Rapport final
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Université du Québec à Chicoutimi MODULE D’INGÉNIERIE PROGRAMME GÉNIE ÉLECTRIQUE 6GIN333 – PROJET DE CONCEPTION Rapport final #Projet:2011-280 Conceptiond’unoutildidactiquepourl’enseignementdelamachinesynchrone àaimantpermanent Préparé par Kévin Harvey et Michaël Manning Pour M. Dany Ouellet, ing. Université du Québec à Chicoutimi 9 décembre 2011 CONSEILLER : COORDONNATEUR : Dany Ouellet, ing. Jacques Paradis, ing. Approbation du rapport d’étape pour diffusion Nom du conseiller Date Signature Remerciements Suite au projet, nous tenons à remercier notre conseillé, Dany Ouellet, pour son support tout au long de ce projet d’ingénierie. Nous tenons également à remercier Richard Martin pour son aide technique tout au cours du projet. Leurs expertises pratiques et théoriques nous ont été fort utiles et leur disponibilité nous à permis de renforcer nos connaissances. De plus, l’ambiance de travail à été fort agréable. Résumé Sommaire de la problématique et des objectifs Le responsable de laboratoire en génie cherche constamment différentes façons de moderniser l’enseignement dans les laboratoires de génie. Une des solutions envisagées est de concevoir un outil éducationnel qui va donner l’opportunité aux professeurs et chargés de cours, d’enseigner un nouveau type de moteur disponible sur le marché soit : le moteur à aimants permanents. L’objectif principal du projet consistait en la réalisation d’un banc d’essai pour l’étude de la machine synchrone à aimants permanents. Il était également question de mettre en œuvre des protocoles d’essais nécessaire pour la réalisation d’expérience en laboratoire. Trois contraintes principales s’imposaient dans ce projet : 1. L’espace disponible est limité (Le prototype doit entrer dans les cabinets LabVolt) 2. Le module doit être compatible en terme de puissance avec les équipements déjà existant (moteur et générateur Labvolt ¼ HP) Résumé du travail réalisé Afin de concevoir l’outil didactique adéquat pour l’enseignement de la machine synchrone à aimants permanents, plusieurs étapes ont du être réalisées. Tout d’abord, il a été nécessaire de ce documenter sur les différents aspects du projet comme par exemple, sur le moteur à aimants permanents, les capteurs à effet Hall, la modulation à largeur d’impulsion, le circuit de puissance servant à l’alimentation du moteur (onduleur). De plus, nous avons fait la sélection de diverses composantes utiles au fonctionnement de cette machine. Ensuite, il y a eu la conception du programme, tout à partir de Matlab Simulink et du logiciel Xilinx, qui fera la commande du banc d’essai. Suite à cela, nous nous sommes concentrés sur la mise en marche du moteur en plus d’étudier les différentes possibilités qui s’offrait à nous pour protéger le moteur ainsi que le reste du montage. En terminant, la rédaction de protocoles de laboratoires a été nécessaire puisque ce projet a pour fonction de présenter le moteur à aimants permanents aux étudiants de génie. Résumé des conclusions La conception d’un tel outil d’apprentissage sera forte intéressant pour les étudiants de génie et surtout, il permettra d’apprendre un nouveau type de moteur qui est aujourd’hui, utilisé dans diverses applications. En sommes, ce projet nous a aussi permis de faire l’apprentissage de ce moteur, en plus de nous démontrer toutes les étapes de conception qui doivent être réalisées pour réussir une mise en marche adéquate. Table des matières I Introduction .......................................................................................................................................... 8 II Présentation du projet .......................................................................................................................... 8 II.1 Description de l’équipe de travail ................................................................................................. 8 II.2 Problématique et état de l’art reliés au projet ............................................................................. 9 Machine synchrones ......................................................................................................................... 9 Machine à courant continu ............................................................................................................... 9 Machine synchrone à aimant permanent ......................................................................................... 9 Problématique ................................................................................................................................. 10 II.3 III Objectifs généraux et spécifiques du projet ............................................................................... 10 Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet ...................................................... 11 III.1 Éléments de conception .............................................................................................................. 11 Étape 1 : Documentation .................................................................................................................... 11 Moteur à aimants permanents : ..................................................................................................... 11 Capteurs à effet hall : ...................................................................................................................... 13 Onduleur : ....................................................................................................................................... 14 Modulation de largeur d’impulsion :............................................................................................... 15 Étape 2 : Sélection des modules ......................................................................................................... 15 Étape 3 : Conception de la commande du moteur (Xilinx System Generator) ................................... 19 Modulation à Largeur d’Impulsion (MLI) ........................................................................................ 20 Activation de la marche avant et marche arrière du moteur ......................................................... 21 Rampe sur le potentiomètre ........................................................................................................... 23 Activation de la résistance de freinage : ......................................................................................... 24 Étape 4 : Conception des essais de laboratoire .................................................................................. 25 Étape 5 : Analyse et Mise en marche du prototype ............................................................................ 25 IV Bilan des activités ................................................................................................................................ 27 IV.1 Arrimage formation pratique/universitaire ................................................................................ 27 IV.2 Travail d’équipe ........................................................................................................................... 27 IV.3 Respect de l’échéancier .............................................................................................................. 28 IV.4 Analyse et discussion................................................................................................................... 28 VII Conclusion et recommandations .................................................................................................... 30 Bibliographie ............................................................................................................................................... 31 Liste des tableaux et figures Figure 1 : Schématique d'une machine à courant continu ........................................................................... 9 Figure 2 : Schématique d'une machine synchrone sans balais ................................................................... 10 Figure 3 : Vu intérieur d’une machine sans balais avec le positionnement des capteurs .......................... 12 Figure 4 : Formes d’ondes à la sortie des capteurs à effet Hall .................................................................. 14 Figure 5 : Schématisation d’un pont onduleur ............................................................................................ 14 Figure 6 : Modulation d’une onde carrée à différents pourcentages ......................................................... 15 Figure 7 : Moteur sans balais à aimants permanents ................................................................................. 16 Figure 8 : Module de contrôle ..................................................................................................................... 18 Figure 9 : Commande globale du moteur effectuée sur Matlab/Simulink ................................................. 19 Figure 10 : Génération des capteurs à effet Hall en simulation.................................................................. 20 Figure 11 : Fonctionnement de la PWM dans Matlab/Simulink avec Xilinx System Generator ................. 20 Figure 12 : Bloc de conception de la PWM ................................................................................................. 21 Figure 13 : Rotation horaire de la machine ................................................................................................. 21 Figure 14 : Rotation antihoraire de la machine .......................................................................................... 22 Figure 15 : Table de vérité pour la marche avant et arrière du moteur ..................................................... 22 Figure 16 : Schéma démontrant la rampe appliquée sur le potentiomètre du FPGA ................................ 23 Figure 17 : Schéma Simulink pour l’activation de la résistance de freinage ............................................... 24 Figure 18 : Formes d'ondes d'entrée et de sortie théorique ...................................................................... 25 Figure 19 : Courant dans les 3 phases du moteur (en charge).................................................................... 26 Figure 20 : Tension dans une phase du moteur (À vide) – PWM = 50% ..................................................... 26 Figure 21 : Échéancier du projet ................................................................................................................. 28 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie I Introduction Le présent rapport fait la synthèse des différentes étapes exécutées pour la réalisation de notre projet de conception. Tout d’abord, il s’agit d’un banc d’essai qui va permette aux étudiants inscrits dans un programme d’ingénierie, de mettre en marche une machine synchrone à aimants permanents afin de découvrir les caractéristiques intéressantes de cette machine. Le rapport explique de façon détaillée chacune des étapes réalisées tout au long de la session. Premièrement, le rapport débutera par une présentation globale du projet. Dans cette section, il sera question d’énoncer la problématique du mandat proposé par le conseiller ainsi que les différents objectifs qui ont été fixés au départ. Par la suite, il met en évidence chacun des aspects techniques en décrivant les éléments de conception constituant le prototype. Aussi, il sera intéressant de voir les différentes simulations exécutées en plus des différentes courbes de mise en marche du moteur. Alors, il sera possible d’effectuer certaines comparaisons. Finalement, la dernière partie du rapport fait un portrait global du bilan des activités en y mentionnant les différentes compétences acquises tout au long du projet ainsi que les difficultés rencontrées par les membres de l’équipe. Pour mettre fin au rapport, la conclusion fera un survol des objectifs atteints comparativement aux objectifs initiaux. Elle contiendra aussi des recommandations pour un travail à venir. II Présentation du projet II.1 Description de l’équipe de travail L’équipe de travail pour ce projet est constituée de deux étudiants en génie électrique soit Kévin Harvey et Michael Manning. Le conseiller de l’équipe et promoteur du projet est M. Dany Ouellet. 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 8 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie II.2 Problématique et état de l’art reliés au projet Machine synchrones Le terme "machine synchrone" regroupe toutes les machines dont la vitesse de rotation de l’arbre de sortie est égale à la fréquence de rotation du champ tournant au stator. Le champ magnétique du rotor est généré soit par des aimants permanents, soit par un circuit d’excitation continu. La position du champ magnétique au rotor est alors fixe par rapport au stator, ce qui impose, en fonctionnement normal, une vitesse de rotation identique entre le rotor et le champ tournant du stator. Machine à courant continu Les machines à courants continues sont composées d’un champ d’inducteur (stator) fixe, créer par une alimentation en courant continu ou par des aimants permanents, et d’un ensemble collecteur – balais qui assure mécaniquement la commutation des enroulements au rotor. La figure suivante montre ce fonctionnement. Figure 1 : Schématique d'une machine à courant continu Machine synchrone à aimants permanents Les machines synchrones à aimants permanents sont classées parmi les machines synchrones à courant alternatifs. Ce type de machines est composé d’un aimant permanent au rotor et d’enroulements au stator. Cependant, du à cette configuration, il est impossible de faire tourner le moteur en appliquant seulement une alimentation aux enroulements statoriques. Pour ce genre de moteur, il est nécessaire d’élaborer une commande électronique afin d’alimenter les enroulements du stator. De plus, afin d’être en mesure d’alimenter les bons enroulements au 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 9 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie stator, il est nécessaire de connaître la position du rotor en tout temps. Cette machine intègre donc des capteurs de position du rotor (capteur à effet hall ou autre). La figure suivant montre la configuration de ce type de machine. Figure 2 : Schématique d'une machine synchrone sans balais Problématique Présentement, il existe, dans les laboratoires de génie électrique des modules permettant l’apprentissage de la machine à courant continu, de la machine à courant alternatif (CA) à rotor bobiné, de la machine CA à cage d’écureuil et de la machine CA synchrone. La problématique se situe au niveau de l’acquisition de connaissance sur la machine synchrone à aimants permanents. Ce type de machine comporte des caractéristiques intéressantes et est largement utilisé dans plusieurs domaines tels la robotique, les voitures hybrides et dans la production d’énergie éolienne. C’est pourquoi, il serait intéressant pour le Départements de Sciences Appliquées (DSA) de posséder son module éducationnel afin d’offrir la chance au étudiants d’acquérir des connaissances sur ce genre de machine. II.3 Objectifs généraux et spécifiques du projet Voici les objectifs globaux et spécifiques de notre projet : Globaux : Concevoir un banc d’essai pour un moteur/générateur DC à aimants permanents Réaliser des protocoles d’expérimentations pour les laboratoires Spécifiques : Respecter les contraintes d’espaces 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 10 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Effectuer le choix des modules en tenant comptes des appareils existants Choisir les éléments de protection des circuits électriques (protection du module d’ondulation) Programmer le module de contrôle de la vitesse du moteur Définir les procédures à suivre pour l’apprentissage de la machine synchrone à aimants permanents. III Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet III.1 Éléments de conception Étape 1 : Documentation Moteur synchrone à aimants permanents : Caractéristiques principales : Comme énoncé précédemment, le principal défaut des moteurs à courant continu est la présence des balais qui engendrent des frottements, des parasites, et limitent la durée de vie du moteur par leur usure. Pour éviter tous ces problèmes, on utilise des moteurs sans balais. Fonctionnement : Pour ce genre de machine, les bobines sont alimentées de façon séquentielle. Cela crée un champ magnétique tournant à la même fréquence que les tensions d’alimentation. L’aimant permanent du rotor cherche à chaque instant à s’orienter dans le sens du champ. Mise en marche : Dans un moteur à courant continu avec balais, l’ensemble collecteur- balais assure mécaniquement la commutation dans l’alimentation des bobines en fonction de l’angle du rotor. Dans un moteur sans balais à aimants permanents, cet élément n’existe plus alors il faut donc créer cette commutation électroniquement. Le système de contrôle électronique doit donc assurer un démarrage progressif, l’objectif étant toujours de reproduire la fonction du collecteur. La fréquence des tensions d’alimentations sera donc très basse au départ, puis augmentée progressivement en tenant compte de la réaction du moteur. Pour mettre en 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 11 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie œuvre une commutation adéquate pour le démarrage de la machine, l’utilisation des capteurs à effet hall sera nécessaire. Régulation de la vitesse du moteur : Globalement, la vitesse maximale d’une machine sans balais est liée à sa tension d’alimentation. Contrairement à un moteur synchrone triphasé ou on ajuste la fréquence pour obtenir la vitesse souhaitée, ici c’est la vitesse du moteur qui va indiquer au contrôleur à quelle fréquence il doit assurer la commutation. Pour réguler la vitesse d’un moteur sans balais, il faut donc faire varier la tension d’alimentation afin d’ajuster le courant dans chaque bobinage, tout en maintenant une fréquence de commutation adaptée à la fréquence de rotation mesurée du moteur. En pratique, les contrôleurs, des machines à aimants permanents sans balais, les plus performants peuvent intégrer les deux fonctions : commutation des bobines en fonction des données des capteurs à effet hall, et régulation de la vitesse en MLI sur l’alimentation de chaque bobine. Figure 3 : Vu intérieur d’une machine sans balais avec le positionnement des capteurs 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 12 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Utilisation : Les machines sans balais sont largement utilisées dans l'industrie, en particulier dans les servomécanismes des machines-outils et en robotique, où ils ont fait disparaitre les machines à courant continu. De plus, ils équipent en particulier les disques durs et les graveurs de DVD. Une forme simplifiée et populaire de ces technologies est utilisée dans les ventilateurs assurant le refroidissement des microordinateurs. Dans ce cas, le stator (bobiné) est à l'intérieur et le rotor (comportant les aimants) est à l'extérieur. Dans le domaine des transports, les moteurs électriques qui équipent les véhicules hybrides comme la Toyota Prius et la Honda Civic IMA pour assurer, entre autres, le fonctionnement à faible vitesse. Des moteurs de type sans balais sont également utilisés pour les systèmes de ventilation/climatisation d'automobiles depuis les années 1990, un des principaux avantages dans ce cas est leur silence. Ils équipent également les vélos à assistance électrique, vélos que l'on entraine en pédalant comme sur un vélo classique mais où un moteur vient aider à l'effort. Certains scooters présents sur le marché utilisent également ce moteur pour les faibles vitesses ou en remplacement total du moteur thermique. Capteurs à effet hall : Dans les moteurs sans balais, les capteurs à effet hall (3 en général) sont utilisés pour connaitre à tout moment la position du rotor, et adapter en conséquence l’alimentation des bobines et le champ magnétique. Le capteur va détecter le passage d’un pôle magnétique, et à partir de cette information, le circuit de commande électronique assurera la commutation des bobines. L’utilisation de capteurs à effet hall dans les moteurs sans balais permet une excellente régulation, cependant l’ajout de ces composants, et le fait qu’il faille les placer très près du rotor entraine un surcoût et un risque de panne supplémentaire. 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 13 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Figure 4 : Formes d’ondes à la sortie des capteurs à effet Hall Onduleur : Un onduleur est un convertisseur statique continu vers alternatif. Il y a deux types d’onduleur : premièrement, on retrouve l’onduleur autonome qui impose sa propre fréquence à la charge. L’autre type est un onduleur assisté où la fréquence est imposée par la fréquence du réseau. Les onduleurs autonomes sont utilisés : Pour alimenter des moteurs synchrones ou asynchrones pour faire varier la vitesse. Comme alimentations de secours. Comme alimentation de dispositifs de chauffage par induction (les fréquences des courants fournis par ces onduleurs sont comprises entre quelques dizaines de hertz à quelques centaines de hertz). Dans notre cas, on utilisera un onduleur de type autonome pour produire un signal de sortie servant à alimenter notre moteur à aimants permanents avec une fréquence variable afin d’être en mesure de faire varier la vitesse de la machine. Figure 5 : Schématisation d’un pont onduleur 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 14 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Modulation de largeur d’impulsion : La modulation de largeur d'impulsions (MLI ; en anglais : Pulse Width Modulation, soit PWM), est une technique couramment utilisée pour synthétiser des signaux continus à l'aide de circuits à fonctionnement tout ou rien, ou plus généralement à états discrets. Le principe général est qu'en appliquant une succession d'états discrets pendant des durées bien choisies, on peut obtenir en moyenne, sur une certaine durée, n'importe quelle valeur intermédiaire (forme d’ondes sinusoïdale, triangulaire, rectangulaire, etc). Figure 6 : Modulation d’une onde carrée à différents pourcentages Étape 2 : Sélection des modules Moteur à aimants permanents : Au départ, il était question de choisir le moteur qui sera utilisé dans le cadre du projet le plus rapidement possible en raison des délais de livraisons variant de 4 à 6 semaines. Alors, nous avons décidé d’opter pour un moteur de la compagnie Maxon. Voici ses principales caractéristiques : Puissance : 250 W Vitesse nominale : 5770 RPM Tension d’alimentation : 48 Vdc Courant nominal : 4.82 A Courant de démarrage : 47,7 A 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 15 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Dans le dimensionnement du moteur, il était important de tenir compte des appareils déjà utilisés dans les laboratoires afin qu’ils soient compatibles entre eux au niveau puissance, couple et vitesse. La raison est que nous voulons accoupler le moteur à aimants permanents avec le dynamomètre afin d’exécuter des essaies en charge. De plus, il sera accouplé avec un autre type de moteur afin de réaliser des expériences en génératrice. Figure 7 : Moteur sans balais à aimants permanents Poulie crantée : Avec le moteur choisi, nous savions que la vitesse n’était pas compatible avec les appareils existants dans le laboratoire de génie électrique. La solution envisagée a été de se procurer une poulie avec un rapport 2 :1 qui a pour effet de diminuer la vitesse de moitié. Le choix de cette solution c’est surtout basé sur le cout relié à l’achat d’un réducteur de vitesse pour notre moteur. Cout du réducteur de vitesse : 300 $ Cout de la poulie : 20 $ Alors, nous avons opté pour une poulie crantée au lieu du réducteur de vitesse. Suite à cette acquisition, les courroies présentent au laboratoire, servant pour différents accouplements, était trop longue. Alors, nous avons fait l’achat d’une nouvelle courroie qui correspondait à nos dimensions d’accouplement. 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 16 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Module de contrôle fonctionnant avec interrupteurs IGBT (STGIPS20K60) : (IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor) Ce module est utilisé dans notre circuit pour onduler la tension DC afin de fournir l’alimentation adéquate au moteur avec l’aide du MLI. Nous avons sélectionné cette composante pour différentes raisons : Ce module possède un comparateur de protection contre les défauts de températures et de surintensités. Il contient des fonctions d’arrêt intelligent pour la protection du module et possède un coefficient de température négatif servant à conserver le seuil du courant nominal même s’il y a une augmentation de température dans le circuit. Il est dimensionné pour notre circuit du moteur à aimants permanents et ce, en considérant des variations de tension et de courant. De plus, nus avons décidé d’utiliser un module qui était contrôlé avec des transistors de type IGBT. Les raisons sont que les IGBT sont conçus pour être en mesure de soutenir à des courants d’appel plutôt élevés. Ensuite, le temps de commutation des IGBT correspond à une plage de fréquence intéressante pour notre modulation à largeur d’impulsion. Module de contrôle pour moteur synchrone DC 3 phases : Afin d’être en mesure de protéger correctement le moteur à aimants permanents, il a été question d’acheter un module de contrôle près à utiliser. Voici les différents critères qui ont motivé notre choix : Ce module fonctionne avec l’onduleur que nous avons choix précédemment Tous les circuits de protections sont inclus dans le module (Surintensité, surtension, haute température) Possibilité de gérer les capteurs à effet Hall à même ce module Module de redressement de la tension intégrée 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 17 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Figure 8 : Module de contrôle Pour réussir à mettre en fonction ce module de contrôle, il sera nécessaire d’apporter une modification pour isoler l’alimentation. En raison des différents délais de conception, nous n’avons pas été en mesure d’utiliser ce module. Alors, il a été nécessaire de trouver une solution alternative pour faire fonctionner notre banc d’essai du moteur à aimants permanents. Nous avons donc réalisé un schéma de câblage nous permettant d’utiliser les équipements présents au laboratoire. Voici une liste des équipements qui ont été utilisés : Bloc d’alimentation variable Module d’ondulation pour le contrôle de l’alimentation du moteur Module FPGA Afin de commander le module d’ondulation correctement, nous avons utilisé le FPGA qui est aussi fourni dans différents projets d’ingénierie. Ce module a pour fonction de gérer les impulsions reçues des capteurs à effet Hall pour ensuite activer la bonne séquence d’enclenchement des interrupteurs. De plus, elle nous permet de faire varier la vitesse du moteur en ajustant la modulation à largeur d’impulsion directement avec le potentiomètre présent sur la boîte. Note : C’est cette composante qui contiendra la programmation de la commande du moteur. 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 18 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Étape 3 : Conception de la commande du moteur (Xilinx System Generator) Tel que spécifié plus tôt dans le rapport, le machine synchrone à aimants permanents possèdent des capteurs à effet Hall afin de connaître la position du rotor à chaque instant ce qui permet d’adapter l’alimentation sur les trois bobines du stator. Pour ce faire, il a fallu concevoir un programme, à l’aide de Xilinx System Generator, pour être en mesure d’effectuer le traitement de l’information provenant des capteurs à effet Hall. Ensuite, il fallait acheminer une série d’impulsions aux interrupteurs du pont onduleur afin de fournir l’alimentation adéquate aux bobines. Donc, voici un schéma global représentant la commande de la machine sur Simulink. Figure 9 : Commande globale du moteur effectuée sur Matlab/Simulink Au départ, nous désirions effectuer plusieurs tests en mode simulation afin de palier à tous les problèmes de programmation. Aussi, il était intéressant de valider le bon fonctionnement du montage Simulink avant de l’implanter sur le moteur. Pour ce faire, nous avons conçu le programme de façon à pouvoir faire de la simulation sans obtenir le retour des capteurs à effet Hall du moteur. Alors, nous avons utilisé les blocs ‘’multiplexer’’ qui permettent d’interagir avec 2 entrées différentes : Simulation et temps réel. Pour réussir à entrée en mode simulation, il fallait reproduire la valeur du potentiomètre (-100 à 100 %) du FPGA ainsi que les formes 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 19 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie d’ondes qui sont généralement obtenues des capteurs à effet Hall de la machine. Voici la stratégie utilisée : Figure 10 : Génération des capteurs à effet Hall en simulation Description des différentes parties de la commande : Modulation à Largeur d’Impulsion (MLI) Pour débuter, nous avons conçu une modulation à largeur d’impulsion à partir de 2 compteurs. Plus précisément, nous avons opté pour une fréquence de 10 KHz en raison des spécifications fournis avec notre module IGBT (dans la fiche technique, le fabricant recommandait une fréquence maximale de 20 KHz). Le principe de fonctionnement est qu’on effectue la comparaison avec l’entrée du potentiomètre et on adapte la sortie en fonction du résultat obtenue. Afin de bien comprendre, nous avons reproduit le signal de sortie des compteurs et la valeur du potentiomètre : Figure 11 : Fonctionnement de la PWM dans Matlab/Simulink avec Xilinx System Generator 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 20 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Alors, on aperçoit que la valeur du potentiomètre est de 80 % et on remarque l’allure de la courbe à la sortie du compteur (onde triangulaire). Donc, la sortie sera modulé avec de petite impulsion jusqu'à 80 % de la courbe du compteur ce qui aura pour effet d’ajuster la vitesse du moteur à 80 % de sa valeur nominale. Pour ce qui de la modulation à largeur d’impulsion sur Simulink, nous reproduisons une onde carrée avec la même largeur de bande. C’est seulement le nombre d’impulsion qui varie sur une période. Voici le schéma illustrant la conception du MLI : Figure 12 : Bloc de conception de la PWM Activation de la marche avant et marche arrière du moteur Pour être en mesure de mettre en marche le moteur dans les deux sens, il a fallu tenir compte des tables de vérités suivantes : Figure 13 : Rotation horaire de la machine 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 21 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie n de la commande r (Xilinx) Figure 14 : Rotation antihoraire de la machine Plus spécifiquement, ces deux tableaux nous indiquent lesquels des interrupteurs du pont onduleur activer, en fonction des impulsions reçues des capteurs à effet Hall afin d’assurer une commutation adéquate du moteur. De plus, ils nous précisent la séquence d’enclenchement à suivre pour réussir la mise en marche des deux sens de rotation de la machine. Voici la façon dont nous avons procédé pour construire ces tables dans Simulink : Figure 15 : Table de vérité pour la marche avant et arrière du moteur 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 22 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Rampe sur le potentiomètre Dans la conception du programme, nous avons introduit une rampe sur le potentiomètre du FPGA qui permet de réduire les variations brusques de vitesse sur la machine à aimants permanents. Ainsi, cette fonction prévient les changements de consigne passant du mode direct vers le mode inverse ou vice-versa. La stratégie utilisée a été d’introduire un délai variant de 0 à 10 secondes pour une variation de -100 à 100 % ou de 100 à - 100 %. Par exemple, si l’utilisateur décide de faire varier la vitesse de moteur de -100 % à 100 % directement, le moteur diminuera sa vitesse pour ensuite changer son sens de rotation et se rendre à sa nouvelle consigne de vitesse et ce, dans un laps de temps égale à 10 secondes. Or, cette programmation évite d’appliquer des forts courants dans le bobinage du moteur et diminue, par le fait même, les risques d’endommager la machine. Voici le schéma illustrant la rampe du potentiomètre dans Simulink : Figure 16 : Schéma démontrant la rampe appliquée sur le potentiomètre du FPGA 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 23 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Activation de la résistance de freinage : L’utilité d’installer une résistance de freinage directement sur le bus DC est que, lors de la décélération du moteur, un phénomène de retour de tension sur la source d’alimentation DC est généré ce qui augmente considérablement la tension ainsi que le courant. Ces variations sont, sans aucun doute, très nuisibles pour les composantes du circuit. Alors, l’utilisation d’une résistance de freinage permet de contrôler la puissance qui est retournée vers la source en la dissipant dans cette même résistance, ce qui a pour effet de limiter l’augmentation de tension sur le bus DC. De plus, lorsque le moteur est en charge, le fait de dissiper l’énergie dans la résistance de freinage a pour effet de faire décélérer le moteur beaucoup plus rapidement. Alors, pour toutes ces raisons, nous avons décidé d’inclure une résistance de freinage lors de nos essais de fonctionnement. Voici le montage réalisé dans Matlab/Simulink pour contrôler cette résistance : Figure 17 : Schéma Simulink pour l’activation de la résistance de freinage La logique du programme est que, lorsqu’il y a une diminution de la consigne du moteur au- delà de 3 %, une sortie sur le FPGA est activée et avec cette sortie, on contrôle un MOSFET de puissance afin d’activer ou désactiver le passage du courant dans la résistance de freinage. 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 24 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Étape 4 : Conception des essais de laboratoire Dans cette partie de conception, il était question de donner des idées pour les futurs essais en laboratoire sur la machine synchrone sans balais. Comme les notions qui seront vues en classes sur ces machines ne sont pas définies et à quel moment dans le baccalauréat, les idées de laboratoires sont générales. [Les énoncés sont disponibles en annexe] Étape 5 : Analyse et Mise en marche du prototype Suite à la simulation, nous avons obtenu certaines courbes que nous nous attendons d’obtenir lors de la mise en marche du moteur. Voici un schéma représentant ses différentes formes d’onde en théorie : Figure 18 : Formes d'ondes d'entrée et de sortie théorique Après vérification, nous avons fait les branchements nécessaires afin de faire fonctionner le moteur à aimants permanents. Voici les différentes courbes obtenues à la suite des essais réalisée en laboratoire sur le prototype réel : 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 25 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Figure 19 : Courant dans les 3 phases du moteur (en charge) Figure 20 : Tension dans une phase du moteur (À vide) – PWM = 50% Si on regarde les signaux de courants pratiques dans les trois phases du moteur, on remarque que la concordance avec les signaux attendus théoriques est frappante. En effet, si on prend la forme d’onde d’un seul courant, on remarque que le courant est positif (au dessus de l’axe) puis tombe à zéro pour un moment et devient par la suite négatif. On voit alors sur ces courbes qu’il y a toujours deux phases qui conduisent, une phase en positif et une phase en négatif. 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 26 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Sur la courbe de tension, on remarque que la ligne du haut montre la tension d’alimentation du moteur (48Vdc). L’autre signal montre la tension d’alimentation d’une phase par rapport au neutre. On remarque que la tension est à 0 pendant 50% du temps et à 48Vdc pendant 50%du temps. C’est donc dire que la tension moyenne envoyée à une phase du moteur est de 24Vdc (PWM=50%). On peut donc conclure que la tension dans une phase du moteur est égale au ratio de la PWM. Plus la ratio de la PWM sera grand plus la tension des enroulement seront élevé. IV Bilan des activités IV.1 Arrimage formation pratique/universitaire Dans le cadre de projet, la formation universitaire suivie jusqu’à présent nous a été très peu utile. Cependant, le cours "électrotechnique I" suivi pendant la réalisation du projet nous à permis de mieux comprendre les différences entre notre moteur synchrone sans balais (BLDC) et les moteurs à courant continu traditionnel. Il a été nécessaire de faire beaucoup de recherche et de lecture afin de bien cerner les enjeux du projet. En fait, le projet nous à principalement servi de période d’apprentissage plutôt que de période d’application de connaissances. Des cours tels "électronique I" et "système digitaux", en autre, nous aurait grandement aidé dans la réalisation du projet. Il aurait été plus facile de mettre en œuvre certain concept utilisé lors du projet. IV.2 Travail d’équipe Le travail d’équipe s’est somme toute bien déroulé pendant la durée du projet. La recherche et l’exécution des tâches s’est faites en collaboration afin de tirer le maximum de connaissance. Les rencontres avec le conseiller se sont déroulées dans le respect. Les décisions relatives au projet ont été discutées et les choix étaient faits d’un commun accord. 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 27 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie IV.3 Respect de l’échéancier Dans la majorité des projets, la planification est primordiale afin de s’assurer du respect de l’échéancier et du suivi des étapes relatifs au développement du projet. Lors de la création de ce plan, nous avons séparé le projet en plusieurs parties. Voici le diagramme de Gantt qui défini ces étapes : Figure 21 : Échéancier du projet Tous ces éléments ont été divisés sur la durée totale du projet soit 4 mois. Bien que les dates initiales et finales de celles-ci soient approximatives, nous les avons bien suivis afin de finaliser le projet dans les temps fixés. Voici les éléments qui n’ont pu être terminé durant le projet : 1. Nous n’avons pas été en mesure de réaliser la tâche ‘’Sélection des éléments de protections’’ en raison du manque de connaissance en électronique. 2. Impossibilité de mettre en œuvre le module de contrôle car une modification était nécessaire. IV.4 Analyse et discussion Le but de ce projet était de concevoir un banc d’essai pour la machine synchrone à aimant permanent. Tel que mentionné, le projet s’est concentré sur la programmation du module de contrôle du moteur. La conception de celui-ci s’est faite à partir des recherches bibliographiques que nous avons faites. Le logiciel MATLAB/Simulink avec Xilinx system Generator nous a permis de réaliser le programme de commande, pour ensuite programmer le module FPGA. La 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 28 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie programmation réalisée n’est pas inflexible. Il est possible de varier des paramètres tels que la fréquence de la PWM et le temps de la rampe seulement en changeant quelques valeurs. Pour ce qui est des coûts reliées au projet, ils sont assez importants. Puisque le Département des Sciences Appliquées (DSA) avait débuté ses démarches afin d’intégrer l’apprentissage des moteurs synchrones à aimants permanent, des budgets supplémentaires à celui prévu au projet ont pu être utilisé. Le tableau suivant montre les coûts associés au projet. Description Moteur à aimants permanents Poulie Courroie Module IGBT Module de contrôle complet Coûts Quantités 772 $ 1 17 $ 1 10 $ 1 20 $ 1 500 $ 1 Coût total des pièces : Total 772$ 17 $ 10 $ 20 $ 500$ 1 319$ Afin de rendre possible l’apprentissage de ces moteurs aux étudiants, il sera nécessaire d’acheter quatre autres exemplaires de chaque pièces. Le prix total deviendra alors très élevé. Pour réduire les coûts, il serait intéressant de faire développer le module de redressement/ondulation par des étudiants lors de futurs projet. De plus, il est également possible de faire fonctionner la machine à aimant permanent à l’aide des équipements Lab-Volt existant au laboratoire. 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 29 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie VII Conclusion et recommandations Pour conclure, le projet consistait à mettre en marche une machine synchrone DC sans balais (BLDC). Pour ce faire, il était question de concevoir le système de commande pour faire fonctionner le moteur et de réaliser le module de redressement/ondulation (drive du moteur). Il était également question de soumettre des énoncés de laboratoire portant sur la machine BLDC pouvant être réalisé par les étudiants de génie. En cours de projet, dû au manque de connaissance dans la conception de circuit électronique et après consultation avec notre conseiller, les conceptions du module d’électronique de puissance et des circuits de protections ont dues être abandonnées. Nous nous sommes alors concentrés sur la programmation du module de commande(FPGA) ainsi que sur l’établissement des idées de laboratoire. Pour ce qui est de la réalisation du la programmation du module de commande, celle-ci s’est assez bien déroulé. Il y a eu cependant beaucoup d’apprentissage à faire au niveau de la programmation avec le logiciel Matlab/Simulink avec System Generator de XILINX. La programmation à été complété et la commande du moteur peut se faire dans les deux sens de rotation. De plus, l’intégration d’une rampe dans la variation de vitesse du potentiomètre permet d’assurer la longévité du moteur. En effet, cette rampe ne permet pas aux usagers de faire passer le moteur de 100% de rotation en sens horaire vers 100% de rotation en sens antihoraire. Le module intègre également une sortie permettant le branchement d’une résistance de freinage pour aider le moteur à freiner lorsque celui-ci est chargé. En somme, le projet s’est bien déroulé et les résultats sont bons. Il pourrait être intéressant, pour les suites du projet, de réaliser le module de redressement/ondulation et les protections (drive). Les coûts seraient alors beaucoup plus bas. 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 30 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Bibliographie Monographie WILDI T. SYBILLE, GILBERT ; 2005. Électrotechnique. 4ième édition. Presse de l’université Laval : Édition SK. 1215p. HANSELMAN, DUANE; 2006. Brushless permanent magnet motor, 2ième édition. The Writers' Collective [Version électronique]. 392p. WENTWORTH, STUART ; 2007. Applied Electromagnetics: Early Transmission Lines Approach . 1ère édition. John Wiley & Sons Inc. 656p. Site Internet DIGIKEY. Digi-Key Canada. [En ligne]. [http://parts.digikey.ca/]. Consulté le 5 octobre 2011 MAXON. Maxon motor. [En ligne].[http://www.maxonmotor.com/maxon/view/content/product_ overview_brushlessdcmotors]. Consulté le 28 septembre 2011 WIKIPEDIA. Wikipedia L’encyclopédie libre. [En ligne]. [http://fr.wikipedia.org]. Consulté le 27 novembre 2011 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 31 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie ANNEXES 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 32 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Laboratoire #1 : Moteur à courant continu sans balais Théorie Moteur à courant continu Les moteurs à courants continus sont composés d’un champ statorique fixe (alimentation en courant continu) et un champ rotorique également fixe. Pour faire fonctionner le moteur, les bobines situées sur le rotor sont alimenté à tour de rôle par l’entremise de balais. Ces balais glissent sur des collecteurs fixés sur les enroulements du rotor. (Voir figure.) Moteur à courant continu sans balais (Brushless Direct Current Motor – BLDC motor) Le moteur à courant continu sans balais diffère du moteur à courant continu conventionnel en ce sens qu’il est composé d’un aimant permanant au rotor. Cette configuration ne permet plus d’effectuer la commutation avec l’ensemble collecteur/balais puisque le champ magnétique est fixe même sans alimentation. De plus, l’alimentation des bobines situées au stator est faite, comme son nom l’indique en tension continu. Pour faire fonctionner ce moteur, il s’agit d’appliquer une tension aux bobines du stator à tour de rôle. Ainsi, le champ magnétique créé au stator est tournant (d’où l’appellation "moteur synchrone à aimant permanent"). Cependant, on à besoin d’une connaissance de la position relative du rotor par rapport au stator afin de réaliser la synchronisation des courants d’induits (courants du stator) avec le flux inducteur (aimant permanent au rotor), c’est à dire l’autopilotage. Le moteur doit alors être muni de capteur de position (effet hall ou autre) et un commande externe doit être appliqué au enroulement statorique en fonction de la position du rotor. 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 33 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Expérimentation En charge 1. Alimenter le moteur et mesurer les caractéristiques à vide pour différentes vitesse (0 à 100% sur module FPGA) par incrément de 10% Vitesse (%) Vitesse (RPM) Couple (N·m) Tracer la courbe vitesse – couple du moteur. 2. Avec la formule suivante, calculer la puissance disponible sur l’arbre à partir des données précédente et présenté ces résultats sous formes de graphique. Vitesse (RPM) Couple (N·m) Puissance (W) Tracer la courbe vitesse – puissance du moteur. 3. Calculer le rendement du moteur aux différentes vitesses. Vitesse (RPM) Puissance (W) Rendement Tracer la courbe vitesse – rendement du moteur. 4. Appliquer une tension DC sur les enroulements du stator et en déduire, les pertes joules dans ces enroulements. Enroulement 1 Enroulement 2 Enroulement 3 Tension (V) Courant (A) Résistance (Ω) 5. À l’aide d’un oscilloscope, mesurer la fréquence de la Modulation à largeur d’impulsion. 6. Dessiner, à l’aide de l’oscilloscope, la forme d’onde provenant des capteurs à effets hall. 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 34 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Laboratoire #2 : Génératrice à courant continu sans balais Théorie Tel que vu dans le précédent laboratoire, les moteurs à courant continu sans balais (BLDC) nécessitent une commande spéciale qui requiert des connaissances supplémentaires. Toutefois, dans son fonctionnement en génératrice, la machine à courant continu sans balais ne nécessite pas toute cette commande. En fait, c’est le moteur idéal pour le fonctionnement en génératrice car lorsque son arbre est entraîné, l’aimant permanent du rotor crée un champ variable dans les enroulements s du stator. D’après la loi de Faraday, une tension s’induit alors dans les enroulements et selon la charge, un courant. De ce fait, ces types de moteurs sont de plus en plus utilisés dans les turbines éoliennes. Le vent entraîne l’aimant permanent et l’énergie est alors produite. Cette énergie peut alors être convertie pour être distribué sur le réseau électrique. Expérimentation En charge 1. Accoupler le BLDC avec le moteur à cage d’écureuil à l’aide de la courroie pour faire tourner le moteur. Ajuster la vitesse du moteur à cage d’écureuil afin d’être le plus près possible de la vitesse en régime permanent. En gardant la vitesse constante, faites varier la charge (banc de résistance) et mesurer la tension et le courant de sortie. [Simuler une variation de charge avec l’éolienne gardant une vitesse constante (vent qui augmente en fonction de la charge)] Résistance (Ω) Tension (V) 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Courant (A) Kévin Harvey Michaël Manning Puissance sortie(W) Automne 2011 Page 35 de 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Tracer la courbe charge (résistance) – puissance disponible pour une vitesse constante Note : Garder la vitesse constante en tout temps lors de ce test 2. Garder le BLDC accouplé avec le moteur à cage d’écureuil. Cette fois, ajuster la vitesse de l’ensemble au maximum de la vitesse. Varier la charge (résistance) et mesurer, comme précédemment, la tension et le courant. [Simuler une variation de charge avec vent constant propulsant l’éolienne] Vitesse (RPM) Résistance (Ω) Tension (V) Courant (A) Puissance sortie(W) Tracer la courbe vitesse – puissance du générateur et la courbe charge (résistance) – puissance sur le même graphique 3. Garder le BLDC accouplé avec le moteur à cage d’écureuil. Cette fois, ajuster la charge à une valeur fixe (ex. 240Ω). Varier la vitesse de rotation de l’ensemble et mesurer la tension et le courant de sortie. [Simuler une charge constante avec variation du vent propulsant l’éolienne] Vitesse (RPM) Tension (V) Courant (A) Puissance sortie(W) Tracer la courbe vitesse – puissance du générateur. Note : Il est important, lors des laboratoires, de tenir compte du rapport 2:1 de la poulie de la machine synchrone à aimant permanent par rapport aux autres équipements Lab-Volt. 6GIN333 – Projet de conception Rapport Final Kévin Harvey Michaël Manning Automne 2011 Page 36 de 36
