FR2982096A1

FR2982096A1 - Electric brake system for e.g. three-phase permanent magnet synchronous machine, has switch connected between terminal of resistor and cathode, so that system is operated in surge current limiter and in braking circuit

Info

Publication number: FR2982096A1
Application number: FR1159724A
Authority: FR
Inventors: Cedric Balpe
Original assignee: Hispano Suiza SA
Current assignee: Safran Transmission Systems SAS
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2013-05-03

Abstract

The system has a diode (D1) connected in parallel to a resistor (R1), where an anode of the diode is connected on a terminal of the resistor and located at a point medium between the resistor and a switch (S1). A cathode is connected to an input terminal of an inverter (2). Another switch (S4) is connected between another terminal of the resistor and the cathode, so that the system is operated in a surge current limiter when the switches are opened and in a braking circuit when the latter switch is closed and the former switch is in a cutting mode.

Description

SYSTEME DE FREIN ELECTRIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte à un système de frein électrique pour une machine électromécanique et son convertisseur d'alimentation. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE On s'intéresse au circuit d'alimentation d'une machine électromécanique. En référence à la figure 1, on considère tout d'abord une architecture classique comportant un redresseur d'entrée 1 dont des bornes d'entrée sont reliées à une alimentation électrique alternative. Le redresseur convertit la tension alternative en tension continue. Un bus continu relie des bornes de sortie du redresseur à des bornes d'entrée d'un onduleur 2. Des éléments de filtrage sont associés au bus continu. Ils comportent deux inductances Ll et L2 respectivement branchée entre une borne de sortie du redresseur 1 et une borne d'entrée de l'onduleur 2, et un condensateur C branché entre les bornes d'entrée de l'onduleur. Des bornes de sortie de l'onduleur 2 sont branchées à des bornes d'entrée de la machine électromécanique 3. L'onduleur reconvertit la tension continue en tension alternative qu'il fournit à la machine. L'énergie électrique nécessaire à la charge entraînée circule donc dans un redresseur, un bus continu et un onduleur, et enfin dans la machine. TECHNICAL FIELD The invention relates to an electric brake system for an electromechanical machine and its power converter. STATE OF THE PRIOR ART We are interested in the supply circuit of an electromechanical machine. Referring to Figure 1, firstly consider a conventional architecture comprising an input rectifier 1 whose input terminals are connected to an AC power supply. The rectifier converts the AC voltage into DC voltage. A DC bus connects output terminals of the rectifier to input terminals of an inverter 2. Filter elements are associated with the DC bus. They comprise two inductors L1 and L2 respectively connected between an output terminal of the rectifier 1 and an input terminal of the inverter 2, and a capacitor C connected between the input terminals of the inverter. Output terminals of the inverter 2 are connected to the input terminals of the electromechanical machine 3. The inverter reconverts the DC voltage into an alternating voltage which it supplies to the machine. The electrical energy required for the driven load therefore flows in a rectifier, a DC bus and an inverter, and finally in the machine.

Parmi les techniques de freinage électrique, on considère le freinage par dissipation d'énergie dans une résistance de freinage via un commutateur. Among electric braking techniques, braking by energy dissipation in a braking resistor via a switch is considered.

Ainsi, une résistance R1 et un commutateur S1 sont branchés en série entre les bornes d'entrée de l'onduleur 2. Une diode D1 est branchée en parallèle de la résistance R1, l'anode de la diode étant branchée au point milieu entre la résistance R1 et le commutateur S1 et la cathode de la diode étant branchée à une borne d'entrée de l'onduleur 2. Lors du freinage électrique, le commutateur S1 jour le rôle d'un interrupteur et ferme le circuit ce qui provoque alors le passage d'un courant électrique dans la résistance R1 et la dissipation sous forme thermique de l'énergie électrique renvoyée par la machine électromécanique 3 à l'entrée de l'onduleur 2. Par ailleurs, lors de l'enclenchement d'un circuit électrique, un phénomène dit de courant d'appel se traduit par des impulsions de courant élevées. Les coupe-circuits automatiques et les commutateurs placés en amont doivent être dimensionnés pour ces courants de crête dans le but d'éviter les déclenchements intempestifs ou les fusions des contacts. D'autre part, les impulsions de courant élevées génèrent des baisses de tension réseau, qui, à leur tour, sont susceptibles de provoquer des fonctionnements intempestifs des autres composants électriques. Thus, a resistor R1 and a switch S1 are connected in series between the input terminals of the inverter 2. A diode D1 is connected in parallel with the resistor R1, the anode of the diode being connected to the midpoint between the resistor R1 and the switch S1 and the cathode of the diode being connected to an input terminal of the inverter 2. During electrical braking, the switch S1 acts as a switch and closes the circuit which then causes the passage of an electric current in the resistor R1 and the dissipation in thermal form of the electrical energy returned by the electromechanical machine 3 to the input of the inverter 2. Moreover, when an electric circuit is switched on a so-called inrush current phenomenon results in high current pulses. Automatic circuit breakers and upstream switches must be dimensioned for these peak currents in order to avoid nuisance tripping or contact fusions. On the other hand, high current pulses generate mains voltage drops, which, in turn, are likely to cause unwanted operation of other electrical components.

De plus, les normes de réseaux électriques avioniques fixent des limites de courant d'appel qu'il faut respecter pour que l'équipement soit conforme. Enfin, on notera que pour éviter de détériorer le condensateur lors de sa charge à la mise sous tension (et donc aussi pour améliorer sa durée de vie), il est intéressant de limiter le courant d'appel. Il faut donc limiter les courants d'appel qui ont un effet néfaste sur les circuits électriques. In addition, the avionics electrical network standards set inrush current limits that must be met for the equipment to be compliant. Finally, it should be noted that to avoid damaging the capacitor during its charging on power up (and therefore also to improve its life), it is interesting to limit the inrush current. It is therefore necessary to limit the currents of call which have an adverse effect on the electric circuits.

Parmi les techniques de limitation des courants d'appel, une technique connue consiste à insérer dans le circuit une résistance dite de pré-charge. Ainsi, en référence à la figure 2, le circuit d'alimentation précédemment présenté est modifié selon un premier mode de réalisation pour en limiter les courants d'appel. Les mêmes éléments portent les mêmes références et ne sont pas décrits à nouveau. Une résistance de pré-charge R2 et un commutateur S2 en parallèle de celle-ci sont branchés en série du condensateur C. En référence à la figure 3, le circuit d'alimentation précédemment présenté est modifié selon un second mode de réalisation pour en limiter les courants d'appel. Là aussi, les mêmes éléments portent les mêmes références et ne sont pas décrits à nouveau. Une résistance de pré-charge R3 et un commutateur S3 en parallèle de celle-ci sont branchés 30 en série entre une des sorties du redresseur 1 et l'inductance L1. Among the techniques for limiting inrush currents, a known technique consists in inserting into the circuit a so-called pre-charge resistor. Thus, with reference to FIG. 2, the feed circuit previously presented is modified according to a first embodiment in order to limit the inrush currents. The same elements have the same references and are not described again. A pre-charge resistor R2 and a switch S2 in parallel thereof are connected in series with the capacitor C. With reference to FIG. 3, the supply circuit previously presented is modified according to a second embodiment to limit it. inrush currents. Here again, the same elements have the same references and are not described again. A pre-charge resistor R3 and a switch S3 in parallel thereof are connected in series between one of the outputs of the rectifier 1 and the inductor L1.

Lorsque le commutateur S2 ou S3 est ouvert, il y a limitation du courant d'appel et dissipation de puissance dans la résistance R2 ou R3. Lorsque le commutateur S2 ou S3 est fermé, la résistance R2 ou R3 est court-circuitée et n'a alors plus d'influence. Les circuits de frein électrique et de limitation de courant d'appel sont donc distincts l'un de l'autre. Cela implique de concevoir et de fabriquer deux circuits. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention vise à résoudre les inconvénients de la technique antérieure en fournissant un système de frein électrique pour une machine 15 électromécanique branchée à des bornes de sortie d'un onduleur, le système comportant : une résistance et un premier moyen de commutation, connectés en série entre des bornes d'entrée de l'onduleur, 20 une diode branchée en parallèle de la résistance et dont l'anode est branchée à une première borne de la résistance située au point milieu entre la résistance et le premier moyen de commutation, et la cathode est branchée à l'une des bornes d'entrée de 25 l'onduleur, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un second moyen de commutation branché entre une seconde borne de la résistance et la cathode de la diode, 30 de sorte que le système fonctionne - en limiteur de courant d'appel lorsque le premier et le second moyens de commutation sont ouverts, - en circuit de freinage lorsque le second moyen de commutation est fermé et le premier moyen de commutation est en mode de découpage. Grâce à l'invention, les circuits de frein électrique et de limitation de courant d'appel sont réunis en un unique circuit qui réalise les deux fonctions. Ce circuit ne nécessite qu'une unique résistance qui joue à la fois le rôle de résistance de pré-charge pour la fonction de limitation de courant d'appel et de résistance de dissipation d'énergie pour la fonction de frein électrique. Selon une caractéristique préférée, les bornes d'entrée de l'onduleur sont branchées à des bornes de sortie d'un redresseur via un circuit de filtrage, le redresseur étant alimenté par une alimentation électrique. Ainsi l'invention s'applique à une configuration classique d'alimentation électrique d'une machine électromécanique. Selon une caractéristique préférée, le système de frein électrique comporte en outre un moyen de commande des premier et second moyens de commutation. Le moyen de commande définit les différents états du système, soit limiteur de courant d'appel soit circuit de freinage électrique. When the switch S2 or S3 is open, there is limited inrush current and power dissipation in the resistor R2 or R3. When the switch S2 or S3 is closed, the resistor R2 or R3 is short-circuited and then has no influence. The electric brake and inrush current circuits are therefore distinct from one another. This involves designing and manufacturing two circuits. DISCLOSURE OF THE INVENTION The invention aims to overcome the disadvantages of the prior art by providing an electric brake system for an electromechanical machine connected to output terminals of an inverter, the system comprising: a resistor and a first means in series between inverter input terminals, a diode connected in parallel with the resistor and whose anode is connected to a first terminal of the resistor located at the midpoint between the resistor and the first one. switching means, and the cathode is connected to one of the input terminals of the inverter, characterized in that it further comprises a second switching means connected between a second terminal of the resistor and the cathode of the inverter. the diode, so that the system operates - in inrush current limiter when the first and the second switching means are open, - in braking circuit when the second means switching circuit is closed and the first switching means is in the switching mode. Thanks to the invention, the electric brake and inrush current circuits are combined into a single circuit that performs both functions. This circuit only requires a single resistor that acts both as a pre-load resistor for the inrush current limiting function and as a power dissipation resistor for the electric brake function. According to a preferred characteristic, the input terminals of the inverter are connected to output terminals of a rectifier via a filter circuit, the rectifier being supplied by a power supply. Thus the invention applies to a conventional power supply configuration of an electromechanical machine. According to a preferred characteristic, the electric brake system further comprises means for controlling the first and second switching means. The control means defines the different states of the system, either inrush current limiter or electrical braking circuit.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages apparaitront à la lecture d'un mode de réalisation préféré donné à titre d'exemple non limitatif, décrit en référence aux figures dans lesquelles : La figure 1 représente un circuit d'alimentation électrique d'une machine électromécanique incluant un système de frein électrique, selon la technique antérieure, - La figure 2 représente un circuit d'alimentation électrique d'une machine électromécanique incluant un système de frein électrique et un circuit de limitation de courant d'appel, selon la technique antérieure, - La figure 3 représente un circuit d'alimentation électrique d'une machine électromécanique incluant un système de frein électrique et un autre circuit de limitation de courant d'appel, selon la technique antérieure, - La figure 4 représente un circuit d'alimentation électrique d'une machine électromécanique incluant un système de frein électrique et de limitation de courant d'appel, selon la présente invention. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other characteristics and advantages will appear on reading a preferred embodiment given by way of non-limiting example, described with reference to the figures in which: FIG. 1 represents a power supply circuit of FIG. an electromechanical machine including an electric brake system, according to the prior art, - Figure 2 shows a power supply circuit of an electromechanical machine including an electric brake system and a inrush current limiting circuit, according to the PRIOR ART FIG. 3 shows a power supply circuit of an electromechanical machine including an electric brake system and another inrush current limiting circuit according to the prior art. FIG. power supply of an electromechanical machine including an electric brake and air brake system e inrush current, according to the present invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Les figures 1 à 3 ont déjà été présentées et décrites. Selon un mode de réalisation représenté à la figure 4, une machine électromécanique 3 est alimentée électriquement par un circuit d'alimentation. La machine 3 est par exemple une machine synchrone à aimant permanent qui fonctionne en triphasé. L'invention s'applique à différents types de machines, dont notamment : - machine synchrone à aimants à inducteur bobiné, - machine asynchrone, - machine à réluctance variable, - machine hybride combinant les trois types précédents. DETAILED DESCRIPTION OF PARTICULAR EMBODIMENTS FIGS. 1 to 3 have already been presented and described. According to an embodiment shown in Figure 4, an electromechanical machine 3 is electrically powered by a supply circuit. The machine 3 is for example a permanent magnet synchronous machine that operates in three-phase. The invention applies to different types of machines, including: - synchronous machine magnets wound coil, - asynchronous machine, - variable reluctance machine, - hybrid machine combining the three types above.

La machine peut comporter tout nombre de phases, toute variante de bobinage et tout type de pilotage et contrôle de la machine connus de l'homme du métier. La machine peut également être une machine à courant continu. Un redresseur d'entrée 1 a des bornes d'entrée reliées à une alimentation électrique alternative triphasée. Le redresseur 1 convertit la tension alternative en tension continue. Un bus continu relie des bornes de sortie du redresseur 1 à des bornes d'entrée d'un onduleur 2. Des éléments de filtrage sont associés au bus continu. Ils comportent deux inductances Ll et L2 respectivement branchée entre une borne de sortie du redresseur 1 et une borne d'entrée de l'onduleur 2, et un condensateur C branché entre les bornes d'entrée de l'onduleur 2. Selon des variantes de réalisation, l'alimentation électrique peut comporter tout nombre de phases ou être continue. Dans ce dernier cas, le redresseur 1 est un convertisseur continu-continu. The machine may include any number of phases, any winding variant and any type of control and control of the machine known to those skilled in the art. The machine can also be a dc machine. An input rectifier 1 has input terminals connected to a three-phase AC power supply. Rectifier 1 converts AC voltage into DC voltage. A DC bus connects output terminals of rectifier 1 to input terminals of inverter 2. Filter elements are associated with the DC bus. They comprise two inductors L1 and L2 respectively connected between an output terminal of the rectifier 1 and an input terminal of the inverter 2, and a capacitor C connected between the input terminals of the inverter 2. According to variants of FIG. realization, the power supply can include any number of phases or be continuous. In the latter case, the rectifier 1 is a DC-DC converter.

Des bornes de sortie de l'onduleur 2 sont branchées à des bornes d'entrée de la machine électromécanique 3. L'onduleur reconvertit la tension continue en tension alternative qu'il fournit à la machine. L'énergie électrique nécessaire à la charge entraînée circule donc dans un redresseur, un bus continu et un onduleur, et enfin dans la machine. Un circuit de freinage électrique est prévu. A cette fin, une résistance R1 et un commutateur S1 sont branchés en série entre les bornes d'entrée de l'onduleur 2. Une diode D1 est branchée en parallèle de la résistance R1, l'anode de la diode étant branchée à une première borne de la résistance R1 située au point milieu entre la résistance R1 et le commutateur Si, et la cathode de la diode étant branchée à une borne d'entrée de l'onduleur 2. Le circuit de freinage comporte en outre un second commutateur S4 branché entre une seconde borne de la résistance R1 et la cathode de la diode Dl. Le 20 second commutateur S4 est réversible en courant à l'état fermé. On utilisera donc de manière préférentielle un composant semi-conducteur à canal (MOSFET) ou un équivalent. Un circuit de commande 4 est adapté pour 25 commander l'ouverture et la fermeture des premier et second commutateurs S1 et S4. A cette fin, il a une entrée reliée à la capacité C pour recevoir une information sur la valeur de la tension aux bornes de la capacité. Le circuit de commande 4 a des sorties 30 reliées respectivement aux premier et second commutateurs S1 et S4 pour leur transmettre des signaux de commande. Le fonctionnement du système de freinage selon l'invention est maintenant détaillé. Output terminals of the inverter 2 are connected to the input terminals of the electromechanical machine 3. The inverter reconverts the DC voltage into an alternating voltage which it supplies to the machine. The electrical energy required for the driven load therefore flows in a rectifier, a DC bus and an inverter, and finally in the machine. An electric braking circuit is provided. For this purpose, a resistor R1 and a switch S1 are connected in series between the input terminals of the inverter 2. A diode D1 is connected in parallel with the resistor R1, the anode of the diode being connected to a first terminal of the resistor R1 located at the midpoint between the resistor R1 and the switch Si, and the cathode of the diode being connected to an input terminal of the inverter 2. The braking circuit further comprises a second switch S4 connected between a second terminal of the resistor R1 and the cathode of the diode D1. The second switch S4 is reversible in closed state. A channel semiconductor component (MOSFET) or equivalent will therefore preferably be used. A control circuit 4 is adapted to control the opening and closing of the first and second switches S1 and S4. For this purpose, it has an input connected to the capacitor C to receive information on the value of the voltage across the capacitor. The control circuit 4 has outputs 30 respectively connected to the first and second switches S1 and S4 to transmit control signals thereto. The operation of the braking system according to the invention is now detailed.

A la mise sous tension, le système fonctionne en limiteur de courant d'appel. Le circuit de commande ouvre les premier et second commutateurs S1 et S4. Ainsi le courant passe à travers la résistance R1 et la diode Dl. La résistance R1 joue le rôle d'une résistance de pré-charge. Lorsqu'il n'est plus utile de limiter le courant d'appel, le circuit de commande ferme le second commutateur S4 tout en maintenant ouvert le premier commutateur Si. Le courant ne passe plus à travers la résistance Rl. Pour activer le freinage électrique, le circuit de commande ferme le second commutateur S4 et commande le premier commutateur S1 en mode de découpage. On power-up, the system operates as a inrush current limiter. The control circuit opens the first and second switches S1 and S4. Thus the current passes through the resistor R1 and the diode D1. Resistor R1 acts as a pre-charge resistor. When it is no longer necessary to limit the inrush current, the control circuit closes the second switch S4 while keeping the first switch S1 open. The current no longer passes through the resistor R1. To activate the electric braking, the control circuit closes the second switch S4 and controls the first switch S1 in chopping mode.

Il y a alors passage d'un courant électrique dans la résistance R1 et dissipation sous forme thermique de l'énergie électrique renvoyée par la machine électromécanique 3 à l'entrée de l'onduleur 2. Il est à noter que le redresseur 1 peut être distant du reste du système décrit. Les inventeurs ont déterminé expérimentalement que l'invention s'applique particulièrement bien à des systèmes de petite et moyenne puissance. En effet, une même valeur de 30 résistance peut être utilisée à la fois comme résistance de pré-charge et comme résistance de freinage, pour des puissances inférieures ou égales à 15 kW. Pour déterminer la valeur minimale de la résistance unique R1, il faut minorer les contraintes de : - Courant maximal de charge du condensateur, - Courant maximal fixé par les normes de réseaux électriques, - Courant maximal des organes de protection localisés en amont. Pour déterminer la valeur maximale de la résistance unique, il faut considérer l'enchaînement des étapes suivantes : - Etablissement des profils d'utilisation de la machine pour l'application considérée, - Identification des phases de freinage et de ses caractéristiques (puissance, durée), - Détermination du seuil de tension que l'on veut appliquer lors des phases de freinage pour ne pas détériorer les composants du montage, - Calcul de la résistance de freinage maximale utilisable pour garantir la limitation de tension. Il est à noter que toutes les technologies de résistances de puissance disponibles sont utilisables dans le cadre de l'invention. Les inventeurs ont ainsi utilisé divers types de résistance (plate, tubulaire, etc...). There is then passage of an electric current in the resistor R1 and dissipation in thermal form of the electrical energy returned by the electromechanical machine 3 to the input of the inverter 2. It should be noted that the rectifier 1 can be remote from the rest of the described system. The inventors have determined experimentally that the invention is particularly applicable to small and medium power systems. Indeed, the same resistance value can be used both as a pre-load resistor and as a braking resistor, for powers less than or equal to 15 kW. To determine the minimum value of the single resistor R1, the constraints of: - Maximum load current of the capacitor, - Maximum current fixed by the standards of electrical networks, - Maximum current of protection devices located upstream. To determine the maximum value of the single resistance, the sequence of the following steps must be considered: - Establishment of the operating profiles of the machine for the application in question, - Identification of the braking phases and its characteristics (power, duration ), - Determination of the voltage threshold to be applied during the braking phases in order not to damage the components of the assembly, - Calculation of the maximum braking resistor that can be used to guarantee the voltage limitation. It should be noted that all available power resistance technologies can be used in the context of the invention. The inventors have thus used various types of resistance (flat, tubular, etc.).

Claims

REVENDICATIONS1. Electric brake system for an electromechanical machine (3) connected to output terminals of an inverter (2), the system comprising: a resistor (R1) and a first switching means (S1) connected in series between terminals input of the inverter (2), a diode (D1) connected in parallel with the resistor and whose anode is connected to a first terminal of the resistor located at the midpoint between the resistor and the first switching means, and the cathode is connected to one of the input terminals of the inverter (2), characterized in that it further comprises a second switching means (S4) connected between a second terminal of the resistor and the cathode of the diode, so that the system operates as a inrush current limiter when the first and the second switching means are open, in the braking circuit when the second switching means is closed and the first switching means is in operating mode. cutting.

2. Electric brake system according to claim 1, characterized in that the input terminals of the inverter (2) are connected to output terminals of a rectifier (1) via a defiltering circuit, the rectifier being powered by a power supply.

3. Electric brake system according to claim 1 or 2, characterized in that it further comprises a control means (4) of the first and second switching means.