas sensiblement le signal de commande fondamental commandant le
moteur. La technique d'estimation de la position angulaire du rotor est souvent appelée procédé sans capteur à injection de porteuse (ou CIS de l'anglais « Carrier Injection Sensor») et est décrit dans le brevet US n° 5 585 709.
Le procédé CIS s'est avéré utile, mais il présente des défauts. Par exemple, le procédé CIS peut appliquer de manière non souhaitable une plus grande charge de transport de courant à certains composants. Ainsi, d'autres techniques ont été développées, telles qu'une technique qui mesure et utilise des harmoniques de courant d'excitatrice plutôt que les harmoniques de courant induits par un signal de tension de porteuse. Un exemple de cette technique est décrit dans le brevet US n° 7 132 816. Cette technique présente également des défauts. Par exemple, cette technique n'est généralement utile que pour des moteurs ayant certains nombres de pôles et certaines configurations de pôles.
Il existe un besoin pour une technique améliorée qui tire profit des stratégies de commande connues et qui fournit encore des informations de position plus fiables.
Résumé Un exemple de procédé de lancement d'un fonctionnement d'une machine synchrone à inducteur bobiné dans un mode moteur comprend l'estimation d'une position initiale d'un rotor d'une machine synchrone à inducteur bobiné en utilisant un signal de stimulation sans capteur d'injection de porteuse. Le procédé suit une position de fonctionnement du rotor sur la base des harmoniques de courant de la machine synchrone à inducteur bobiné. Le procédé étalonne également le suivi en utilisant la position initiale estimée. Les harmoniques d'injection de porteuse peuvent être dans le stator principal de la machine synchrone à inducteur bobiné.
De préférence, l'estimation de la position initiale inclut l'interrogation de la machine synchrone à inducteur bobiné par l'intermédiaire des bornes de stator de la machine synchrone à inducteur bobiné. Les harmoniques de courant peuvent avantageusement 35 comprendre des harmoniques de courant d'une excitatrice polyphasée de la machine synchrone à inducteur bobiné.
Le suivi comprend de préférence la mesure et la démodulation des harmoniques de courant dans la machine synchrone à inducteur bobiné. Le suivi peut comprendre le verrouillage sur une position de rotor qui est sélectionnée parmi une pluralité de positions de rotor possibles sur la base de la position initiale. Plus spécifiquement, la pluralité de positions de rotor possibles peuvent être déterminées sur la base d'un nombre de pôles d'excitatrice dans la machine synchrone à inducteur bobiné, d'une architecture d'un redresseur dans la machine synchrone à inducteur bobiné, ou des deux.
De préférence, le procédé consiste à arrêter l'estimation après l'étalonnage. De façon avantageuse, le rotor est le rotor principal de la machine synchrone à inducteur bobiné. Le procédé peut comprendre la commande du rotor sur la base de la position étalonnée, et peut comprendre l'entrainement en rotation d'une turbomachine en utilisant la machine synchrone à inducteur bobiné. Un exemple de procédé de suivi d'un rotor d'une machine synchrone à inducteur bobiné fonctionnant dans un mode moteur comprend le suivi de n'importe laquelle d'un nombre de positions de référence du rotor sur la base des harmoniques de courant de l'inducteur d'excitatrice polyphasée de la machine synchrone à inducteur bobiné. Le procédé ajuste la position de référence pour fournir une position vraie, et l'ajustement est basé sur une estimation de position de signal sans capteur d'injection de porteuse. Le procédé commande le signal de commande fondamental sur la base de la position ajustée. Un système de transfert de puissance électromécanique comprend une machine synchrone à inducteur bobiné configurée pour entraîner un arbre en rotation. La machine synchrone à inducteur bobiné a une machine principale associée. Un module d'estimation du système est configuré pour estimer une position initiale d'un rotor de la machine synchrone à inducteur bobiné en utilisant un signal de stimulation sans capteur d'injection de porteuse. Un module de suivi du système est configuré pour suivre une position de fonctionnement du rotor sur la base des harmoniques de courant de la machine synchrone à inducteur bobiné. Un contrôleur de démarrage du système est configuré
pour appliquer un courant produisant un couple à la machine synchrone à inducteur bobiné. Le contrôleur de démarrage détermine une position réelle du rotor sur la base des informations de position provenant du module d'estimation et du module de suivi.
De préférence, le contrôleur de démarrage est configuré pour étalonner la position de fonctionnement fournie par le module de suivi en réponse à la position initiale fournie par le module d'estimation pour déterminer la position réelle. Le système peut comprendre une turbomachine qui est entraînée 10 en rotation par l'arbre.
Description des dessins Les diverses caractéristiques et les divers avantages des exemples présentés deviendront évidents aux hommes du métier à partir de la 15 description détaillée. Les figures qui accompagnent la description détaillée peuvent être décrites brièvement comme suit : La figure 1 montre une vue très schématique d'un exemple d'un système de transfert de puissance électromécanique. La figure 2 montre une vue schématique plus détaillée du système 20 de la figure 1. La figure 3 montre un exemple de procédé d'étalonnage de la machine synchrone à inducteur bobiné des figures 1 et 2.
Description détaillée 25 En faisant référence à la figure 1, un exemple d'une génératrice de démarrage synchrone à inducteur bobiné sans balais (WFSM) 10 est configuré pour entraîner en rotation un moteur d'entraînement 14 en faisant tourner un arbre principal 18. Bien que cet exemple montre l'arbre principal 18 unique, d'autres exemples peuvent inclure des 30 arbres supplémentaires. Le moteur d'entraînement 14 peut comprendre une ou plusieurs boîtes d'engrenages (non montrées). Dans cet exemple, le moteur d'entraînement 14 est un moteur à turbine à gaz d'un avion. Dans un autre exemple, le moteur d'entraînement 14 est un autre type de 35 dispositif nécessitant une rotation pour fonctionner. La WFSM 10 comprend une partie de machine principale 22, une partie d'excitatrice 26 et une partie de génératrice à aimants
permanents 30, toutes étant jointes à un arbre d'accouplement 34. L'arbre d'accouplement 34 s'étend d'un rotor 36 de la partie de génératrice à aimants permanents 30 vers un rotor principal 38 de la partie de machine principale 22. Le rotor principal 38 est le rotor principal de la WFSM 10 dans cet exemple. Comme cela est connu, la position angulaire du rotor principal 38 est nécessaire pour orienter correctement un courant communiqué à la machine principale 22 par rapport au pôle nord magnétique du rotor principal 38. Cet agencement de la partie de machine principale 22, de la partie d'excitatrice 26 et de la partie de génératrice à aimants permanents 30 est montré à titre d'exemple uniquement. D'autres agencements sont possibles, comprenant des configurations dans lesquelles la partie de génératrice à aimants permanents 30 est reliée par l'intermédiaire de pignons à l'arbre principal 18.
Dans cet exemple, un agencement pour estimer la position angulaire du rotor 38 comprend un module d'estimation 40 et un module de suivi 42. Un contrôleur de démarrage 46 est couplé fonctionnellement au module d'estimation 40 et au module de suivi 42. Le contrôleur de démarrage 46 applique un courant produisant un couple à la WFSM 10 en réponse à des informations provenant du module d'estimation 40 et du module de suivi 42. Le module d'estimation 40 est configuré pour déterminer une position initiale du rotor 38 pendant un démarrage de la WFSM 10, et le module de suivi 42 est configuré pour suivre la position du rotor 38 pendant un fonctionnement. En faisant maintenant référence à la vue plus détaillée de la figure 2, un induit d'excitatrice polyphasée 50 de l'excitatrice 26 est configuré pour transmettre une énergie électrique polyphasée à un redresseur 54, qui fournit ensuite une sortie continue à un inducteur 56 de la machine principale 22. L'excitatrice polyphasée est triphasée dans cet exemple. La sortie continue fournit la puissance d'excitation à la machine principale 22 qui entraîne le rotor principal 38. L'exemple de module d'estimation 40 comprend un détecteur de courant 58, un processeur de signaux 62 et un module qui analyse les harmoniques de courant d'un signal sans capteur d'injection de porteuse (« CIS ») 66. L'exemple de module d'estimation 40 fonctionne pendant les étapes initiales de démarrage du rotor 38. Le module
d'estimation 40 interroge la machine principale 22 par l'intermédiaire des bornes de stator de la machine principale 22 pour déterminer la position initiale du rotor 38 en utilisant la technique CIS (qui est connue). Les informations de position initiale sont communiquées au contrôleur de démarrage 46. Le contrôleur de démarrage 46 peut générer des signaux modulés par durée d'impulsion pour commander un onduleur 70 le long d'un trajet 72. L'onduleur 70 est associé à la machine principale 22 et est un bloc de puissance alternative dans cet exemple. Etant donné que des signaux modulés par durée d'impulsion sont communiqués à l'onduleur 70 pendant une détermination de position initiale (lorsque la WFSM 10 est dans les étapes initiales d'une séquence de démarrage), les signaux nécessaires pour produire un couple de démarrage ne sont pas encore nécessaires.
Le module de suivi 42 comprend un capteur 74, un processeur de signaux 78 et un module d'analyse de position de fonctionnement 82. Dans cet exemple, le capteur 74 détecte un courant alternatif polyphasé et la tension alternative polyphasée fournis par un bloc de puissance alternative 86 à l'excitatrice 26. Le capteur 74 communique les informations détectées au processeur de signaux 78. Le signal traité est ensuite communiqué au module de position de fonctionnement 82 dans lequel le signal traité est utilisé pour estimer une position du rotor principal 38 pendant le fonctionnement de la WFSM 10. Le module de position de fonctionnement 82 communique les informations d'estimation de position au contrôleur de démarrage 46. Le contrôleur de démarrage 46 peut générer des signaux modulés par durée d'impulsion pour commander le bloc de puissance alternative 86 le long d'un trajet 88. Dans cet exemple, le module de suivi 42 mesure et démodule les harmoniques de courant provenant d'un inducteur d'excitatrice triphasée de la WFSM 10. Par ailleurs, dans cet exemple, le bloc de puissance alternative 86 est la puissance alternative triphasée disponible à bord de l'avion. Le bloc de puissance alternative 86 pourrait également fonctionner en tant qu'onduleur pour l'excitatrice 26. Dans un autre exemple, le capteur 74 détecte des informations provenant d'un bus de puissance alternative d'avion ou d'une autre
source de puissance alternative. Dans un exemple, la position est suivie par un verrouillage sur une position de rotor sélectionnée parmi une pluralité de positions de rotor possibles sur la base d'une position initiale. Une personne du métier et tirant parti de cette description comprendrait comment suivre une position du rotor 38 sur la base des informations obtenues par le capteur 74. Notamment, le module de suivi 42 diffère du module d'estimation 40 au moins parce que le module de suivi 42 estime la position du rotor 38 sur la base des harmoniques de courant associés à l'excitatrice 26 au lieu des harmoniques de courant d'une fréquence de porteuse qui est injectée dans la machine principale 22. Dans cet exemple, les informations fournies au contrôleur de démarrage 46 par le module de suivi 42 sont étalonnées ou ajustées sur la base des informations reçues du module d'estimation 40. Plus spécifiquement, la position absolue du rotor 38 provenant du module d'estimation 40 est utilisée pour étalonner la position de rotor déduite par le module de suivi 42. Un étalonnage des informations de position provenant du module de suivi 42 de cette manière garantit que le contrôleur de démarrage 46 peut fournir des informations de position précises relatives au rotor 38. Comme cela est connu, le module de suivi 42 se verrouille sur le rotor 38 à l'une d'un certain nombre de positions possibles, ce qui peut provoquer un décalage de la position suivie par rapport à la position de rotor absolue. Les positions possibles sont déterminées par le nombre de pôles d'excitatrice et l'architecture du redresseur 54. Le module d'estimation 40 étalonne le module de suivi 42 en déterminant la différence entre la position de rotor indiquée par le module de suivi 42 et la position de rotor absolue provenant du module d'estimation 40. Parce que l'exemple de module d'estimation 40 n'est utilisé que pour l'étalonnage, le module d'estimation 40 peut être désactivé après avoir fourni les informations nécessaires au contrôleur de démarrage 46. Tant que le module de suivi 42 maintient un verrouillage sur l'estimation de position de rotor, l'estimation de position de rotor provenant du module de suivi 42 reste précise.
Après un étalonnage, le contrôleur de démarrage 46 commande la machine principale 22 et l'excitatrice 26 de la même manière que celle connue dans l'art. A une vitesse de seuil minimum déterminée par une
génératrice de démarrage, la responsabilité de la détermination d'une position de rotor peut être passée du module de suivi 42 à l'un de nombreux algorithmes d'estimation de position de rotor à vitesse élevée possibles.
En faisant référence à la figure 3, un exemple de procédé 100 de lancement d'un fonctionnement d'une machine synchrone à inducteur bobiné dans un mode moteur comprend l'estimation d'une position initiale d'un rotor d'une machine synchrone à inducteur bobiné en utilisant un signal sans capteur d'injection de porteuse à une étape 110. Le procédé 100 se verrouille ensuite sur une position de fonctionnement du rotor et la suit sur la base des harmoniques de courant de la machine synchrone à inducteur bobiné à une étape 120. Le suivi est ensuite étalonné à une étape 130 sur la base des informations de position initiale provenant de l'étape 110.
La description qui précède est un illustrative plutôt que limitative par nature. Des modifications et des variantes des exemples présentés peuvent devenir évidentes aux hommes du métier, lesquelles ne s'écartent pas nécessairement de l'essence de la présente description. Ainsi, l'étendue de protection légale communiquée à cette description ne peut être déterminée qu'en étudiant les revendications qui suivent.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Procédé (100) de lancement d'un fonctionnement d'une machine synchrone à inducteur bobiné (10) dans un mode moteur, 5 comprenant : estimer (110) une position initiale d'un rotor (38) d'une machine synchrone à inducteur bobiné (10) en utilisant un signal sans capteur d'injection de porteuse (66) ; suivre (120) une position de fonctionnement du rotor (38) sur la 10 base des harmoniques de courant de la machine synchrone à inducteur bobiné (10) ; et étalonner (130) le suivi (120) en utilisant la position initiale estimée.
- 2. Procédé (100) selon la revendication 1, dans lequel l'estimation 15 (110) de la position initiale comprend interroger la machine synchrone à inducteur bobiné (10) par l'intermédiaire des bornes de stator de la machine synchrone à inducteur bobiné (10).
- 3. Procédé (100) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les harmoniques de courant comprennent des harmoniques de courant 20 d'une excitatrice polyphasée de la machine synchrone à inducteur bobiné (10).
- 4. Procédé (100) selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel le suivi (120) comprend mesurer et démoduler les harmoniques de courant dans la machine synchrone à inducteur bobiné (10). 25
- 5. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le suivi (120) comprend se verrouiller sur une position de rotor qui est sélectionnée parmi une pluralité de positions de rotor possibles sur la base de la position initiale.
- 6. Procédé (100) selon la revendication 5, dans lequel la pluralité 30 de positions de rotor possibles sont déterminées sur la base d'un nombre de pôles d'excitatrice dans la machine synchrone à inducteur bobiné (10), d'une architecture d'un redresseur dans la machine synchrone à inducteur bobiné (10), ou des deux.
- 7. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications 35 précédentes, comprenant arrêter l'estimation (110) après l'étalonnage (130).
- 8. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rotor (38) est le rotor principal de la machine synchrone à inducteur bobiné (10).
- 9. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, dans lequel le procédé comprend commander le rotor (38) sur la base de la position étalonnée.
- 10. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant l'entraînement en rotation d'une turbomachine en utilisant la machine synchrone à inducteur bobiné 10 (10).
- 11. Système de transfert de puissance électromécanique, comprenant : une machine synchrone à inducteur bobiné (10) configurée pour entraîner en rotation un arbre (18), la machine synchrone à inducteur 15 bobiné (10) comportant une machine principale (22) associée ; un module d'estimation (40) configuré pour estimer une position initiale d'un rotor (38) de la machine synchrone à inducteur bobiné (10) en utilisant un signal sans capteur d'injection de porteuse (66) ; un module de suivi (42) configuré pour suivre une position de 20 fonctionnement du rotor (38) sur la base des harmoniques de courant de la machine synchrone à inducteur bobiné (10) ; et un contrôleur de démarrage (46) configuré pour appliquer un courant produisant un couple à la machine synchrone à inducteur bobiné (10), dans lequel le contrôleur de démarrage (46) détermine une 25 position réelle du rotor (38) sur la base des informations de position provenant du module d'estimation (40) et du module de suivi (42).
- 12. Système selon la revendication 11, dans lequel le contrôleur de démarrage (46) est configuré pour étalonner la position de fonctionnement fournie par le module de suivi (42) en réponse à la 30 position initiale fournie par le module d'estimation (40) pour déterminer la position réelle.
- 13. Système selon la revendication 11 ou 12, comprenant une turbomachine qui est entraînée en rotation par l'arbre (18).
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