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Conception d'un moteur à répulsion à commutateur électronique à commande

numérique

Design of a repulsion motor with digital electronically-controlled commutator

By S. Sâadate, E. Gudefin andC. Goeldel, Groupe de Recherches en Electrotechnique et Electronique de Nancy, Nancy, Cedex, France.

Le moteur à répulsion à position des balais fixe a une caractéristique couple-vitesse hyperbolique (type moteur à courant continu série) et convient donc pour des applications en traction électrique; en modifiant la position des balais, on peut obtenir un fonctionnement à vitesse variable. Cette étude présente un moteur à répulsion avec un commutateur électronique, qui, commandé numériquement en boucle fermée, remplace le collecteur mécanique du moteur à répulsion classique. Elle décrit d'abord le prototype et les deux types de commutateur qui sont utilisés. Ensuite elle présente la boucle et le processus de commande numérique du commutateur du moteur. Les résultats expérimentaux obtenus sur ce prototype et les conclusions constituent la dernière partie de cette étude.

The repulsion motor with spatially fixed brushes provides, as the series-connected DC motor, a hyperbolical torque-speed characteristic and can be used in electrical traction applications. Variable speed operation is obtained by changing the position of the brushes. This paper presents a repulsion motor with a static commutator that substitutes the classical repulsion motor commutator using digital operation through a control-loop. The prototype and the two types of commutator used in this project are explained, and the control-loop and control-process are studied. The experimental results and the conclusions follow.

Introduction

Lorsqu'on dispose d'un réseau monophasé on peut avoir besoin d'un moteur à fort couple de démarrage. Le moteur asynchrone monophasé à démarrage par condensateur ne peut remplir cette condition. Par ailleurs, il a une caractéristique couple-vitesse linéaire (type moteur à courant continu shunt) et on a parfois besoin d'une caractéristique hyperbolique (type moteur à courant continu série) pour la traction et autres applications similaires.

Les moteurs monophasés à collecteur en général et le moteur à répulsion en particulier peuvent être des solutions à ce problème; mais actuellement et malgré toutes ses qualités, le moteur à répulsion est abandonné au profit du moteur à courant continu série alimenté par redresseur.1

Cela est dû à la mauvaise commutation de ce type de moteur aux vitesses autres que le synchronisme et spécialement aux vitesses hypersynchrones2, ce qui cause une usure très nette des balais et du collecteur.

Le but de ce projet est d'y porter remède en éliminant le collecteur mécanique et les balais et en les remplaçant par un commutateur à semiconducteurs, ce qui, en plus, nous permet d'effectuer des réglages à distance de la vitesse du moteur par le décalage de court-circuit, équivalent au décalage des balais du moteur classique.

Principe du fonctionnement du moteur a repulsion classique

Considérons un moteur à collecteur bipolaire dont les balais sont mis en court-circuit et dont l'inducteur est alimenté par un courant alternatif. Supposons en premier lieu les balais calés sur la ligne neutre théorique. Le rotor étant à l'arrêt, aucun courant ne circulera dans l'induit; aucun couple ne s'exerce donc sur le rotor. Imaginons maintenant les balais calés suivant la direction de la ligne de force moyenne du champ inducteur, soit l'axe des pôles de l'inducteur. A

ce moment, les deux moitiés de l'induit (de part et d'autre de la ligne des balais) fonctionnent comme deux bobines secondaires en parallèle et en court-circuit d'un transformateur dont le primaire est l'inducteur. Un courant intense parcourt l'enroulement du rotor et le conducteur court-circuitant les balais. Ce courant est en quasi-opposition de phase avec le courant inducteur. Une force répulsive s'exerce entre les champs produits par les enroulements stator et rotor. Mais elle ne détermine aucun couple puisqu'elle passe par l'axe de rotation du rotor.

Dans une troisième hypothèse, supposons les balais calés dans une position intermédiaire faisant l'angle θ avec la ligne neutre (Figure la). La force répulsive ne passant plus par l'axe de la machine, un couple sera exercé sur le rotor dans le sens opposé au décalage des balais par rapport à la ligne neutre théorique. Le moteur démarre. Lorsqu'il tourne le fonctionnement reste le même; toutefois, il y a alors une f.e.m. dynamique induite dans l'armature et les courants inducteur et induit cessent d'être en opposition; le courant et le couple diminuent à mesure que la vitesse augmente. Le moteur à répulsion à position fixe des balais a des caractéris­tiques de moteur série.

Figure 1: a) Moteur à répulsion classique b) Moteur à répulsion à commutateur électronique

Can. Elec. Eng. J., Vol. 12 No. 4, 1987

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Presentation du prototype Par rapport au moteur à répulsion classique, nous pouvons

présenter notre moteur à commutateur électronique comme sur la Figure 1.

Nous avons donc choisi un nombre limité de phases à l'induit (9 en l'occurence, ce nombre étant plus élevé pour le cas classique) et nous réalisons le court-circuit de l'induit à l'aide d'interrupteurs bidirectionnels (l'ensemble étant appelé commutateur électroni­que) et commandâmes à partir de la position numérique absolue du rotor par rapport au stator. Pour faciliter la commande des interrupteurs, le prototype conçu est inversé, les interrupteurs se trouvent donc au stator.

Commutateur électronique

Selon l'interrupteur utilisé, deux types de commutateurs ont été conçus et réalisés: le commutateur à thyristors et le commutateur à transistors.

Chaque interrupteur du commutateur à thyristors comprend deux thyristors montés tête-bêche, prévus pour un courant de 56 A (le courant nominal de court-circuit du prototype est de 45 A), présentant l'avantage de ne pas réclamer une protection importante

Figure 2: Interrupteur du commutateur à thyristors Figure 3: Commutateur à transistors

A4159

c J L

330Ω

T °

NC I

-M-+ ior

UAA 4002

J 1 5 0 Z 5 6 <kil<kQ

4 BYWm 5Ω

&D905

j l

·*! 1 Q ^

0,010

-5V

DRIVER + AMPLIFICATEUR DE COURANT PUISSANCE

Figure 4: Schéma complet de l'interrupteur à transistor

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si ce n'est un circuit RC, lirniteur de I — J des thyristors, con-\ dt '

seillé par le constructeur (Figure 2).

Ces thyristors fonctionnant en régime d'extinction naturelle, la vitesse de commutation sera limitée et par conséquent la vitesse de rotation du moteur équipé d'un tel commutateur le sera également. Ce résultat sera vérifié expérimentalement.

Le commutateur à transistors est constitué d'interrupteurs bidirectionnels à transistors, résultant chacun de l'association d'un pont de diodes avec un interrupteur unidirectionnel à transistor schématisé par un simple transistor sur la Figure 3. Le schéma complet (driver 4- circuit de puissance) de l'interrupteur unidirec­tionnel à transistor, 100 A-400 V en l'occurence, est donné sur la Figure 4.

La commande du circuit driver de cet interrupteur est gérée par l'UAA 4002, circuit qui, en plus, assure les protections fondamen­tales suivantes3: • protection contre les défauts d'alimentations auxiliaires; • temps de conduction minimal et maximal; • surveillance de la saturation du composant de puissance; et • surveillance du courant traversant le Darlington.

Les interrupteurs à transistors peuvent être commandés aussi bien à l'ouverture qu'à la fermeture et par conséquent aucune limitation sur la vitesse de commutation ne sera imposée, d'où leurs supériorités par rapport aux interrupteurs à thyristors. Mais, en contre-partie et lors du fonctionnement du moteur, le transistor doit être protégé contre les surtensions dues à l'existence d'une charge inductive (l'induit du moteur) qui ne peut être shuntée par une diode de roue libre; nous avons réalisé cette protection grâce à un ensemble des transils4 associé à un circuit d'aide à la commutation (Figure 5).5

Le commutateur électronique à transistors permettra alors de commuter des courants non nuls, grâce à son circuit de protection, lequel sera le siège de pertes joule supplémentaires essentiellement dans ses transils et sa résistance. Ces pertes auront certes un effet néfaste et grandissant avec la vitesse de rotation du moteur sur le rendement global de ce commutateur; malgré ce fait, à cause de la souplesse offerte par les transistors de puissance, le commuta­teur à transistors est, pour ce projet, plus adapté que le commu­tateur à thyristors.

Commande en boucle fermée du commutateur

Les neuf phases étants reliées, grâce au commutateur électroni­que, à un point, dit point central, le but de la commande est d'actionner ces interrupteurs de telle façon qu'à chaque position angulaire (δ) de l'axe du rotor par rapport à l'axe de référence au stator, on ait :

(a) un court-circuit, comme il est indiqué sur la figure 1 (moteur classique).

(b) la possibilité de modifier la correspondance entre le court-circuit et l'angle δ.

Nous pouvons ainsi régler, à partir des entrées prévues dans la commande, l'angle θ (Figure la) que nous appelerons, pour notre moteur à commutateur électronique, l'angle de décalage de court-circuit. Etant donné ce cahier des charges pour la commande, nous la réaliserons à partir du schéma de principe donné sur la Figure 6. 6

Le rôle du codeur est de convertir la position angulaire absolue du rotor en un nombre binaire qui soit utilisable par le micropro­cesseur; un codeur optique à 10 bits a été retenu à cet égard. Cette position numérique (^binaire) e s * m Q des deux entrées du microprocesseur, l'autre entrée étant celle de commande du dé­calage de court-circuit (Figure 6); ces entrées seront appelées (Y).

Figure 5: Module interrupteur à transistor avec le circuit d'aide à la commutation

Figure 6: Schéma fonctionnel de la commande

Le microprocesseur est l'organe qui, en fonction de ces deux groupes d'entrées, génère neuf signaux (numérotés de 1 à 9 sur la Figure 6) de commande des interrupteurs. L'interface aura comme rôle d'adapter les signaux logiques de sorties du P.LA. aux entrées de commande des interrupteurs.

Deux modes de fonctionnement seront prévus par la commande: fonctionnement à un court-circuit simple à l'induit (Figure 7) et_fonctionnement à un court-circuit et une commutation de durée (X) réglable (Figure 8). Nous pensons que le deuxième mode de fonctionnement sera particulièrement adapté au commutateur à transistors, car il facilitera la commutation des interrupteurs.

π; ©~CD ~Q)^ Figure 7: Mode de fonctionnement à un court-circuit simple à l'induit

ι 1

Figure 8: Mode de fonctionnement à un court-circuit et une commutation de durée réglable

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Processus de la commande du commutateur

Organisation des entrées et des sorties du microprocesseur Pour l'acquisition simultanée des dix bits de position, nous

utilisons deux registres tampons de huit bits chacun, dont les entrées d'échantillonnage sont attaquées par le signal de lecture des huit bits de poids faible (LSB).7

Lors de la lecture du mot de poids fort (MSB), nous Usons les deux bits complétant les huit bits déjà lus au LSB. Ce procédé permet d'éviter tout aléa sur l'acquisition des dix bits de position. Les six bits restant au MSB sont utilisés pour fixer la durée du cas intermédiaire de commutation (X ) (Figure 9).

lecture LSB

1 0 bit s de la p <wiuo

y b bits de la durcêT

décodage d ' ad resse

,C(1) = 1000 10000

δ„(2) = 114 ,C(2) - 10000 · 1000

δ ; /(18) = 1023 C(18) = 00001 · 0001 •

C A . PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2

Pa. Pao P B7

PB6 PB5 Pb4 PB3

P B2

!>' Pbo

Validation

i i

7 bits de décalage (F)

/fff9

l Commandes des interrupteurs

Figure 10: Circuit P. LA.

Figure 9: Acquisition numérique de position

La durée (X) est donc égale au nombre affiché par les interrupteurs X0 à X$ à savoir : X = X5 X4 X3 X2 X\ Xo e t :

Xj — 0, interrupteur / fermé

Xl-, — 1, interrupteur / ouvert.

Pour former le nombre (F) représentant l'angle du décalage de court-circuit, nous utiliserons les sept lignes d'entrées-sorties du port A du P.LA. (de PAX à PA1) programmées en entrée, auxquelles nous imposons extérieurement les niveaux 0 ou 1.

Pour permettre à l'utilisateur de modifier l'angle du décalage de court-circuit sans influer sur le fonctionnement du moteur, nous avons prévu, comme signal de validation pour ces consignes extérieures, le front montant de CA\ (Figure 10). Les sorties du microprocesseur sont les neuf commandes des interrupteurs. Ces sorties seront les huit lignes du port B (de PBo à Ρβη) et la première ligne du port A (PAo) du P.I.A. programmées en sortie (Figure 10).

Organigramme et mise en oeuvre du programme de commande Dans une table double de seize bits, nous avons mis en mémoire

morte (ROM) la limite supérieure de la position binaire ô//(z), / = 1 à 18 pour chaque intervalle (/) et la combinaison logique de com­mande des interrupteurs pour cet intervalle, soit C(i), i — 1 à 18; par exemple :

Création de la table de codage en tenant

compte de (x)

Acquisition du décalage de court-circuit :

(y)

Acquisition de la position : 5 b i n a i r e

Déterminat ion et affichage de la

commande

Oui Modification N o n

d e ( ^ ?

Figure 11: Organigramme du programme principal

Pour minimiser la place mémoire, nous n'avons pas inclus dans cette table les combinaisons correspondant aux cas intermédiaires de commutation; elles seront obtenues par une opération logique soit : C(i, ι + 1) = C(i) + C(i + 1). Les positions δ, pour lesquelles ces combinaisons intermédiaires seront générées, dépendent du

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nombre (X), qui est une entrée du système. Tenant compte de (X), nous allons donc créer une table double de codage en mémoire vive (RAM). Cette table contient également des mots de seize bits dont seuls neuf sont utiles.

Elle occupera donc 2048 octets. Cette solution ne rrûnimise pas la taille de la mémoire vive exploitée, mais elle a été retenue pour simplifier et surtout rendre plus rapide le transcodage.

L'organigramme du programme principal est donné sur la Fig­ure 11. D'après cet organigramme, après l'acquisition de la poisition du rotor (^binaire) on lui ajoute le décalage de court-circuit (y) et l'on calcule l'adresse de la commande modulo la longueur de la table. Une recherche indirecte grâce à l'adressage indexé permet de fournir la commande.8 La Figure 12 nous montre schématiquement la façon dont le programme du microprocesseur génère les commandes.

Table de données fixes en ROM

Table de codage en RAM

MO

C(i)

r.l à 18

Adresse 000 0 000 1 000 2

décalage:y

Adresse modulo] 1024

Commandes des interrupteurs

Figure 12: Génération des commande par microprocesseur

Résultats expérimentaux

Les résultats expérimentaux sont obtenus grâce à un banc d'essai qui réunit le prototype couplé à une génératrice de frein (Figure 13).

Nous avons représenté sur les Figures 14 et 15 les variations de la vitesse du moteur à vide (Ω) en fonction de l'angle du décalage de court-circuit (0), obtenues respectivement par les commutateurs à thyristors et à transistors; en les comparant nous pouvons nous rendre compte de la limitation imposée par le commutateur à thyristors à la vitesse de rotation.

Figure 14: Caractéristique Ω vs θ — commutateur à thyristors

Figure 13: Banc d'essai

Figure 15: Caractéristique Q vs θ — commutateur à transistors

Nous avons également mesuré le facteur de puissance maximal en charge en fonction de l'angle du décalage de court-circuit; nous avons obtenu (cos<p)max = 0,83 à Θ = 80°. Ce facteur de puissance moyen est prévisible pour ce type de moteur, car il n'est pas muni d'un circuit d'excitation.

Conclusions

Le travail présenté dans cette étude concerne le remplacement, dans le moteur à répulsion, du collecteur mécanique par un dispositif commandable à base de semiconducteurs.

Pour cela nous avons réalisé une machine dite inversée, à commutation électronique, et, grâce à une commande numérique en boucle fermée, nous avons pu examiner la faisabilité de cette idée. Les courbes et les résultats expérimentaux obtenus sur ce prototype lui attribuent des qualités identiques à celles d'un moteur à répul­sion classique et nous pouvons donc envisager pour lui les mêmes débouchés, par exemple la machine de traction de grande puissance.9 .

SAADATE/GUDEFIN/GOELDEL: DESIGN OF A REPULSION MOTOR 157

Le moteur à répulsion à commutateur électronique n'aura donc plus les problèmes posés par le collecteur mécanique dans le moteur classique et en plus sa commandibilité étant rendue plus simple; grâce à une boucle de commande numérique et à un commutateur électronique souple, de nouveaux horizons pour ses applications sont envisageables (régulation numérisée de vitesse par exemple). Toutefois, pour une application précise, il convient de prêter attention aux options qu'on sera amené à prendre aux niveaux "électrotechnique" et "électronique" de la machine; en ce qui concerne l'électrotechnique, le choix du nombre de phases de l'induit a une importance croissante avec la puissance nominale de la machine, étant donné que pour un même bobinage, les pertes de commutation sont inversement proportionneles à ce nombre. 1 2 En effet, l'inductance par phase varie en raison inverse du carré du nombre de phases et à courant donné, l'énergie totale varie en raison inverse du nombre de phases.

L'électronique de la machine intervient au niveau du coût du commutateur et influe également sur le choix du nombre de phases de l'induit; nous avons testé deux types d'interrupteurs (à thyristors et à transistors) et nous avons conclu que le commutateur à transistors offre une meilleure performance. Nous pensons également que des interrupteurs conçus à partir de G.T.O., qui, d'après 1 1, avec un circuit driver bien étudié et un circuit d'aide à la commutation convenable, sont préférables pour des applications haute tension et haute fréquence, pourront être une autre solution pour réaliser le commutateur électronique de ce moteur.

References

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3. Maige, Philippe, "Optimum Base Drive and Protection of Switching Transistors using the UAA4002", THOMSON-EFCIS, Application note, March 1983.

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5. Saadate, S., Gudefin, E., Abignoli, M. and Goeldel, C , "Protection des interrupteurs de puissance à transistor utilisés sur des charges inductives", Electronique de puissance, Société de Presse et de Services (SPS), No. 16, Paris, Septembre 1986.

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7. Dardanne, Claude, "Microprocesseur 6809", "Périphériques", Processeur graphique Eyrolles, Paris, 1982, pp. 119-139, 187-195.

8. Bui Minh Duc, Programmation en assembleur 6809, Eyrolles, Paris, 1983, Chapitres V.2, V.38, VI.33 et VI.42.

9. Saadate, S., Gudefin, E., Caron, J.P. and Goeldel, C , "Repulsion motor with static commutateur: conception and closed-loop control", International Conference on Electrical Machines, Munich, September 1986.

10. Pouillange, J.P;, Gudefin, E. et Saadate, S., "Machine monophasée à collecteur statique". Compte-rendu de fin d'études de la recherche financée par le Ministère de la recherche et de la technologie, Paris, Octobre 1985.

11. Ferreux, J.P., Feuillet, R., Lehuy, H. et Toutain, E., de E.N.S.I.E.G., Laboratoire d'FJectrotechnique, "A single GTO resonant D C D C converter", First European conference on Power-Electronics and applications, Brussels, October 1985.

12. Saadate, S., Etude et mise en oeuvre d'un moteur à répulsion à commutateur électronique, Thèse de Doctorat de l'I.N.P.L., ENSEM Juillet 1986.