[0001] L'invention est relative à un procédé de commande d'une machine électrique réversible,
c'est-à-dire d'une machine pouvant fonctionner soit en générateur (alternateur), relié
à une batterie et à des éléments consommateurs de courant, soit en moteur avec relance
d'un volant d'inertie, destinée à un véhicule automobile, cette machine comprenant
un induit et un inducteur bobinés, l'inducteur étant commandé, lors du fonctionnement
en alternateur, par un régulateur propre à réguler la tension délivrée par l'induit
au réseau électrique du véhicule.
[0002] Le fonctionnement en moteur d'une telle machine électrique correspond soit à l'utilisation
en démarreur de cette machine, soit en l'utilisation comme moteur de relance d'un
volant d'inertie, en particulier, dans le cas où le véhicule est équipé d'un système
de récupération de l'énergie à l'aide d'un tel volant.
[0003] On sait qu'actuellement sur la plupart des véhicules automobiles, tourisme ou poids
lourd, le générateur électrique, en particulier l'alternateur, et le démarreur sont
constitués par deux machines électriques distinctes. Dans un souci d'économie et d'efficacité,
on cherche à réaliser une seule machine électrique pouvant servir tantot en générateur
(alternateur), tantôt en moteur (démarreur ou moteur de relance d'un volant d'inertie)
et qui assure des performances suffisantes pour les deux types de fonctionnement.
[0004] FR-A-2 512 406 concerne une installation électrique de bord pour véhicules, notamment
véhicules automobiles, comportant un alternateur pouvant fonctionner en moteur (démarreur)
en étant alimenté à partir d'une batterie. L'alternateur de cette installation est
du type à inducteur à aimant permanent. Il n'est donc pas possible de modifier l'excitation
de l'inducteur, contrairement au cas d'un inducteur bobiné.
[0005] L'exigence relative aux performances suffisantes est difficile à satisfaire car les
conditions électriques de service ne sont pas les mèmes selon que la machine fonctionne
en générateur ou en moteur.
[0006] JP-A-59 185 872 décrit un procédé de commande d'une machine électrique réversible
pouvant fonctionner soit en générateur <alternateur), relié à une batterie et à des
éléments consommateurs de courant, soit en moteur, destiné à un véhicule automobile,
cette machine comprenant un induit et un inducteur bobinés, l'inducteur étant commandé,
lors du fonctionnement en alternateur, par un régulateur propre à réguler la tension
délivrée par l'induit au réseau électrique du véhicule.
[0007] Il n'est pas question, dans ce document, du problème posé par la relance d'un volant
d'inertie, lorsque la machine électrique fonctionne en moteur.
[0008] L'invention a pour but, surtout, de fournir une machine électrique réversible, telle
que définie précédemment qui, notamment, permet d'obtenir des performances et un rendement
satisfaisants aussi bien lors du fonctionnement en générateur que lors du fonctionnement
en moteur, avec relance d'un volant d'inertie.
[0009] Selon l'invention, le procédé de commande d'une machine électrique réversible pouvant
fonctionner soit en générateur (alternateur>, relié à une batterie et à des éléments
consommateurs de courant, soit en moteur avec relance d'un volant d'inertie, destinée
à un véhicule automobile, cette machine comprenant un induit et un inducteur bobinés,
l'inducteur étant commandé lors du fonctionnement en alternateur par un régulateur
propre à réguler la tension délivrée par l'induit au réseau électrique du véhicule,
est caractérisé par le fait que, pour le fonctionnement en moteur, on établit, à partir
de la tension de batterie, une tension régulée supérieure à celle de la batterie,
cette tension régulée étant utilisée au moins pour l'alimentation de l'induit et qu'on
pilote l'excitation de l'inducteur de manière à provoquer une augmentation de la vitesse
de rotation pour laquelle le couple de la machine fonctionnant en moteur s'annule.
[0010] Il est ainsi possible de relancer le volant d'inertie jusqu'à la vitesse relativement
élevée pour laquelle le couple s'annule.
[0011] Avantageusement, l'inducteur est également alimenté par cette tension régulée.
[0012] De préférence, le pilotage de l'excitation est effectué de manière à obtenir un couple
maximal pour chaque vitesse de rotation.
[0013] On peut piloter un coefficient de proportionnalité
k entre la force contre-électromotrice
e et la vitesse de rotation
ω pour avoir à chaque instant
k = U/2ω , U représentant la tension d'alimentation de l'induit.
[0014] Généralement, on pilote l'excitation à partir d'une vitesse déterminée ω 1 choisie
de manière telle que ω 1 = U/2K1 où U est la tension d'alimentation de l'induit et
K1 le coefficient reliant la force contre-électromotrice à la vitesse de rotation.
[0015] Avantageusement, lors du fonctionnement en moteur, on pilote l'induit de manière
à limiter l'intensité du courant circulant dans cet induit à une valeur prédéterminée
pour des vitesses de rotation allant de la vitesse nulle à une valeur limite.
[0016] De préférence, l'intensité du courant d'induit est maintenue à une valeur constante
sur toute la plage de vitesses.
[0017] L'invention est également relative à l'utilisation du procédé défini précédemment
pour la commande d'une machine électrique dont l'induit comporte plusieurs phases
et dont le fonctionnement en moteur est assuré par une commutation électronique.
[0018] L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain
nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos
de modes de réalisation particuliers décrits avec référence aux dessins ciannexés,
mais qui ne sont nullement limitatifs.
[0019] La figure 1, de ces dessins, est une courbe caractéristique courant-vitesse d'un
alternateur, l'intensité du courant étant portée en ordonnée, et la vitesse de rotation
de l'alternateur exprimée en tours/minute, étant portée en abscisse.
[0020] La figure 2 est une caractéristique couplevitesse de la machine électrique fonctionnant
en moteur sous excitation nominale et avec alimentation des phases du stator (ou induit)
par commutation électronique sous tension nominale, le couple étant porté en ordonnée,
et la vitesse de rotation en abscisse.
[0021] La figure 3 est un schéma électrique d'une commande classique d'une machine fonctionnant
en alternateur.
[0022] La figure 4 est un schéma d'une commande classique de la machine électrique fonctionnant
en moteur, avec commutation électronique.
[0023] La figure 5 est un tracé de caractéristiques d'une machine électrique fonctionnant
en moteur, dans diverses conditions, dont certaines conformes au procédé de l'invention.
[0024] La figure 6 est un tracé de caractéristiques d'une machine électrique fonctionnant
en moteur et dont l'excitation est pilotée ------------------------------ de manière
à repousser vers des vitesses plus élevées la vitesse correspondant au couple nul.
[0025] La figure 7 est un tracé de caractéristiques se déduisant de celui de la figure 6
pour une tension d'induit régulée supérieure, selon l'invention.
[0026] La figure 8 est un tracé de caractéristiques se déduisant de celui des figures 6
et 7 lorsque l'induit et l'inducteur sont tous deux alimentés par la tension régulée
supérieure à celle de la batterie.
[0027] La figure 9 est un tracé de caractéristiques d'une machine électrique fonctionnant
en moteur -----------------------------------------avec pilotage de la tension d'induit
de manière à maintenir le courant d'induit à une valeur constante.
[0028] La figure 10 se déduit de la figure 9 pour une tension d'induit correspondant à la
tension régulée supérieure à celle de la batterie, selon l'invention.
[0029] La figure 11 se déduit des figures 9 et 10̸ alors que la tension d'induit et la tension
d'inducteur correspondent à la tension régulée supérieure à celle de la batterie.
[0030] La figure 12 est un schéma électrique, simplifié, d'une installation de commande
d'une machine électrique conforme à l'invention.
[0031] La figure 13 est un schéma électrique d'une variante de l'installation de commande.
[0032] La figure 14, enfin, est un schéma électrique d'une autre variante de réalisation
de l'installation de commande.
[0033] Avant d'entamer la description proprement dite, il convient de préciser qu'une machine
électrique réversible générateur-moteur, pour véhicule automobile, du genre de l'invention,
peut être implantée de deux manières :
[0034] ou bien intégrée au volant moteur et donc tournant à la même vitesse que le vilebrequin
du moteur thermique ;
[0035] ou bien entraînée par le vilebrequin par l'intermédiaire de poulies et courroies
et tournant à une vitesse supérieure à, et généralement égale à environ deux fois,
celle du vilebrequin.
[0036] Pour simplifier la rédaction, on ne considérera que la première implantation où les
vitesses de rotation du moteur thermique et de la machine électrique sont identiques.
Le cas de la deuxième implantation peut se déduire du précédent par un simple coefficient
multiplicateur entre la vitesse du moteur thermique et celle de la machine électrique.
[0037] La figure 1 des dessins illustre un exemple de caractéristiques de l'intensité (portée
en ordonnée) du courant débité par un alternateur, intégré au volant du moteur thermique
ou entraîné par ce moteur avec rapport de transmission unitaire, à excitation nominale,
en fonction de la vitesse de rotation portée en abscisse et exprimée en nombre de
tours/minute. La vitesse d'amorçage Na de l'alternateur est voisine de 60̸0̸ tours/minute.
[0038] La figure 2 montre la caractéristique couple (en ordonnée) et vitesse (en abscisse)
de la même machine électrique que dans le cas de la figure 1, mais fonctionnant cette
fois en moteur sous excitation nominale et avec alimentation des phases du stator
par commutation électronique sous tension nominale, comme cela sera expliqué un peu
plus en détail à propos des schémas des figures 3 et 4.
[0039] Le schéma de la figure 3 correspond au fonctionnement de la machine électrique en
alternateur, avec une commande classique. La machine comprend un enroulement inducteur
bobiné 1, ou enroulement d'excitation, commandé par un régulateur 2 qui contrôle le
courant d'excitation, traversant l'inducteur 1, de telle sorte qu'une tension souhaitée
soit délivrée en sortie du pont 3 de diodes de redressement branché sur l'induit 4
comportant trois phases L1, L2, L3 branchées en étoile.
[0040] Le pont de diodes 3 comporte, d'une manière classique, six diodes. Deux diodes sont
associées à chaque phase de l'induit 4 qui forme le stator de l'alternateur. L'anode
des diodes D1, D2, D3 est reliée à l'extrémité de sortie de chaque enroulement de
phase L1, L2, L3, tandis que la cathode de ces diodes est reliée à la borne + d'une
batterie 5 ainsi qu'à une borne du réseau électrique S d'éléments consommateurs de
courant du véhicule.
[0041] Les cathodes des diodes D4, D5, D6 sont reliées à l'extrémité de sortie des phases
L1, L2, L3 tandis que les anodes sont reliées à la masse, à laquelle est également
relié le pôle - de la batterie 5 et l'autre borne du réseau S.
[0042] Le régulateur 2 comprend, schématiquement, un circuit comparateur 6 qui reçoit, sur
une entrée, la tension à la sortie du pont de diodes 3 et, sur une autre entrée, une
tension de référence. Le signal de sortie du comparateur 6 est envoyé sur un amplificateur
7 qui contrôle l'intensité du courant circulant dans l'inducteur 1. Il n'apparaît
pas nécessaire de détailler davantage ces circuits classiques.
[0043] La figure 4 représente schématiquement la commande de la commutation électronique
de la machine électrique pour son fonctionnement en moteur. Les éléments identiques
ou jouant des rôles similaires à des éléments déjà décrits à propos de la figure 3
sont désignés par les mêmes références sans que leur description soit reprise.
[0044] Le régulateur 2 n'a pas été représenté sur la figure 4 et l'inducteur constitué par
l'enroulement d'excitation 1 est alimenté sous la tension constante U de la batterie.
[0045] Des moyens de commutation électronique 8 sont branchés en parallèle au pont de diodes
3 pour assurer une alimentation séquentielle des phases L1, L2, L3 de l'induit 4 ou
stator.
[0046] Les moyens de commutation électronique 8 comprennent des interrupteurs statiques
Q1...Q6 pouvant être constitués par des transistors ou des thyristors, branchés en
parallèle sur les diodes D1...D6. Les interrupteurs Q1...Q6 sont commandés à partir
d'un ensemble électronique 9 qu reçoit des informations sur la position angulaire
du rotor, ou inducteur 1, par des capteurs de position angulaire du rotor H1, H2,
H3, espacés sur une circonférence entourant le rotor. Ces capteurs H1, H2, H3 peuvent
être constitués par des capteurs à Effet Hall, ou des capteurs optoélectroniques.
[0047] Un exemple de séquence d'alimentation des phases L1, L2, L3 permettant de créer un
champ électromagnétique tournant est le suivant :
[0048] Les caractéristiques de fonctionnement de la machine électrique en moteur dépendent
des caractéristiques du fonctionnement en alternateur.
[0049] Ainsi, si l'on se reporte à nouveau à la figure 2, on peut voir que la vitesse de
rotation maximale du moteur qui est de 60̸0̸ tours/minute correspond à la vitesse
d'amorçage du fonctionnement en alternateur, illustré par la figure 1, puisqu'à cette
vitesse la force contre-électromotrice (dans le fonctionnement en moteur) atteint
déjà la tension nominale et s'oppose complétement au passage du courant d'alimentation
du stator (ou induit).
[0050] Si le courant nominal, lors du fonctionnement en alternateur, est suffisamment important,
la machine électrique pourra fournir, lors de son fonctionnement en moteur, un couple
de démarrage Cd à une vitesse par exemple de 20̸0̸ tours/minute, suffisant dans le
cas où le moteur est utilisé comme démarreur. Par contre, il est possible que la machine
électrique tout en présentant des caractéristiques satisfaisantes pour le fonctionnement
en alternateur, ne fournisse pas, lors du fonctionnement en moteur selon le schéma
de la figure 4, un couple Cd suffisant.
[0051] De plus, lorsque la machine électrique est destinée à être utilisée, lors de son
fonctionnement en moteur, pour assurer la relance d'un volant d'inertie, il lui faudra
atteindre une vitesse de rotation relativement élevée, par exemple 40̸0̸0̸ tours/minute,
qui est supérieure à la vitesse limite de 60̸0̸ tours/minute correspondant au couple
nul, du schéma de la figure 2 qui correspond lui-même au fonctionnement en moteur
selon le branchement de la figure 4.
[0052] L'invention vise, notamment, à apporter une solution à ces problèmes, c'est-à-dire
à permettre d'obtenir d'une machine électrique, suffisamment dimensionnée pour fonctionner
en générateur (alternateur) à bord d'un véhicule automobile, des caractéristiques
satisfaisantes lors du fonctionnement en moteur électrique, c'est-à-dire en démarreur
et en moteur de relance d'un volant d'inertie.
[0053] Pour cela, conformément à l'invention, lors du fonctionnement en moteur de la machine
électrique, on contrôle la tension d'alimentation de l'induit 4 et/ou l'excitation
(inducteur 1) afin d'obtenir les caractéristiques souhaitées en couple-vitesse.
[0054] Avant d'évoquer plus en détail le procédé de commande de l'invention et les moyens
utilisés pour la mise en oeuvre de ce procédé, on va considérer les équations de fonctionnement
de la machine électrique en moteur.
[0055] Le fcem (force contre-électromotrice) en volts de la machine travaillant en moteur
a pour expression :
où
- ω
- = vitesse de rotation en rd/s
- N
- = nombre de conducteurs de l'induit
- 2a
- = nombre de voies d'enroulement du bobinage induit
- 2p
- = nombre de pôles de l'inducteur
- Φ
- = flux utile par pôle en Webers
[0056] Le couple électromagnétique C, en mN, pour un courant I en ampères dans l'induit
alimenté sous la tension nominale U, en volts, vaut :
[0057] En fonctionnement sous la tension nominale U avec un courant d'excitation nominal
i constant (donc à k = K1 constant), la caractéristique de couple électromagnétique
C en fonction de la vitesse ω est la droite de la figure 2. La vitesse limite est
U/K1.
[0058] Les équations (1) à (4) montrent que le couple C et la vitesse ω dépendent des courants
inducteur, c'est-à-dire du courant circulant dans l'enroulement d'excitation 1, et
induit , c'est-à-dire du courant circulant dans les enroulements du stator 4.
[0059] Le procédé de commande selon l'invention permet de modifier ces couple et vitesse
en agissant sur les courants par un contrôle de la tension d'alimentation de l'induit
et/ou de l'excitation.
[0060] Le contrôle des courants peut être effectué soit à partir de la tension nominale
U (tension de la batterie 5) soit à partir d'une tension régulée yU supérieure à celle
de la batterie, et établie à partir de la tension U par des moyens élévateurs de tension.
[0061] Lorsque l'on dispose ainsi de la tension nominale U et d'une tension régulée yU plus
élevée, trois cas principaux de fonctionnement suivants peuvent être envisagés.
[0062] Cas no 1 : l'inducteur 1 et l'induit 4 sont alimentés par la tension nominale U.
[0063] Ceci correspond au montage de la figure 4 et à l'utilisation classique d'une machine
électrique réversible dans son fonctionnement en moteur. La caractéristique couple-vittesse
est représentée par la droite C1 sur la figure 5.
[0064] Cas no 2 : l'inducteur 1 est alimenté par la tension nominale U, tandis que l'induit 4 est
alimenté par la tension yU. La caractéristique de couple-vitesse est alors la droite
C2 de la figure 5. Par rapport à la droite C1, le gain en couple et vitesse est dans
le rapport y, car la tension passe de la valeur nominale U à la valeur yU, tandis
que le coefficient K1 reste égale à lui-même.
[0065] Cas no 3 : l'inducteur 1 et l'induit 4 sont alimentés sous la tension yU.
[0066] La caractéristique couple-vitesse est alors représentée par la droite C3 sur la figure
5, le couple étant multiplié par y² , pour une même vitesse de rotation, par rapport
au fonctionnement correspondant à la droite C1. En effet, la tension est multipliée
par y , ainsi que le rapport de proportionnalité qui devient yK1 au lieu de K1.
[0067] La vitesse correspondant au couple nul est la même dans le cas n
o 1 et dans le cas n
o 3.
[0068] Aux droites C1, C2, C3 correspondent les droites i1, i2, i3 du courant d'inducteur
(enroulement 1) parallèles à l'axe des abscisses (courant inducteur constant) et les
droites I1, I2, I3 du courant d'induit (enroulement 4), à pente négative.
[0069] Les caractéristiques couple-vitesse C2, et surtout C3 (figure 5), permettent d'obtenir
aux vitesse de rotation relativement faibles de la machine électrique fonctionnant
en moteur, un couple élevé. Ces caractéristiques conviennent à un fonctionnement en
démarreur, car la gamme de vitesses obtenue est suffisante.
[0070] Ainsi, en établissant conformément à l'invention, à partir de la tension U de batterie,
une tension yU régulée supérieure à celle de la batterie, et en utilisant au moins
cette tension yU pour l'alimentation de l'induit 4 (courbe caractéristique C2 sur
la figure 5), et le cas échéant également pour l'alimentation de l'inducteur 1 (droite
C3 sur la figure 5), les caractéristiques souhaitées en couple-vitesse pour le fonctionnement
de la machine électrique en démarreur sont obtenues.
[0071] Toutefois, comme déjà évoqué précédemment, si la machine électrique est utilisée
comme moteur de relance d'un volant d'inertie, les gammes de vitesses ne sont plus
suffisantes.
[0072] Par exemple, pour atteindre une vitesse de 40̸0̸0̸ tours/minute, avec un couple qui
sera égal à 25 % du couple de démarrage, la vitesse limite à couple nul pour la droite
C2 de la figure 5 devrait être de 40̸0̸0̸ x (10̸0̸/75) = 5 333 tours/minute. Si on
considère que la vitesse limite à couple nul pour la droite C1 est égal à 60̸0̸ tours/minute
(comme dans le cas de la figure 2), un coefficient d'amplification y de 8,88 sera
nécessaire pour obtenir la caractéristique C2 satisfaisante. Avec un tel coefficient
y de 8,88, le courant dans l'induit 4, qui augmente dans les mêmes proportions, devient
très élevé et le coût de l'électronique (moyens de commutation électronique 8) peut
devenir exorbitant.
[0073] Le procédé de l'invention prévoit, pour éviter un tel inconvénient, un pilotage de
l'excitation de l'inducteur 1 de manière à provoquer une augmentation de la vitesse
de rotation pour laquelle le couple du moteur s'annule. Cette augmentation est obtenue
en faisant varier la tension d'alimentation ou le courant de l'inducteur 1 de telle
sorte que le flux électromagnétique Φ varie et donc le coefficient k reliant la force
contre-électromotrice à la vitesse de rotation [voir équation (1)].
[0074] De préférence, le pilotage de l'excitation est effectué de manière à obtenir un couple
maximal pour chaque vitesse de rotation.
[0075] Des explications théoriques vont d'abord être fournies pour mieux faire comprendre
le procédé de l'invention. Ces explications théoriques s'appliquent essentiellement
au cas de base (cas n
o 1) ------------ qui correspond à l'alimentation de l'inducteur et de l'induit à partir
de la tension nominale U. On pourra ensuite facilement extrapoler aux cas n
o 2 et 3 évoqués à la page 10̸.
[0076] On considère à nouveau l'équation (4) ----------------------du couple en fonction
de la tension nominale, de la vitesse et du coefficient k. On calcule la dérivée par
rapport à k du couple C. On obtient :
[0077] Cette dérivée montre que le couple C pour chaque vitesse est maximal lorsque k =
U/2ω . Un procédé optimal pour étendre la zone de vitesse, c'est-à-dire pour augmenter
la vitesse de rotation pour laquelle le couple du moteur s'annule, consiste à faire
varier k suivant une loi hyperbolique en fonction de ω. Cete variation de k, comme
déjà évoqué précédemment, sera obtenue en agissant sur la tension ou sur le courant
d'excitation appliqué à l'enroulement 1.
[0078] La variable k est physiquement limitée à la valeur K1 pour les vitesses de rotation
inférieures allant de la vitess nulle ω = 0̸ jusqu'à la vitesse ω = ω1 telle que :
[0079] Pour les vitesses de rotation supérieures à ω1, on pilote k, en agissant essentiellement
sur le flux Φ utile par pôle produit par l'inducteur, (voir équation n
o 1), pour avoir à chaque instant :
[0080] Les caractéristiques de couple C, de courant d'induit 1 (courant dans le stator 4)
et de courant d'inducteur i (courant dans l'enroulement d'excitation 1) sont tracées
sur la figure 6.
[0081] La courbe 10̸ du courant d'inducteur en fonction de la vitesse de rotation, courbe
qui correspond au pilotage souhaité de l'excitation pour obtenir la caractéristique
couple-vitesse souhaitée, comprend, tout d'abord, un segment 11 rectiligne parallèle
à l'axe des abscisses. Ce segment 11 correspond à une intensité traversant l'inducteur
1 constante ; à ce segment 11 correspond la valeur K1, constante, du coefficient de
proportionnalité k. A partir de la vitesse ω=U/2K1, l'intensité du courant inducteur
diminue selon une loi hyperbolique, représentée par l'arc de courbe 12. Le coefficient
k diminue d'une manière semblable.
[0082] La caractéristique 13 du couple C se compose d'un segment rectiligne à pente négative
14 depuis la vitesse nulle jusqu'à U/2K1, pour les vitesses supérieures à cette dernière
valeur, la courbe 13 se poursuit par un arc 15 d'hyperbole, tournant sa concavité
vers le haut. Une valeur non nulle du couple est ainsi maintenue pour des vitesses
supérieures à U/K1.
[0083] Le segment rectiligne en tirets 16 prolongeant le ségment 14 correspond au cas de
fonctionnement illustré par la figure 2, en l'absence de pilotage de l'excitation.
On voit que pour la vitesse U/K1 à laquelle le couple s'annule dans le cas d'un fonctionnement
sans pilotage de l'excitation le couple obtenu est égal à K1U/4R.
[0084] Pour une vitesse double 2U/K1, le couple obtenu avec le pilotage de l'excitation
est égal à K1U/8R.
[0085] La courbe 17 illustre la variation du courant d'induit I en fonction de la vitesse
de rotation.
[0086] Cette courbe 17 comprend un premier segment rectiligne 18 à pente négative entre
la vitesse nulle et la vitesse U/2K1. Au-delà de cette vitesse, la courbe se poursuit
par un segment rectiligne 19 parallèle à l'axe des abscisses, correspondant à une
intensité d'induit constante.
[0087] Le cas de fonctionnement évoqué précédemment, correspondait à l'alimentation de l'induit
et de l'inducteur à partir de la tension nominale U.
[0088] Si l'induit 4 est alimenté à partir d'une tension régulée yU, tandis que l'inducteur
1 reste alimenté à partir de la tension nominale U, les caractéristiques de fonctionnement
du moteur sont illustrées par la figure 7 qui se déduit de la figure 6 par l'introduction
du coefficient d'amplification y sur les valeurs faisant intervenir la tension U.
Ces valeurs ont été portées sur l'axe des abscisses et des ordonnées, et il n'est
pas nécessaire de commenter plus en détail cette figure 7 sur laquelle on a désigné
par les mêmes références numériques que sur la figure 6, les diverses parties des
caractéristiques concernées.
[0089] Dans le cas de fonctionnement où l'induit 4 et l'inducteur 1 sont alimentés à partir
de la tension yU, les courbes caractéristiques de fonctionnement en moteur deviennent
celles de la figure 8 qui se déduisent de celles de la figure 6. Les valeurs remarquables
ont été portées en abscisse et en ordonnée et exprimées en fonction de y, U, R et
K1. Les différentes parties de courbes ont été désignées par les mêmes références
numériques que sur la figure 6.
[0090] L'extension de la caractéristique couple-vitesse, par pilotage de k (pilotage de
l'excitation), permet de réduire le coefficient d'amplification y pour obtenir une
vitesse de rotation souhaitée. Dans l'exemple numérique évoqué précédemment pour une
vitesse de rotation souhaitée de 40̸0̸0̸ tours/ minute on peut réduire le coefficient
y à 6,66, grâce au pilotage de k, au lieu de la valeur 8,88 exprimée précédemment.
[0091] Avantageusement, lors du fonctionnement en moteur de la machine électrique, on pilote
l'induit 4 de manière à limiter l'intensité I du courant circulant dans cet induit
à une valeur prédéterminée pour des vitesses de rotation allant de la vitesse nulle
à une valeur limite.
[0092] Habituellement, comme cela apparaît sur les figures 6, 7 et 8, on impose un courant
de démarrage, dans l'induit 4, rotor bloqué, égal à deux fois la valeur minimale du
courant d'induit I.
[0093] Le procédé de l'invention, qui vient d'être évoquée, permet de limiter le courant
d'induit à une valeur unique, à savoir sa valeur minimale, en pilotant la tension
d'alimentation de l'induit 4.
[0094] Pour les explications qui suivent on va considérer le cas de base où l'inducteur
1 et l'induit 4 sont alimentés à partir de la tension nominale U, ce qui correspond
aux caractéristiques de la figure 6.
[0095] Sur cette figure 6, la valeur minimale de l'intensité I d'induit est égale à la moitié
de l'intensité rotor bloqué, c'est-à-dire égale à : 1/2 x U/R.
[0096] Comme visible sur cette figure 6, dans la zone de vitesses correspondant au segment
18, l'intensité d'induit est habituellement supérieure à cette valeur minimale.
[0097] Pour maintenir l'intensité d'induit I à la valeur minimale U/2R dans la zone de vitesses
allant de ω = 0̸ à la valeur limite ω1 = U/2K1, on réduit, à partir de la valeur nominale
U, la tension d'alimentation de l'induit 4 dans un rapport z de telle sorte que :
avec, en fait, k = K1.
[0098] Le coefficient z doit donc varier linéairement de 1/2 pour ω = 0̸ à 1 pour ω1 = U/2K1.
[0099] Dans la pratique, on alimentera l'induit 4 sous une tension U/2, moitié de la valeur
nominale, à la vitesse nulle, et on fera augmenter linéairement cette tension en fonction
de ω1 jusqu'à la valeur nominale U atteinte pour ω1 =U/2K1. Au-delà de cette vitesse
ω1, l'induit 4 restera alimenté sous cette tension nominale U constante.
[0100] Cette limitation du courant d'induit, dans la plage des vitesses considérée, entraîne
une diminution du couple C qui demeurera égal à la valeur constante :
[0101] Les caractéristiques de le figure 6 se trouvent modifiées de la manière illustrée
sur la figure 9.
[0102] La caractéristique 17a du courant d'induit, sur la figure 9, est constitué par un
segment rectiligne parallèle à l'axe des abscisses. Ainsi, le segment incliné 18,
avec une pente négative, de la figure 6 se trouve supprimé.
[0103] Pour la plage des vitesses comprises entre la vitesse nulle et U/2K1, la caractéristique
13a du couple présente un segment 14a parallèle à l'axe des abscisses et dont l'ordonnée
est égale à K1U/2R. Cette ordonnée est égale à la moitié de l'ordonnée à l'origine
de la caractéristique 13 du couple sur la figure 6. Au-delà de la vitesse U/2K1, la
caractéristique de couple est constituée par un arc d'hyperbole 15a semblable à l'arc
15 de la figure 6.
[0104] La caractéristique 12a de l'intensité du courant d'inducteur (courant dans l'enroulement
1) et du coefficient k est semblable à la caractéristique 12 de la figure 6.
[0105] Les formules (8) et (9) peuvent être facilement transposées aux cas n
o 2 et n
o 3.
[0106] Pour le cas n
o 2 correspondant à la figure 7, où l'inducteur 1 est alimenté à partir de la tension
nominale U pilotée en fonction de la vitesse de rotation , et l'enroulement induit
4 est alimenté sous la tension élevée yU, le coefficient z pourra varier linéairement
selon la formule suivante :
[0107] Le couple est donné par la formule :
[0108] Les caractéristiques tracées sur la figure 10̸ correspondent à ce deuxième cas de
fonctionnement.
[0109] Dans le cas de fonctionnement n
o 3, illustré précédemment sur la figure 8, pour lequel l'induit 4 et l'inducteur 1
sont alimentés à partir de la tension élevée yU, le coefficient z est obtenu par l'équation
(8) donnée précédemment à savoir :
Comme k est maintenu égal à K1, le couple est donné par :
[0110] La figure 11 donne les caractéristiques correspondant au fonctionnement selon ce
cas n
o 3.
[0111] Les figures 12 à 14 illustrent des exemples de réalisation d'une installation pour
la mise en oeuvre du procédé de l'invention.
[0112] La réalisation pratique des installations correspondant aux trois cas de contrôle
d'inducteur et d'induit évoqués précédemment s'effectue à partir d'ensembles ou de
sous-ensembles classiques combinés selon le procédé.
[0113] Pour l'inducteur 1, le régulateur 2 habituel de l'alternateur peut être utilisé.
[0114] Pour l'induit 4, un montage du type alimentation à découpage peut parfaitement convenir.
[0115] La figure 12 est un schéma synoptique d'une machine réversible et de l'installation
de commande E associée permettant de réaliser un pilotage de la tension de l'inducteur
1 alimenté à partir de la tension nominale U, et un pilotage de la tension d'induit
4 alimenté à partir de la tension élevée yU.
[0116] Les éléments de la figure 12 identiques ou jouant des rôles analogues à des éléments
déjà décrits à propos de la figure 3 sont désignés par les mêmes références, éventuellement
suivies de la lettre a, leur description pouvant ainsi ne pas être reprise.
[0117] L'installation E comprend des moyens de branchement J1 et J2 en position générateur
(fonctionnement de la machine électrique en alternateur) et en position moteur. Ces
moyens J1 et J2 sont constitués par des inverseurs à deux positions A (alternateur)
et M (moteur).
[0118] L'inverseur J1 en position A assure une liaison entre une borne d'entrée du régulateur
2a et la sortie du comparateur 6a, propre à comparer une tension de référence avec
la tension U. L'autre inverseur J2 dont le déplacement est couplé à J1, se trouve
également en position A et assure, dans cette position, la liaison entre la sortie
du pont de diodes 3 et la borne + de la batterie.
[0119] Le fonctionnement en alternateur de la machine électrique pour cette position A des
moyens de branchement J1 et J2 est classique. Le régulateur 2a agit sur l'excitation
1 de manière à charger la batterie à sa valeur nominale, par exemple 14 Volts ou 28
Volts, et à fournir le courant aux consommateurs S du véhicule.
[0120] Pour son autre position M, l'inverseur J1 relie la borne d'entrée du régulateur 2a
à une ligne recevant, d'une sortie de l'électronique de commande 9a un signal représentant
U/2ω élaboré par cette électronique 9a. Ce signal correspond au pilotage défini par
l'équation (6).
[0121] Le régulateur 2a qui reçoit sur son entrée le signal représentant U/2ω va réguler
le courant d'excitation circulant dans l'enroulement 1 suivant cette loi, ce qui permet
d'obtenir le pilotage souhaité de l'inducteur.
[0122] Le module électronique 9a commande en outre, comme expliqué à propos de la figure
4, l'alimentation des phases L1, L2, L3.
[0123] L'autre inverseur J2 dans sa position M assure la liaison de la sortie du pont de
diodes 3 avec la sortie d'une source de tension régulée 20̸, cette sortie se trouvant
sous la tension zyU. La source 20̸ est un montage de type alimentation à découpage.
Le coefficient zy est élaboré, également, par l'ensemble électronique 9a dont une
sortie est reliée à l'entrée d'un circuit comparateur 21. Ce circuit reçoit, sur une
autre entrée, la tension fournie à la sortie de la source 20̸. Le circuit 21 fournit,
sur sa sortie reliée à une entrée de la source 20̸, un signal représentant l'écart
entre la tension délivrée par la source 20̸ et la tension de référence zyU qui pilote
la source 20 de manière à fournir à sa sortie , une tension égale à zyU.
[0124] La figure 13 montre schématiquement une autre réalisation possible de l'installation
de commande selon l'invention, installation équivalente à celle de la figure 12, mais
se basant cette fois sur un pilotage de l'induit 4 et de l'inducteur 1 au niveau des
courants, alors que dans le cas de la figure 12 le pilotage était effectué au niveau
des tensions.
[0125] Les éléments de la figure 13 identiques ou jouant des rôles semblables à des éléments
de l'installation de la figure 12 sont désignés par les mêmes références éventuellement
suivies de la lettre b. Le montage de la figure 13 nécessite des capteurs de courant
représentés par les deux résistances 22, 23 placées respectivement en série avec l'enroulement
inducteur 1 et l'enroulement induit 4.
[0126] La sortie de l'électronique de commande 9b, sur laquelle est fourni un signal U/2ωr,
r étant la valeur de la résistance 22, est reliée à une entrée d'un comparateur 24
dont la sortie est reliée à la borne M de l'inverseur J1. Une autre entrée du comparateur
24 reçoit le signal de tension créé aux bornes de la résistance 22 par le courant
i d'inducteur. Le comparateur 21, dont la sortie est reliée à une entrée de la source
de tension régulée 20̸ reçoit, sur une entrée, un signal, élaboré par l'électronique
de commande 9b, représentant la valeur In constante qui est égale soit à U/2R dans
le cas n
o 1, soit yU/2R pour le cas n
o 2.
[0127] L'autre entrée du comparateur 21 reçoit le signal de tension prélevée aux bornes
de la résistance 23. Plus précisément, cette entrée est reliée à une borne 25 de la
résistance 23 dont l'autre borne est reliée à la masse.
[0128] Le fonctionnement de l'installation de la figure 13 est analogue à celui décrit pour
la figure 12, la différence consistant essentiellement dans le pilotage du courant
d'excitation i en fonction de la vitesse ω et du courant induit I qui est maintenu
à la valeur constante In.
[0129] Le pilotage du courant d'excitation ou d'inducteur i est assuré par le régulateur
2a en réponse au signal de sortie fourni par le comparateur 24.
[0130] Le pilotage du courant I d'induit est assuré par la source de tension 20̸ qui fournit
une tension zyU, en réponse au signal de sortie du comparateur 21, tel que I reste
égal à In.
[0131] Le type de montage de la figure 13 permet de réaliser facilement les pilotages du
cas n
o 3 de fonctionnement,-------------------correspondant à l'alimentation de l'inducteur
et de l'induit à partir d'une tension yU.
[0132] Pour cela, comme représenté sur la figure 14, un troisième inverseur J3, analogue
à J1 et à J2, est prévu sur le conducteur de liaison de l'enroulement d'excitation
1 à la borne + de la batterie 5. Cet inverseur J3 est branché de manière qu'en position
A (alternateur) l'enroulement d'excitation 1 est alimenté à partir de la tension U
de batterie. Cet inverseur J3 en position M assure l'alimentation de l'enroulement
d'excitation 1 à partir de la tension zyU fournie par la source 20̸.
[0133] L'électronique de commande 9b élabore un signal In = yU/2R.
[0134] On a repris, sur cette figure 14, les mêmes références que celles utilisées sur la
figure 13 pour désigner les éléments identiques ou jouant des rôles analogues.
[0135] Les moyens de branchement J1,J2 et J3 de cette figure 14 sont reliés de manière à
se déplacer ensemble et à se trouver simultanément soit sur la position A soit sur
la position M.
[0136] Les fonctions à réaliser par l'électronique de commande pourraient être avantageusement
assurées par un microprocesseur, lequel pourrait prendre en charge d'autres fonctions
utiles telles que protection en courant et tension, protection thermique, diagnostic
de panne.