Rapport final
publicité
Université du Québec à Chicoutimi MODULE D’INGENIERIE PROGRAMME DE GENIE ELECTRIQUE 6GIN555 – PROJET DE SYNTHESE D’INGENIERIE Rapport final Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Préparé par TREMBLAY, FREDERIC BOUCHARD, CHRISTIAN POIRIER, JONATHAN Pour FOFANA, ISSOUF UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI 16 avril 2010 COORDONATEUR : CONSEILLER : PARADIS, JACQUES FOFANA, ISSOUF Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie RESUME Dans les régions nordiques éloignées, la production d’énergie se fait, dans plusieurs cas, aux dépens de l’environnement. L’utilisation de génératrices à combustion est le système le plus simple à utiliser pour alimenter des chalets, par exemple. Un système complémentaire diminuerait les coûts d’entretien, la pollution générée ainsi que la nuisance sonore causée par le moteur à combustion. L’utilisation d’un système éolien devient une approche de plus en plus intéressante avec tout le développement et la recherche de système éolien performant. Ce projet de conception, subventionné par les entreprises LP, consiste à concevoir un prototype utilisant une éolienne, un système d’accumulation et une génératrice diesel pouvant fournir une puissance constante à une petite charge, comme un chalet en territoire éloigné, à une tension nominale de 120Vc.a.. Il s’agit donc de présenter un système fiable, efficace et le plus économique possible. En d’autres mots, le système de génération d’énergie électrique autonome sera remplacé par une génératrice à combustion en l’absence de vent et d’énergie sur le système d’accumulation. Le système doit comprendre une régulation de la vitesse de rotation de l’aérogénérateur, un système d’acquisition afin de vérifier le comportement du système sur une longue période, un boîtier de commande dans le but de freiner l’aérogénérateur manuellement dans une situation d’urgence ou lors de manœuvres d’entretien. Finalement, un simulateur reproduisant les valeurs mesurées par le système d’acquisition a dû être conçu pour fin de vérification et d’étalonnage du contrôleur. Une étude comportementale implémentée sur le logiciel SimPower Systems a été réalisée afin de cerner les différents enjeux auxquels le projet devait faire face. Suite à cette étape, le dimensionnement des composantes électroniques, la conception et la programmation des instruments de mesures (voltmètre, ampèremètre, fréquencemètre et la mesure de la vitesse du vent), la programmation de l’affichage ACL, la logique de programmation, l’interface d’acquisition et le simulateur ont été développés. La finalité de ce projet présente une lecture des valeurs précise au centième, précision amplement suffisante pour l’acquisition à long terme et pour les prises de décision du microcontrôleur. Les essais finaux faits en laboratoire présentent les comportements anticipés par l’étude du système sur MATLAB : Simulink. Le freinage avec résistance est efficace, ne perturbe pas la charge à alimenter tout en évitant l’entretien fréquent de l’éolienne. Le système de contrôle, de type évolutif, permettra d’ajouter des équipements dans le futur (sorties disponibles). Le développement de cette gestion de l’énergie sur un système éolien fut réalisé à faible coût. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | ii Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie TABLE DES MATIERES 1 Introduction ....................................................................................................................................................1 2 Présentation du projet .....................................................................................................................................2 2.1 Description de l’entreprise......................................................................................................................2 2.2 Description de l’équipe du travail ..........................................................................................................2 2.3 Problématique et état de l’art reliés au projet .........................................................................................2 2.3.1 Aérogénérateur ...............................................................................................................................3 2.3.2 Électronique de puissance ..............................................................................................................5 2.3.3 Électronique ....................................................................................................................................6 2.3.4 Dimensionnement des conducteurs et des protections ...................................................................7 2.4 Objectifs généraux et spécifiques du projet ............................................................................................7 3 Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet ....................................................................8 3.1 Aspects techniques .................................................................................................................................9 3.1.1 Présentation des composantes principales ......................................................................................9 3.1.2 Principes d’asservissement proposés ............................................................................................13 3.1.3 Résistance de freinage à grande puissance ...................................................................................15 3.1.4 Essais de l’alternateur en laboratoire ............................................................................................16 3.1.5 Analyse comportementale à l’aide du simulateur MATLAB .......................................................18 3.2.1 Développement du programme du dsPIC .....................................................................................29 3.3 Éléments de conception ........................................................................................................................30 3.3.1 Schématique de câblage, unifilaire et schéma de disposition .......................................................30 3.3.2 Dimensionnement des composantes physiques ............................................................................30 3.3.3 Conception et programmation des différents appareils de mesure ...............................................40 3.3.4 Logique de contrôle ......................................................................................................................53 3.3.5 Conception et programmation de l’affichage à cristaux liquides .................................................55 3.3.6 Conception et programmation du simulateur de vérification du contrôleur .................................57 3.3.7 Interface d’acquisition et de simulation ........................................................................................64 4 Bilan des activités .........................................................................................................................................67 4.1 Arrimage formation pratique/universitaire ...........................................................................................67 4.2 Travail d’équipe....................................................................................................................................67 4.3 Respect de l’échéancier ........................................................................................................................69 4.4 Analyse et discussion............................................................................................................................70 5 Conclusion et recommandations ...................................................................................................................73 Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | iii Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 6 Bibliographie ................................................................................................................................................74 6.1 Monographies .......................................................................................................................................74 6.2 Notes de cours ......................................................................................................................................74 6.3 Chapitres de livre ..................................................................................................................................74 6.4 Sites web ...............................................................................................................................................75 Annexe A.............................................................................................................................................................76 Annexe B .............................................................................................................................................................79 Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | iv Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie LISTE DES FIGURES Figure 1: Circuit de base d'un redresseur triphasé à diodes...................................................................................5 Figure 2 : Circuit de base d'un hacheur série.........................................................................................................5 Figure 3: Comportement d’un hacheur série .........................................................................................................5 Figure 4 : Circuit de base d'un hacheur série.........................................................................................................5 Figure 5: Schéma typique d'une alimentation à découpage en mode dévolteur. ...................................................6 Figure 6: Schéma d'un amplificateur soustracteur.................................................................................................6 Figure 7 : Schéma d'un amplificateur suiveur .......................................................................................................6 Figure 8: Puissance générée de l'éolienne selon la vitesse des vents ..................................................................10 Figure 9: Installation de l'éolienne (9 octobre 2009) ...........................................................................................14 Figure 10: Tension délivrée de l'alternateur en fonction de sa vitesse de rotation ..............................................16 Figure 11 : Tension délivrée en fonction de la charge demandée .......................................................................16 Figure 12: Fréquence de la tension délivrée en fonction de la vitesse d'entraînement ........................................17 Figure 13 : Vue d'ensemble du simulateur «Simulink».......................................................................................18 Figure 14: Programmation de l'aérogénérateur ...................................................................................................19 Figure 15: Programmation du pont de diodes .....................................................................................................20 Figure 16 : Schématique de branchement des batteries .......................................................................................21 Figure 17: Programmation des batteries ..............................................................................................................21 Figure 18: Programmation de la charge de secours.............................................................................................21 Figure 19: Programmation du MOSFET .............................................................................................................22 Figure 20 : Programmation de la charge de secours............................................................................................22 Figure 21: Exemple de programmation du rapport cyclique ...............................................................................22 Figure 22: Programmation des charges fictives ..................................................................................................23 Figure 23 : Programmation du temps d'activation des charges ...........................................................................23 Figure 24: Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.1-1000W)..................................24 Figure 25 : Courants circulant dans le système (conditions 4.5.3.1-1000W) ......................................................24 Figure 26 : Courant circulant dans la charge (conditions 4.5.3.1-1000W)..........................................................24 Figure 27 : Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.1-2000W).................................25 Figure 28 : Courants circulant dans le système (conditions 4.5.3.1-2000W) ......................................................25 Figure 29 : Courant circulant dans la charge (conditions 4.5.3.1-2000W)..........................................................25 Figure 30: Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.2)...............................................26 Figure 31 : Courants circulant dans le système (conditions 4.5.3.2) ...................................................................26 Figure 32 : Courant circulant dans la charge (conditions 4.5.3.2).......................................................................26 Figure 33 : Tension d'une batterie (conditions 4.5.3.2) .......................................................................................27 Figure 34 : Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.3) ..............................................27 Figure 35 : Rapport cyclique du MLI (conditions 4.5.3.3)..................................................................................28 Figure 36 : Courant moyen circulant dans la charge de secours (conditions 4.5.3.3) .........................................28 Figure 37 : Puissance moyenne dissipée dans la charge de secours (conditions 4.5.3.3) ...................................28 Figure 38 : Plaquette de développement .............................................................................................................29 Figure 39 : Schéma de fonctionnement de la protection .....................................................................................32 Figure 40: Schématique et physique du MOSFET de puissance.........................................................................33 Figure 41: Montage pour le dimensionnement de la diode de roue libre ............................................................34 Figure 42:Comportement du circuit de la charge de secours ..............................................................................34 Figure 43: Schématique et physique du redresseur triphasé à diodes .................................................................35 Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Page |v Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Figure 44:Puissance dissipe du redresseur en fonction du courant .....................................................................36 Figure 45: Température tolérée du redresseur en fonction du courant traversé ..................................................36 Figure 46: Choix du dissipateur de chaleur .........................................................................................................36 Figure 47 : Régulateur de tension 48V- 12V.......................................................................................................38 Figure 48 : Système d'alimentation complet .......................................................................................................39 Figure 48: Schématique des possibilités de configuration d’entrée/sortie du contrôleur ....................................40 Figure 50 Schéma de câblage du microcontrôleur ..............................................................................................41 Figure 51 : Intégration de l'oscillateur système ...................................................................................................42 Figure 51 : Schéma de câblage de l’anémomètre ................................................................................................44 Figure 52: Démonstration du fonctionnement de la détection ............................................................................44 Figure 54 : Schéma de câblage du fréquencemètre .............................................................................................45 Figure 55: Démonstration du fonctionnement de la détection de la vitesse de rotation du rotor de l’alternateur ..................................................................................................................................................................................46 Figure 56 : Courant mesuré versus tension contrôleur avant conversion ............................................................46 Figure 57: Courant mesuré versus tension contrôleur après conversion .............................................................47 Figure 58: Circuit de conversion de la tension du senseur de courant ................................................................48 Figure 59 : Schéma de câblage du circuit adaptateur ..........................................................................................48 Figure 60 : Tension mesurée sur le pont versus tension contrôleur ....................................................................49 Figure 61: Schéma de câblage du voltmètre........................................................................................................50 Figure 62 : Schéma pour l'activation d'un relais..................................................................................................51 Figure 61:Schéma de câblage du pilotage du MOSFET .....................................................................................52 Figure 62: Diagramme du comportement du MLI ..............................................................................................53 Figure 63 : Logigramme du système global ........................................................................................................54 Figure 64: Affichage ACL ..................................................................................................................................55 Figure 65 : Schéma de branchement du second microcontrôleur pour afficheur ACL .......................................56 Figure 66 : Schéma de branchement de l'afficheur ACL ainsi que l'inverseur de tension ..................................56 Figure 67 : Schéma de câblage du microcontrôleur de simulation......................................................................58 Figure 68 : Schémas de filtrage des sorties hacheurs du simulateur ...................................................................61 Figure 69 : Schéma de connexion du convertisseur UART ................................................................................62 Figure 70: Fonctionnement du prototype ............................................................................................................72 Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | vi Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie LISTE DES TABLEAUX Tableau 1 : Classement du paysage selon leur rugosité météorologique ..............................................................4 Tableau 2 : Spécifications techniques de l'éolienne ..............................................................................................9 Tableau 3: Spécifications techniques de l'alternateur ..........................................................................................10 Tableau 4: Avantages et inconvénients des deux contrôleurs envisagés .............................................................11 Tableau 5: Spécifications des batteries................................................................................................................12 Tableau 6 : Spécifications de l'onduleur..............................................................................................................12 Tableau 7: Résultats et décisions préliminaires suite au premier essai ...............................................................15 Tableau 8: Spécifications techniques du MOSFET.............................................................................................33 Tableau 9: Spécifications de la diode de roue libre .............................................................................................35 Tableau 10 : Spécifications du redresseur en pont triphasé à diodes ..................................................................35 Tableau 11 : Sensibilité des équipements branchés sur le 5V .............................................................................37 Tableau 12: Bilan de puissance de l'alimentation 5V ..........................................................................................37 Tableau 13: Sensibilité des équipements branchés sur le 12V ............................................................................38 Tableau 14 : Bilan de puissance de l'alimentation 12V .......................................................................................38 Tableau 14 : Tableau des types d’entrée/sortie ...................................................................................................40 Tableau 15: Liste des entrées/sorties du microcontrôleur ...................................................................................42 Tableau 17 : Valeurs stockées dans le tableau du calculateur .............................................................................57 Tableau 18 : Liste des entrées/sorties du microcontrôleur de simulation............................................................59 Tableau 19 : Tableau des dépenses .....................................................................................................................71 Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | vii Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 1 INTRODUCTION Dans les régions nordiques éloignées, la production d’énergie se fait, dans plusieurs cas, aux dépens de l’environnement. L’utilisation de génératrices à combustion est le système le plus simple à utiliser pour alimenter des chalets, par exemple. Étant donné que les génératrices entraînées par un moteur à combustion demandent beaucoup d’entretien (réparations et remplissage de carburant) et polluent avec leur gaz d’échappement, l’utilisation d’un système complémentaire diminuera ces coûts d’entretien, la pollution générée ainsi que la nuisance sonore causée par le moteur. L’utilisation d’une éolienne devient une approche de plus en plus intéressante avec tout le développement et la recherche de système éolien performant. Ce projet de conception consiste à concevoir un prototype utilisant une éolienne, un système d’accumulation et une génératrice diesel pouvant fournir une puissance à une petite charge, comme un chalet en territoire éloigné, à une tension nominale de 120Vc.a.. Ce système à concevoir, subventionné par les entreprises LP, englobe différents domaines d’ingénierie électrique soit, l’énergie, l’électronique de puissance, l’électronique ainsi que le traitement du signal. Ce rapport présentera tout le cheminement et les stratégies afin d’obtenir un système fiable et efficace et le plus économique possible. Ce document présentera tout d’abord, un survol des principes techniques et des documents essentiels à la bonne compréhension des phénomènes en jeu. Suivra ensuite la présentation des objectifs reliés à cette synthèse d’ingénierie. Par la suite, la présentation des aspects techniques sera abordée. Elle comprend la présentation des principales composantes soit l’aérogénérateur, le contrôleur, l’onduleur, les batteries, l’analyse sur les essais effectués et l’analyse comportementale du système global à l’aide du logiciel «Simulink». Ensuite, suivront les éléments de conception où le dimensionnement des composantes électroniques, la conception et la programmation des instruments de mesures (voltmètre, ampèremètre, fréquencemètre et la mesure de la vitesse du vent), la programmation de l’affichage ACL, la logique de programmation, l’interface d’acquisition et le simulateur seront présentés. Une partie du rapport sera réservée au bilan des activités afin de faire ressortir les compétences acquises dans le développement du projet, d’illustrer l’échéancier et de présenter l’analyse des résultats obtenus. Finalement, un bilan des objectifs qui ont été atteints ainsi que les recommandations nécessaires à un travail ultérieur seront traitées dans la conclusion de ce document. La finalité de ce projet présente une lecture des valeurs précise au centième, précision amplement suffisante pour l’acquisition à long terme et pour les prises de décision du microcontrôleur. Les essais finaux faits en laboratoire présentent les comportements anticipés par l’étude du système sur MATLAB : Simulink. Le Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Page |1 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie freinage avec résistance est efficace, ne perturbe pas la charge à alimenter tout en évitant l’entretien fréquent de l’éolienne. Le système de contrôle, de type évolutif, permettra d’ajouter des équipements dans le futur (sorties disponibles). Le développement de cette gestion de l’énergie sur un système éolien fut réalisé dans le budget prédéfini de 2500$. En fait, un surplus de 330$ est toujours disponible pour modifications futures. 2 PRESENTATION DU PROJET 2.1 Description de l’entreprise Les Entreprises L.P est une entreprise en grande partie forestière qui œuvre dans le domaine de la voirie. Outre la forêt, celle-ci, étant entrepreneur général, se spécialise dans l’excavation, terrassement, aménagement paysager chez le grand public. Étant donné que beaucoup de travaux dans des secteurs très éloignés, des camps de travailleurs mobiles sont amenés sur les chantiers. L’essence étant rare et très chère, il est dans l’avantage de la compagnie de créer sa propre énergie sur place pour alimenter les camps. De ce fait, un secteur de recherche et développement s’est ajouté aux Entreprises L.P. Et de là est apparu le présent projet de conception. 2.2 Description de l’équipe du travail L’équipe de cette synthèse d’ingénierie est constituée de Jonathan Poirier, Christian Bouchard et Frédéric Tremblay. Ce projet a été réalisé sous la supervision de M. Luc Poirier, propriétaire des entreprises LP et promoteur du projet. Le travail et la conception ont été développés à l’aide de notre conseiller de l’Université du Québec À Chicoutimi, M. Issouf Fofana. 2.3 Problématique et état de l’art reliés au projet En général, ce projet utilise les concepts d’électronique de puissance pour effectuer la conception du chargeur à batterie, du pilotage de la résistance de freinage et de l’interface entre le simulateur et le contrôleur principal. De plus, les concepts techniques de filtrage seront utilisés pour réaliser les instruments de mesure permettant le contrôle du système éolien. Il est à noter que ces choix technologiques seront expliqués plus loin dans le document. Des normes sont également à vérifier en ce qui a trait au dimensionnement des câbles et de l’installation de la protection. Finalement, les spécifications techniques et le manuel du contrôleur seront importants afin de réaliser la programmation et la communication pour le système d’acquisition et pour le simulateur. Avant tout, l’aérogénérateur doit être choisi selon les besoins et le budget, le point suivant présente un aperçu des éléments à prendre en compte. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Page |2 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 2.3.1 Aérogénérateur En premier lieu, une recherche bibliographique exhaustive a été abordée afin de saisir les concepts fondamentaux de la génération d’énergie électrique à l’aide d’un aérogénérateur. Plusieurs documents ont été utiles pour cette prise de conscience. Il est à souligner que la source d’informations la plus importante a été le site «Techniques de l’ingénieur» où les documents suivants ont été recueillis : 1. Aérogénérateurs électriques 2. Énergie éolienne pour la fourniture d’électricité 3. Éolienne 4. Générateurs d’énergie renouvelable La monographie «Wind power in power systems» de Wiley fut un ouvrage également intéressant dans cette recherche. La somme de ces documents a permis de déceler que les éoliennes tripales ont un meilleur rendement pour une vitesse de rotation plus faible. Il est compromis entre l’efficacité aérodynamique du rotor, le poids, la dynamique de la structure ainsi que le coût. Par le fait même, l’utilisation d’un alternateur synchrone triphasé à aimants permanents à pôles saillants fournit une puissance intéressante sans tenir compte d’un multiplicateur de vitesse étant donnée une génération d’énergie possible à basse vitesse (aux alentours de 400 RPM). Il s’agit donc d’un système à attaque directe, système où des développements technologiques sont prévisibles. Malgré son poids plus important à comparer à un générateur synchrone à électro-aimants ou à un générateur asynchrone, pour une basse puissance d’environ 1 kW, ce type de générateur respecte bien les besoins demandés. En effet, il génère à n’importe quelle fréquence et, pour une unité autonome, cette fréquence a peu d’importance puisque son rôle sera de charger des batteries. Il en résulte un contrôle de la génératrice moins compliqué étant donné qu’il n’y a pas d’asservissement de l’excitation de la génératrice. Dans le document «Énergie éolienne pour la fourniture d’électricité» issu du site «Techniques de l’ingénieur», il a été possible de vérifier les sites éoliens les plus intéressants. En effet, le tableau 1 montre la rugosité du sol (α), facteur essentiel pour calculer la hauteur requise du mât où sera fixée l’éolienne. Ce facteur est ensuite utilisé dans la formule α ⎛h ⎞ Vx = Vref ⎜ x ⎟ h ref ⎠ ⎝ Vx est la vitesse du vent à la hauteur x où Vref est la vitesse du vent à la hauteur de référence α est le coefficient de rugosité En sachant que la puissance délivrée par une éolienne est régie par la formule de Betz : Pmax = 0.37 AV 3 où A est la surface perpendiculaire au vent V est la vitesse du vent Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Page |3 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Il est évident que la puissance varie selon la rugosité de l’air et que plus ce coefficient est élevé, plus la hauteur du mât sera petite pour obtenir une puissance maximale. En d’autres mots, sur un plan d’eau, le mât n’aura pas besoin d’être haut pour obtenir une grande variation de la puissance délivrée. Tableau 1 : Classement du paysage selon leur rugosité météorologique Terrain Classe de rugosité α Plans d'eau (lacs, fjords, mer) Surfaces de sable lisses Surfaces de neige lisses Sol lisse et nu Pistes et taxiways d'aéroport Zone aéroportuaire avec peu de bâtiments et d'arbres, 0 0 0 0 1 0,07 0,07 0,07 0,07 0,15 Terrain agricole avec très peu de constructions, d'arbres, etc. 1 0,15 Terrain agricole d'allure ouverte Terrain agricole d'allure fermée Beaucoup d'arbres et de buissons Lignes d'arbres brise-vent Banlieue Forêt, ville 1 2 2 3 3 4 0,15 0,22 0,22 0,3 0,3 0,4 Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Page |4 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 2.3.2 Électronique de puissance Les notes de cours d’électronique de puissance de M. Mohand Ouhrouche ont été utiles au dimensionnement du pont de diode ainsi qu’au hacheur de la charge de secours. Tout d’abord, les équations régissant le comportement d’un pont triphasé à diodes indiquées ci-dessous ont permis de calculer la tension inverse aux bornes des diodes et le courant les traversant. V0cc = 3 π Ell 2 ; I Dmoy = I 0 cc ; VDinv = 2 Ell 3 Figure 1: Circuit de base d'un redresseur triphasé à diodes Quant au hacheur, l’équation suivante sera utile pour définir le fonctionnement du MOSFET permettant de hacher une tension continue dans le but de piloter la résistance de secours. Eo ,moy = kEs avec 0 ≤ k ≤ 1 Figure Figure 42 :: Circuit Circuit de de base base d'un d'un hacheur hacheur série série Figure 3: Comportement d’un hacheur série Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Page |5 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Le principe de l’alimentation à découpage sera utilisé lors de l’interfaçage du simulateur et du contrôleur, étant deux dsPIC distincts. L’équation d’une alimentation à découpage en mode dévolteur régit le fonctionnement d’une tension hachée par un interrupteur en une tension continue avec peu d’oscillation. V0 1−k = ρV = 8LCf 2 V0 Figure 5: Schéma typique d'une alimentation à découpage en mode dévolteur. 2.3.3 Électronique Des circuits d’amplification et des filtres passe-bas seront nécessaires dans l’acquisition de mesure afin d’avoir une bonne gamme de mesure et un signal avec un minimum de bruit. C'est pourquoi l’utilisation des concepts vus en électronique II sera nécessaire. Les notes de cours à M. Hung Tien Bui font donc partie de la bibliographie. Les composantes d’un filtre passe-bas passif (filtre RC) sont calculées à l’aide d’une seule formule soit : f coupure = 1 . 2π RC Les différents circuits d’amplification de base utilisés sont : 1. le montage suiveur dans le but d’isoler la source au récepteur du signal 2. le montage soustracteur dans le but de diminuer l’«offset» du signal UQ = (UE2-UE1) * RG / R : Figure 7 : Schéma d'un amplificateur suiveur Figure 6: Schéma d'un amplificateur soustracteur Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Page |6 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 2.3.4 Dimensionnement des conducteurs et des protections Afin d’être conforme selon le code d’électricité du Canada, une recherche dans le volume «Code canadien d’électricité 2007» a été réalisée pour le dimensionnement des câbles et des protections contre les surintensités et les surcharges. Les articles utilisés seront cités dans la partie conception des câbles et de la protection contre les surintensités. 2.4 Objectifs généraux et spécifiques du projet Ce projet de conception consiste à concevoir un prototype utilisant une éolienne, un système d’accumulation et une génératrice diesel pouvant fournir une puissance à une petite charge, comme un chalet en territoire éloigné, à une tension nominale de 120Vc.a. Il s’agit donc de développer un système de génération d’énergie électrique autonome qui sera remplacé par une génératrice à combustion en l’absence de vent et d’énergie sur le système d’accumulation de charges. Explicitement, le système doit comprendre une régulation de la vitesse de rotation de l’aérogénérateur lorsque la vitesse de vent est excessive afin de ne pas endommager l’éolienne. Elle doit comprendre un système d’acquisition afin de vérifier le comportement du système sur une longue période, soit 30 jours. De plus, un boîtier de commande doit être installé dans le but de freiner l’aérogénérateur manuellement dans une situation d’urgence ou lors de manœuvres d’entretien. Finalement, un simulateur reproduisant les valeurs mesurées par le système d’acquisition doit être conçu pour fin de vérification et d’étalonnage du contrôleur. Ces objectifs sont les mêmes que ceux précités dans le plan de travail, écrit à la phase de démarrage du projet. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Page |7 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 3 ASPECTS TECHNIQUES ET ÉLÉMENTS DE CONCEPTION RELATIFS AU PROJET Ce point a pour but de présenter brièvement les différentes tâches faites depuis le début de ce projet de conception. Suite à cette courte description, une présentation complète de la méthodologie et des tâches effectuées sera abordée. Suite à la remise du plan de projet, plusieurs heures ont été utilisés sur une recherche bibliographique plus approfondie afin d’éclaircir les différents concepts sur la génération d’énergie à partir d’un système éolien. Le nombre de pales à utiliser, l’étude du gisement éolien, le choix de l’alternateur à utiliser, l’utilisation ou non d’un multiplicateur de vitesse ont été des critères importants à évaluer afin de cerner la puissance nominale et le type d’alternateur pour le prototype. Une fois l’alternateur choisi, l’achat du prototype (éolienne complète incluant le générateur, le moyeu et les pales) a été fait et une recherche de matériel a été réalisée afin d’ajouter l’instrumentation voulue sur le prototype. Tous les détails de ces achats sont présentés au tableau des dépenses. À la réception du générateur, des tests préliminaires sur la rive de la rivière «Ashuapmushuan» ont été réalisés afin de vérifier le comportement de l’éolienne sans contrôle et de vérifier les hypothèses soumises pour l’asservissement de l’éolienne à sa capacité de puissance maximale. Des tests en laboratoire au local P2-2020 ont également réalisé afin d’observer le comportement du générateur entraîné à différente vitesse. Des courbes de mesures en fonction de la vitesse seront illustrées dans ce rapport au point 3.1.4. La présentation du système global incluant le générateur, l’électronique de puissance, les batteries, la charge de secours, le contrôle et tout le dimensionnement de ces composantes seront présentés dans la partie 3.3.2 du présent rapport. La justification des types de composante y sera également expliquée. Dans le but de vérifier le comportement du système global, un simulateur sous le logiciel «Simulink» a été implanté. Le développement de cette tâche et les observations s’y rattachant seront présentés au point 3.15. La programmation de l’acquisition des valeurs venant des instruments de mesure sur dsPIC comme l’ampèremètre, le fréquencemètre / tachymètre, l’anémomètre et le voltmètre ont été réalisés. Les schémas électriques ainsi que le principe de programmation seront soumis au point 3.3.3. La logique de contrôle qui est programmée dans le contrôleur a été effectuée. Plus précisément, un logigramme et un schéma de blocs fonction seront exposés avec les explications s’y rattachant au point 3.3.4. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Page |8 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Suite à ces étapes, un essai dans le laboratoire P2-2020 à la fin décembre a permis de vérifier le fonctionnement du contrôleur et des éléments de mesure. Ces essais ont permis de constater le bon fonctionnement de la plupart des éléments raccordés. L’élaboration d’une interface d’acquisition en Visual Basic a été abordée afin d’effectuer l’acquisition de données à une fréquence prédéterminée via une communication RS232 avec le microcontrôleur. Elle sera expliquée au point 3.3.7. Également, un écran ACL permet de lire les valeurs mesurées en temps réel. Cet affichage, abordé au point 3.3.5, sera fixé sur le boîtier de raccordement. Finalement, le développement du simulateur reproduisant la tension du pont CC, le courant circulant dans le pont CC, la vitesse de rotation du générateur ainsi que le vent afin de vérifier le bon fonctionnement du dsPIC a été exécuté. Ce simulateur, exécuté avec un autre dsPIC, l’interface entre le simulateur et le contrôleur seront expliqués au point 3.3.6. 3.1 Aspects techniques 3.1.1 Présentation des composantes principales 3.1.1.1 ÉOLIENNE Suite aux paramètres fixés lors de la recherche bibliographique, la consultation du site «ebay» a permis de dénicher l’éolienne qui comble les besoins d’un prototype de basse puissance. Plus précisément, le fournisseur «Wind max» a présenté une éolienne de 1 kW générant une tension nominale de 48 V. Le type d’alternateur est en fait une machine synchrone à aimants permanents et l’éolienne est constituée de trois pales fixées à intervalle de 120º. Le tableau suivant montre les spécifications techniques fournies par le fournisseur. Tableau 2 : Spécifications techniques de l'éolienne Paramètres Tension délivrée Alternateur Puissance nominale Vitesse de rotation nominale Vitesse de vent nominale Vitesse de vent minimale Pales Matériau des pales Diamètre de pale Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Valeurs 48 Vdc Triphasé avec aimant permanent (Aimant au néodynium) 1000 W 400 RPM 9 m/s ou 32.4 km/h 2 m/s ou 7,2 km/h 3 pales par système Fibre de verre renforcée 2.7 m Page |9 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Plus précisément, l’alternateur présente les spécifications suivantes : Tableau 3: Spécifications techniques de l'alternateur Compagnie Nom du produit Vitesse de rotation nominale Vitesse de rotation maximale Tension nominale Nombre de pôles Poids net Degré de protection Connexion interne Puissance nominale Puissance maximale Fréquence Courant nominal Degré d’isolation Standard Numéro de série Yangzhou shenzhou SWG Wind-driven generator 400 RPM 500 RPM 34 Vac 48 Vdc 10 34 kg IP54 Étoile 1000 W 1500 W 50 Hz 21 A B GB/T10760.1-2003 080204 La puissance générée selon la vitesse du vent est montrée sur le site du fournisseur par la courbe suivante. Il est possible de remarquer selon cette figure que la puissance maximale (1500W) est atteinte pour une vitesse des vents de 12 m/s (43,2 km/h) et que la puissance diminue au franchissement de cette limite. Il serait donc intéressant d’instaurer un système de contrôle pouvant limiter la vitesse de rotation de l’alternateur à une vitesse des vents équivalente à 12 m/s, lorsque les vents sont suffisants. Le point «Principes d’asservissement proposés» amènera quelques techniques qui pourraient limiter cette vitesse de rotation. Figure 8: Puissance générée de l'éolienne selon la vitesse des vents Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 10 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 3.1.1.2 CONTROLEUR Deux types de contrôleurs ont été envisagés : 1. l’automate 2. le microcontrôleur Un automate économique a d’abord été envisagé. Il s’agit de l’automate Click fourni par «Automation Direct». La deuxième éventualité était le microcontrôleur dsPIC. Le tableau suivant énumère les avantages et inconvénients de chacun des contrôleurs. Tableau 4: Avantages et inconvénients des deux contrôleurs envisagés Contrôleur Avantages 9 Automate Click 9 Facilité de programmation 9 Facilité de branchement dsPIC30F4011 9 Rapide (temps de rafraîchissement : 200 ns) 9 Consommation réduite 9 Bas prix (10$) 9 Pas besoin de module complémentaire 9 Gestion possible de l’électronique de puissance 9 Gratuité des logiciels de programmation 9 9 9 9 Inconvénients Manque de rapidité (temps de rafraîchissement : 2 ms) Coût élevé (139$ de base) Besoin de module complémentaire Carte haute vitesse pour encodeur inexistante (pour ce modèle) Encombrement important 9 Complexité de programmation 9 Branchement complexe L’automate Click de base n’offrait pas suffisamment d’entrées et sorties (analogiques et discrètes) et l’achat de module d’entrées et sorties entraînait des coûts supplémentaires. De plus, le modèle ciblé n’offrait pas de carte haute vitesse pour encodeur et l’utilisation de ce détecteur de vitesse est essentielle à la protection du système éolien. L’achat d’un modèle d’automate de plus haut de gamme aurait été possible, mais il engendre des coûts encore plus élevés. Le dsPIC montre beaucoup d’avantages par rapport à l’unité de contrôle programmable malgré sa plus grande complexité de programmation et de branchement. Ce système n’a pas besoin de modules complémentaires par le fait qu’il possède un nombre d’entrées et sorties analogiques et discrètes suffisant. De plus, des sorties MLI (Modulation par Largeur d’Impulsion) sont disponibles sur ce modèle de PIC. C’est pourquoi le microcontrôleur a été retenu pour effectuer l’asservissement de puissance de l’éolienne. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 11 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 3.1.1.3 BATTERIES Dans le but d’accumuler l’énergie fournie par la génératrice à aimants permanents, un ensemble de batteries est utilisé. Étant donné que la tension fournie par la génératrice est de 34Vac et que le redresseur fournit une tension de 48Vdc, 4 batteries d’une tension nominale de 12V seront connectées en série. Étant donné que ces batteries seront grandement sollicitées en l’absence de vent, ces accumulateurs devront être de type «décharge profonde». Afin d’avoir une autonomie considérable sans toutefois avoir un coût d’achat élevé, une capacité de 100 A/h par batterie est choisie. Tableau 5: Spécifications des batteries 3.1.1.4 Marque Motomaster Nautilus Numéro de modèle IO2799-4 Tension nominale 14.4 V Courant d’appel 730 A Capacité de réserve 100 A/h ONDULEUR Ce dispositif permet de produire une tension alternative de 120 Vc.a. à partir de la tension nominale des batteries de 48V. Il doit fonctionner sur une certaine plage de tension d’entrée étant donné que le potentiel délivré par les batteries varie selon leur état de charge. De plus, la puissance à fournir a été fixée à 2500W, puissance requise pour un chauffage d’appoint, des lumières et quelques appareils électriques. Le tableau suivant présente les spécifications de l’onduleur choisi, soit un ATSIU-2500P/48-120. Tableau 6 : Spécifications de l'onduleur Puissance maximale en service continu Puissance crête Rendement Tension d’entrée nominale Plage de tension d’entrée Tension de sortie Fréquence de la tension de sortie Onde de la tension de sortie Courant de fuite Limite de sous-tension d’entrée Limite de surtension d’entrée Gestion de l’énergie électrique sur système éolien 2500W 5000W >92% 48Vc.c. 40-60Vc.c. 120Vc.a. ±5% 60Hz ±2% «Semi-pure sin wave (SPS)» <0.15A 40Vc.c. ±1% 60Vc.c. ±1% P a g e | 12 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 3.1.2 Principes d’asservissement proposés 3.1.2.1 HYPOTHESES Afin d’augmenter l’efficacité de l’éolienne, 5 principes de fonctionnement ont été pensés. Tout d’abord, le premier principe était d’effacer l’éolienne du vent. Pour ce faire, deux techniques ont été soumises : 1. asservir la vitesse de rotation des pales par la modification de la trajectoire de la queue par un vérin électrique 2. asservir la vitesse de rotation des pales par la rotation de la tête avec un servomoteur fixé sur le pivot entre l’alternateur et le mât 3. asservir la vitesse de rotation des pales l’inclinaison horizontale de l’alternateur et des pales par le biais d’un vérin électrique Deux autres solutions sont possibles : 4. Freiner l’éolienne en augmentant considérablement la charge avec un banc de résistance 5. Installer un frein mécanique directement sur l’arbre de l’alternateur Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 13 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 3.1.2.2 PRISE DE CONSCIENCE SUITE A DES TESTS PRELIMINAIRES Installation de l’éolienne Le 8 et 9 octobre, la préparation à des tests préliminaires a été amorcée. En fait, l’éolienne a été installée sur un mat d’environ 10 pieds haubané à 120º. La hauteur était suffisante étant donné que le site se situait face à la rivière «Ashuapmushuan» et le terrain sur l’autre rive se trouvait à être un champ d’agriculture. Selon l’équation citée au point III.1, la hauteur du mât n’aurait pas modifié grandement la vitesse du vent présente donc elle n’aurait pas modifié la Figure 9: Installation de l'éolienne (9 octobre 2009) puissance admissible. La photo suivante montre l’installation du prototype. Résultats obtenus La journée du 10 octobre, les vents étaient de 15 à 20 km/h, vitesse suffisante à la génération d’énergie, selon les spécifications données par le fournisseur. En effet, le générateur, à vide, donnait sans problème la tension nominale de 48Vll. Une charge triphasée de 300 W, disponible à ce moment, connectée à l’alternateur n’influençait pas la tension nominale. Suite à ces connexions, l’essai de l’effacement du vent par la modification de la trajectoire de la queue a été expérimenté. Les résultats ne furent pas concluants puisque l’éolienne avait tendance à tourner sur elle-même et, par conséquent, elle ne fournissait plus de tension. Il en était de même pour la rotation de la fixation de l’alternateur. Il a été remarqué que l’éolienne avait tendance à s’emballer et à ne plus générer de tension lorsque la charge n’était pas présente. Ceci est causé par le décrochage des pales à une certaine vitesse. Décisions prises suite à ces tests Le principe de l’effacement du vent par la modification de la trajectoire de la queue n’a pas donné les résultats escomptés alors ce type d’asservissement a été mis de côté. Le principe de l’effacement du vent par la mise à l'horizontale de l’alternateur et des pales requiert un vérin électrique puissant qui consomme beaucoup d’énergie puisque le poids du système éolien est supérieur à 100 lbs. Étant donné qu’il s’agit d’une unité Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 14 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie autonome de génération d’énergie, il n’est pas avantageux que cette dernière consomme une quantité non négligeable de puissance. De plus, il sera important de vérifier la charge continuellement afin que l’alternateur ne s’emballe pas. La possibilité d’une résistance à grande puissance est toujours envisagée. Le frein mécanique à maintenant est écarté par la complexité de l’assemblage. Tableau 7: Résultats et décisions préliminaires suite au premier essai Principe d’asservissement Effacement du vent par Observations ou décision préliminaires la 9 Perte de contrôle de la rotation du pivot modification de la trajectoire de la 9 Génération d’énergie cessante queue Effacement du vent par la rotation du 9 Solution toujours envisageable pivot du générateur Effacement du vent par l’inclinaison 9 Consommation d’énergie trop grande par horizontale de l’alternateur Augmentation de la charge l’actionneur électrique en 9 Solution toujours envisageable utilisant une résistance Freinage mécanique sur l’arbre de 9 Complexité de l’assemblage l’alternateur 3.1.3 Résistance de freinage à grande puissance Suite aux essais du 9 octobre, l’implantation d’un système de freinage avec une résistance est adoptée. L’installation d’un système de pilotage de « MOSFET » permet de hacher la tension continue aux bornes de la résistance de freinage. Cette dite résistance sert de charge supplémentaire applicable à tout moment sur le système pour un freinage de l’éolienne. Le but de contrôler l’ouverture du « MOSFET » permet d’augmenter ou de diminuer la tension moyenne, jouant ainsi directement sur la puissance de la charge. Le procédé pour hacher la tension de grille du « MOSFET » est la modulation par largeur d’impulsion. En variant le rapport cyclique, de 0 à 1, l’activation de la grille se fait sur une courte ou longue durée sur une même période. ( kVcc ) P= 2 R Un contact de relais sera câblé en parallèle avec le MOSFET dans le but d’activer directement la résistance en cas de défaillance du contrôleur. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 15 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 3.1.4 Essais de l’alternateur en laboratoire Le 15 et 16 octobre, des essais de l’alternateur en laboratoire ont été effectués. Le générateur a été couplé avec les moteurs à courant continu disponible au local P2-2020. Il a donc été possible d’observer le comportement de l’alternateur à aimants permanents à différentes vitesses et à différentes charges. 3.1.4.1 OBSERVATIONS La figure suivante montre la tension en fonction de la vitesse d’entraînement de l’alternateur. 70 Tension délivrée (Vac) 60 50 40 30 20 10 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Vitesse de rotation (RPM) Figure 10: Tension délivrée de l'alternateur en fonction de sa vitesse de rotation Il est possible de remarquer que la tension délivrée varie linéairement avec la vitesse d’entraînement du moteur et, pour la vitesse de rotation nominale, soit 400RPM, la tension à vide est de Vac. La prochaine figure montre la tension délivrée en fonction de la charge. 40 Tension délivrée (V) 35 30 25 20 15 10 5 0 0 100 200 300 400 500 600 Charge (W) Figure 11 : Tension délivrée en fonction de la charge demandée Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 16 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Cette deuxième figure démontre que la tension du générateur a tendance à diminuer à l’augmentation de la charge. Ce comportement est dû à l’absence du contrôle du courant d’excitation de la génératrice puisque l’excitation est fixe et fournie par les aimants. Par conséquent, la tension délivrée dépend de la charge demandée. Cette dernière figure montre la relation entre la fréquence de la tension générée et la vitesse d’entraînement de l’alternateur lorsque ce dernier est à vide. Fréquence de la tension 60 50 40 30 20 10 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Vitesse de rotation (RPM) Figure 12: Fréquence de la tension délivrée en fonction de la vitesse d'entraînement Il est possible de remarquer que la fréquence varie linéairement avec la vitesse de rotation. Ce comportement est attendu étant donné qu’il s’agit d’une génératrice synchrone. 3.1.4.2 DISCUSSIONS Suite aux essais effectués en laboratoire, il a été retenu que l’utilisation d’un encodeur pour l’acquisition peut être remplacée par la conception d’un fréquencemètre. Cette astuce évite donc d’ouvrir le boîtier de l’alternateur étant donné que l’encodeur doit être installé directement sur l’arbre principal de la génératrice. Les impacts premiers d’une telle installation était qu’il fallait ouvrir le boitier de l’alternateur et d’installer des balais supplémentaires sur l’installation déjà existante pour le retour de l’information. L’ouverture du boitier pourrait provoquer un problème d’étanchéité et de bris mécanique et l’installation de balais supplémentaires proches des balais de puissance occasionnerait peut-être des interférences ou bruits sur la ligne faussant ainsi les données reçues. La conception du fréquencemètre sera exposée de façon exhaustive au point V.3.3 de ce présent rapport. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 17 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 3.1.5 Analyse comportementale à l’aide du simulateur MATLAB Le logiciel «Simulink» sera un excellent outil afin de vérifier le dimensionnement des composantes d’électronique de puissance partant de la génératrice jusqu’à la charge. Il sera également utile pour l’analyse comportementale du système entier. En effet, il sera possible d’observer tensions, courants et puissances de l’alternateur et des composantes à la modification de la vitesse de rotation de la génératrice ainsi que l’augmentation ou la diminution de la charge. Le simulateur comprend l’ensemble turbine-alternateur, le pont de diodes triphasé, le pilotage du MOSFET, la charge de secours, les batteries et un ensemble de charges fictives. Tous ces éléments permettront de vérifier l’utilité de différents ajouts de composantes comme par exemple des filtres à la sortie des redresseurs, des ajouts de régulateur de tension ou courant, etc. 3.1.5.1 VUE D’ENSEMBLE DU SYSTEME DEVELOPPE Figure 13 : Vue d'ensemble du simulateur «Simulink» Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 18 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 3.1.5.2 COMPOSANTES Éolienne L’alternateur à aimants permanents a été modélisé avec une source triphasée variable. Ce type de bloc permet de varier la tension durant la simulation, représentant la variation de la vitesse de rotation. Cette relation a été démontrée à la figure 6 du point IV.4 de la méthodologie utilisée. La programmation de ce bloc se réalise selon trois paramètres nominaux : la tension phase-phase nominale, le déphasage et la fréquence. Par la suite, la variation d’amplitude est modélisée par une fonction rampe où la pente est paramétrée en pu/s et le temps variation (temps de départ et temps final). C’est à l’utilisateur à paramétrer cette variation selon le Figure 14: Programmation de l'aérogénérateur comportement voulu. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 19 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Pont de diode Le pont de diode triphasé est simplement modélisé avec un pont universel où l’électronique de puissance spécifiée est des diodes et le nombre de bras du pont est 2 pour un pont monophasé ou 3 pour un pont triphasé. Les autres valeurs demandées ont été inscrites par défaut. Figure 15: Programmation du pont de diodes Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 20 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Banc de batteries Le banc de batteries a été construit par le modèle de batterie fourni par «Simulink/SimPower Systems». Ce modèle permet l’acquisition de l’état de la charge, du courant délivré par les batteries et de la tension aux bornes de chacune des batteries. Les paramètres utilisés dans ce simulateur est le type de batterie qui est «Lead-Acid», la tension nominale à 12V par batteries, la capacité à 100Ah et l’état initial de charge qui est inscrit avant le démarrage du simulateur selon le comportement voulu. Figure 16 : Schématique de branchement des batteries Figure 17: Programmation des batteries Charge de secours L’implantation de la charge de secours a été réalisée à l’aide d’un MOSFET câblé sur une résistance de 3.5Ω en série avec une inductance de 33μH, modèle de la résistance haute puissance achetée. Les paramètres du transistor à implanter sont la résistance Ron égale à 12,9mΩ, valeur du MOSFET réel acheté. Les autres paramètres ont été programmés à 0 étant donné l’absence de ces grandeurs sur la fiche technique du MOSFET. Un disjoncteur câblé en parallèle avec le MOSFET est piloté par un signal du contrôleur qui sera ajouté prochainement dans le simulateur. Un générateur d’impulsion est Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Figure 18: Programmation de la charge de secours P a g e | 21 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie câblé sur la grille du MOSFET. Le rapport cyclique est modélisé par un générateur de signal où un rapport cyclique de 0% représente la valeur «-1» à injecter dans le générateur d’impulsion et un rapport cyclique de 100% équivaut à la valeur «1» à injecter dans le générateur d’impulsion. Une diode de roue libre est connectée en parallèle afin de permettre la décharge de l’inductance à l’ouverture du transistor. Les figures suivantes illustrent la programmation des composantes discutées dans ce paragraphe. Figure 20 : Programmation de la charge de secours Figure 19: Programmation du MOSFET Figure 21: Exemple de programmation du rapport cyclique Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 22 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Charges fictives Deux blocs sont utilisés pour simuler la charge fictive, soit un sous-système de temporisateurs activant les charges à un instant donné et un sous-système de charges résistives où chacune est alimentée par un disjoncteur. Ces disjoncteurs seront pilotés par un signal venant du sous-système de temporisateurs. Il y a quatre charges disponibles : 250W, 500W, 750W, 1000W. Figure 22: Programmation des charges fictives Le bloc temporisateur est composé de 4 temporisateurs programmés avec des temps de délai déterminé par l’utilisateur du simulateur. Ce dernier a le choix d’activer une seule charge ou d’activer les quatre charges à des temps différents dans une même simulation. La fréquence d’échantillonnage utilisé par le simulateur doit être spécifiée dans la programmation du temps d’activation des charges. La figure de droite montre la fenêtre de programmation du temps d’activation des charges fictives. Figure 23 : Programmation du temps d'activation des charges Essais Cette partie présente les essais selon les différentes éventualités possibles. C’est-à-dire qu’il y aura une simulation pour: 1. Essai en charge, éolienne pleine puissance et batteries pleines (SOC=100%) 2. Essais en charge, éolienne pleine puissance et batteries vides (SOC=10%) 3. Essai éolienne pleine puissance et charge de secours Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 23 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Essais en charge, éolienne pleine puissance et batteries pleines (SOC=100%) Charge de 1000W Tension redressée 52 Tension du pont DC Tension de la charge Tension(V) 50 48 46 44 42 0.65 0.655 0.66 0.665 Temps(s) 0.67 0.675 0.68 Figure 24: Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.1-1000W) Courant redressé 22 Courant entre pont et batteries Courant entre batteries et charge Courant délivrée par les batteries Courant(A) 20 18 16 14 12 1.095 1.1 1.105 Temps(s) 1.11 1.115 Figure 25 : Courants circulant dans le système (conditions 4.5.3.1-1000W) Courant de charge Courant(A) 24 23 22 21 20 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 Temps(s) 0.85 0.9 0.95 1 Figure 26 : Courant circulant dans la charge (conditions 4.5.3.1-1000W) Dans ce cas, la charge n’est alimentée que par les batteries étant donné que leur tension est supérieure à la tension du pont DC. Donc, le courant délivré par l’éolienne ne sert qu’à alimenter la charge. Tant q u’au courant de charge, il est parfaitement lisse à sa valeur nominale étant donné que la tension de la charge est celle des batteries. Il est alors évident que pour une charge inférieure à 1000W, ce sera encore les batteries qui fourniront la puissance à la charge. Dans le même ordre d’idée, si l’éolienne ne fonctionne pas à sa pleine capacité, ce sera également les batteries qui fourniront la puissance et, par conséquent, le système aura ce même comportement à l’exception de la décharge des batteries plus rapide. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 24 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Charge de 2000W Tension redressée 52 Tension du pont DC Tension de la charge Tension(V) 50 48 46 44 42 0.81 0.815 0.82 Temps(s) 0.825 0.83 Figure 27 : Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.1-2000W) Courant redressé Courant entre pont et batteries Courant entre batteries et charge Courant délivrée par les batteries Courant(A) 40 30 20 10 1.825 1.83 1.835 1.84 Temps(s) 1.845 1.85 Figure 28 : Courants circulant dans le système (conditions 4.5.3.1-2000W) Courant de charge 48 Courant(A) 46 44 42 40 1.52 1.54 1.56 1.58 1.6 1.62 1.64 Temps(s) 1.66 1.68 1.7 1.72 Figure 29 : Courant circulant dans la charge (conditions 4.5.3.1-2000W) Comme dans le cas précédent, la charge n’est alimentée que par les batteries. Le courant délivré par l’éolienne aura tendance à augmenter afin de compenser la décharge plus rapide des batteries étant donné que le courant fourni à la charge est d’environ 45A, soit le double d’une charge de 1000W. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 25 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Essais en charge, éolienne pleine puissance et batteries vides (SOC=10%) Charge de 1000W Tension redressée 48 Tension du pont DC Tension de la charge Tension(V) 46 44 42 40 38 0.825 0.83 0.835 0.84 Temps(s) 0.845 0.85 0.855 Figure 30: Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.2) Courant redressé Courant entre pont et batteries Courant entre batteries et charge Courant délivrée par les batteries Courant(A) 100 0 -100 0.87 0.875 Temps(s) 0.88 0.885 Figure 31 : Courants circulant dans le système (conditions 4.5.3.2) Courant de charge 17.5 Courant(A) 17 16.5 16 15.5 0.71 0.72 0.73 0.74 Temps(s) 0.75 0.76 0.77 Figure 32 : Courant circulant dans la charge (conditions 4.5.3.2) Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 26 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Tension de la batterie 1 Tension(V) 9.6 9.5 9.4 9.3 1.06 1.08 1.1 1.12 Temps(s) 1.14 1.16 1.18 Figure 33 : Tension d'une batterie (conditions 4.5.3.2) Dans ces conditions, il est possible de remarquer que les batteries ne fournissent plus la puissance et qu’il s’agit de l’éolienne qui tente de la fournir. Étant donné que la source utilisée pour simuler l’éolienne peut fournir une puissance infinie, le courant entre le pont et les batteries possède une valeur crête supérieure à 200A. En réalité, la génératrice à aimant permanent ne fournira pas plus de 1500W pour un court laps de temps. Par conséquent, lorsque les batteries sont vides, l’éolienne ne pourra fournir une puissance à la charge et aux batteries. C’est à ce moment que la génératrice auxiliaire sera utile. Dans un tout autre ordre d’idées, il est observable que la tension et le courant de charge possèdent une caractéristique ondulatoire. Par conséquent, lorsque les batteries sont faibles et qu’il y une demande puissance à la charge, la tension et le courant se retrouvent avec un renflement étant donné qu’il s’agit du pont DC qui fournit la puissance. Toutefois, il est très faible, voire même négligeable, avec ses 1.2% sur la tension et le courant. Il n’est donc pas nécessaire d’ajouter un filtre (inductance-condensateur) à la sortie du redresseur pour lisser courant et tension. Le comportement se trouve à être le même pour une charge plus faible. En absence de charge, le comportement du système est semblable à l’exception de l’absence du courant de charge. La puissance générée par l’éolienne est directement transmise aux batteries. Essai éolienne pleine puissance et charge de secours Tension redressée Tension du pont DC Tension de la charge Tension(V) 50 45 40 0.69 0.7 0.71 0.72 Temps(s) 0.73 0.74 Figure 34 : Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.3) Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 27 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Rapport cyclique 1.5 1 0.5 0 -0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Temps(s) 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Figure 35 : Rapport cyclique du MLI (conditions 4.5.3.3) Courant moyen charge de secours Courant(A) 15 10 5 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Temps(s) 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Figure 36 : Courant moyen circulant dans la charge de secours (conditions 4.5.3.3) Puissance moyenne charge de secours Puissance(W) 800 600 400 200 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Temps(s) 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Figure 37 : Puissance moyenne dissipée dans la charge de secours (conditions 4.5.3.3) Bien que la tension délivrée par l’éolienne soit constante durant cet essai, elle aura tendance à diminuer à l’augmentation de la charge. Par conséquent, la tension du pont DC sera appelée à diminuer à l’augmentation du rapport cyclique. La puissance moyenne de la charge de secours est proportionnelle au rapport cyclique, comme le démontre la figure précédente. Elle atteint, dans ce cas, une puissance de 600W. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 28 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Sommaire des essais sur simulateur Suite à ces essais sur simulateur MATLAB : Simulink, il a été possible de constater que l’ajout de filtre à la sortie du redresseur afin de lisser le courant et la tension n’est pas nécessaire étant donné que les batteries font l’interface entre le générateur et la charge. En d’autres mots, les batteries fournissent la puissance à la charge et l’éolienne fournit la puissance aux batteries. Donc si l’éolienne n’est pas à sa pleine capacité, les batteries se déchargeront plus rapidement. Si ces dernières sont vides, la génératrice sera incapable de fournir la puissance demandée par la charge et celle demandée par les batteries. Alors, l’ajout d’une source d’énergie auxiliaire permettra de fournir une puissance à la charge malgré l’absence de vent. 3.2.1 Développement du programme du dsPIC La méthode choisie pour l’asservissement de l’éolienne se fera à partir d’un microcontrôleur dsPIC de Microchip. Celui-ci est amené sous la forme d’une puce électronique multibroche pouvant facilement s’interfacer sur une plaque à circuit imprimé. Le nombre de broches varie selon le nombre d’entrées/sorties requis pour faire l’interfaçage des différents éléments de mesure et d’opération. Étant donné le nombre élevé de pattes de branchement sur le contrôleur, une plaquette de développement, montré à la figure 4, comprenant deux emplacements a été achetée. L’intérêt d’une telle carte est qu’elle englobe les différents éléments de connexion avec la puce, facilitant ainsi les manipulations et les branchements. Il est possible d’installer deux contrôleurs différents sur cette même carte. Figure 38 : Plaquette de développement Avec cette particularité, il est possible de diviser la charge sur deux puces. Celui de gauche peut servir surtout pour la gestion de moteur, car il possède des sorties de type MLI. Le second peut servir surtout pour des applications de type général. Il y a plusieurs façons de définir l’état des entrées/sorties. Chaque patte peut être configurée comme étant une entrée analogique, discrète, interruption ou sortie moteur. Ceci rehausse le nombre de possibilité de fonctionnement et de branchement. Des boutons, un potentiomètre et une thermistance sont soudés directement sur la plaquette de montage, permettant ainsi de faire quelques essais rapidement sans brancher d’éléments externes. De plus, sur cette plaque, un afficheur à cristaux liquide est installé. Celui-ci permet d’afficher des paramètres préétablis dans la programmation. Finalement, des ports de communication sont mis à la disposition de l’utilisateur pour permettre les différents transferts de données séries entre d’autres périphériques. Une autre particularité de ce contrôleur est le langage de programmation. Il se présente sous la forme du langage « C ». La plupart du temps, le type de programmation se fait sous la Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 29 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie forme de code assembleur, plus complexe et moins connu par la plupart des utilisateurs. Le langage « C », au premier coup d’œil, est plus facile et convivial à programmer. 3.3 Éléments de conception 3.3.1 Schématique de câblage, unifilaire et schéma de disposition Tout d’abord, la schématique de câblage global présenté dans l’annexe A comprend toutes les composantes du système final : • Éolienne • Onduleur • Pont de diodes triphasé • Disjoncteurs • Résistance à grande puissance pilotée • Diodes • Banc de batteries • Relais Le dimensionnement de toutes ces composantes sera présenté dans les points suivants. Un unifilaire de tous les éléments ainsi qu’une schématique de câblage «contrôle» sont également fournis dans l’annexe A. 3.3.2 Dimensionnement des composantes physiques 3.3.2.1 DIMENSIONNEMENT DES CABLES Premièrement, le dimensionnement des câbles d’alimentation est une partie très importante pour le meilleur transfert de puissance possible ainsi que pour une sécurité optimale. En effet, les câbles mal dimensionnés chauffent et limitent le passage du courant, un peu comme une résistance. L’équation suivante est formulée avec la valeur de la puissance maximale de charge et sa tension correspondante. Ces paramètres ont été calculés dans le pire des cas pour que les câbles puissent soutenir ces situations. À une telle puissance, la tension minimale sera de 56V. La tension minimale est prise pour donner un courant maximal. Le courant délivré par l’alternateur à aimants permanents est calculé selon la relation de courant d’un redresseur en pont triphasé à diodes. I occ ,max = 1500W 2 = 26.8 A ; I s ,eff = I occ = 21.88 A 56V 3 Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 30 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Selon l’article 28-106 du code canadien de l’électricité, "les conducteurs de dérivation alimentant un moteur utilisé en service continu doivent avoir un courant admissible d’au moins 125% du courant nominal à pleine charge du moteur". Câble d’alimentation du pont triphasé 1.25 × 21.88 = 27.35A Selon le tableau 2 ou le tableau 4: #10/3 type RW90 Cu ou #8/3 Al RW90 (prendre le moins cher) Ce câble a un courant admissible de 30A Câble de distribution de la tension continue 1.25 × 26.8 = 33.50A : #8/3 type RW90 Cu ou #6/3 Al RW90 Ce câble a un courant admissible de 40A Câble d’alimentation de la résistance P 1500 = = 20.7 A 3.5 R 1.25 × 20.7 A = 25.9 A I= #10/3 type RW90 Cu ou #8/3 Al RW90 Ce câble a un courant admissible de 30A 3.3.2.2 DIMENSIONNEMENT DES PROTECTIONS Selon l’article 14-104 du code canadien de l’électricité, "le courant nominal ou réglage des dispositifs de protection contre les surintensités ne doit pas être supérieur au courant admissible des conducteurs ou de l‘appareillage qu’il protège". Dans la dérivation de courant continu, les conducteurs sont de #8 en cuivre. Ces conducteurs ont un courant admissible de 40A. Les dispositifs de protection ont été finalement placés du côté du pont en courant continu, car, en cas de défaut, l’éolienne aurait été délestée de toutes charges et de tout contrôle. Cela peut être très dangereux lors de vents violents, car celle-ci ne rencontrerait aucune résistance. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 31 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Par la suite, un système de protection enclenchant une résistance de 3.5ohms a été conçu. Étant donné que ce système est développé pour la protection du système global, ce contrôle est entièrement électromécanique. Les conditions suivantes doivent être respectées sinon le relais d’urgence est enclenché : • Le système électronique fonctionne correctement • L’arrêt d’urgence n’est pas enclenché • Le bouton JOG du frein n’est pas en fonction • Le disjoncteur est à l’état ON *Voir schéma trifilaire pour l’utilisation du relais. Figure 39 : Schéma de fonctionnement de la protection 3.3.2.3 DIMENSIONNEMENT DE LA RESISTANCE DE FREINAGE Vdc ,max = 60V V2 602 = = 3.6Ω R= P 1000W Selon les résistances disponibles sur le marché, une résistance de 3.5 ohms à 1000W était disponible. Donc en freinage, cette résistance est la meilleure, car elle prend toute la puissance que le générateur peut fournir. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 32 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 3.3.2.4 CHOIX DU MOSFET DE PUISSANCE Résistance est de 3.5 Ω , 1000 W Emax = 60Vdc I= 60V = 17.14 A 3.5Ω En théorie, le MOSFET devrait pouvoir supporter environ 17.14A qui est le courant maximal délivré par l’alternateur. Le MOSFET devra être «surface mount» pour des raisons d’ergonomie et de fiabilité. Celui disponible sur le marché et le plus petit est un IXFN180N25T bien que ses spécifications techniques sont largement supérieures à celles requises. Tableau 8: Spécifications techniques du MOSFET Paramètre Valeurs Vdss 250 V ID (25ºC) 155 A Rds(ON) ≤12,9mΩ tr≤ 200ns ≤ 200ns s Figure 40: Schématique et physique du MOSFET de puissance 3.3.2.5 DIMENSIONNEMENT DE LA DIODE DE ROUE LIBRE DE LA CHARGE DE SECOURS Le logiciel «Simulink/SimPower Systems» a été utilisé afin de vérifier le courant passant dans la diode de roue libre connectée en parallèle avec le MOSFET. Étant donné qu’il s’agit de phénomènes transitoires, ce logiciel a permis de résoudre ce dimensionnement. La figure suivante montre le montage du circuit reproduit fidèlement dans le logiciel en question. La programmation sera expliquée dans la partie V.4.5 du document. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 33 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Figure 41: Montage pour le dimensionnement de la diode de roue libre Le courant dans la diode est le plus élevé lorsque le rapport cyclique du MLI est à 50%. En effet, le rapport cyclique est à 0%, le courant dans la diode est nul et si le rapport cyclique est à 100%, la charge reste toujours alimentée donc il n’y aura aucun courant dans la diode de roue libre. La figure suivante montre les tensions et courants présents dans ce circuit à un rapport cyclique de 50%. 50 0 -50 0.1 0.1004 0.1005 0.1001 0.1002 0.1004 0.1005 20 10 0 0.1 0.1001 0.1002 0.1004 0.1005 20 10 0 0.1 0.1001 0.1002 0.1004 0.1005 Tension(V) 0.1002 Courant(A) 0.1001 Courant(A) Signal Entrée MLI du MOSFET 1.5 1 0.5 0 -0.5 0.1 0.1003 Temps(s) Tension aux bornes de la charge 0.1003 Temps(s) Courant de la charge 0.1003 Temps(s) Courant dans la diode 0.1003 Temps(s) Figure 42:Comportement du circuit de la charge de secours Suite à des calculs de traitement de signal, le courant maximal et moyen traversant la diode sont I diode ,moy = 3.4010 A ; I diode ,max = 11.1319 A Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 34 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie La tension maximale inverse sur la diode est de 56V, dans le pire des cas. Donc, la diode disponible est une 12FLR100 dont les spécifications techniques sont les suivantes. Tableau 9: Spécifications de la diode de roue libre Paramètres IF(AV) VRRM 3.3.2.6 Valeurs 12 A 1000 V REDRESSEUR EN PONT TRIPHASE A DIODES AVEC SON DISSIPATEUR DE CHALEUR Redresseur triphasé Les paramètres minimums à considérer pour le dimensionnement d’un pont de diode triphasé sont la tension inverse aux bornes des diodes et le courant traversant les diodes. Tension inverse = ELL = 35V Courant dans chaque diode= I 0cc 28.3 = = 9.43 A 3 3 Le pont triphasé disponible sur le marché satisfaisant ce dimensionnement est le VUO80-08NO1- ND. Tableau 10 : Spécifications du redresseur en pont triphasé à diodes Paramètres Valeurs Idavm 82 A Vrrm 800 V Figure 43: Schématique et physique du redresseur triphasé à diodes Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 35 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Dissipateur de chaleur Selon la dissipation de chaleur provoquée par le redresseur triphasé illustré à la figure suivante, il est possible de remarquer que la puissance dissipée dans le pont est de 50W à 30A. À 30A, le pont peut opérer à une température de 130oC Figure 44:Puissance dissipe du redresseur en fonction du courant Figure 45: Température tolérée du Selon la figure de droite, le dissipateur de chaleur requis redresseur en fonction du courant traversé pour le redresseur triphasé est un 421A digikey 345-1047-ND. Avec ce type de dissipateur, lors d’une perte de puissance de 50W, il y a augmentation de 550C par rapport à la température ambiante. Par exemple, dans les pires cas au Québec, s’il fait 400C à l’extérieur, le redresseur sera à une température de 950C. Il n’y aura pas de problème, car celui-ci, à 30A, peut opérer à une température de 1300C Figure 46: Choix du dissipateur de chaleur 3.3.2.7 DIMENSIONNEMENT DES DIODES DE PUISSANCE Les diodes ont été calibrées selon le courant admissible maximal dans les câbles qui est de 40A. Les diodes choisies sont du 1N1184A où le courant admissible est de 40A et la tension inverse maximale est de 100V. Cette tension est amplement suffisante pour une tension maximale du système qui est de 56V. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 36 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 3.3.2.8 DIMENSIONNEMENT DE L’ALIMENTATION 5V ET 12V Étude de sensibilité des équipements Dans le but de choisir les alimentations à découpage afin d’alimenter les équipements dont la tension d’alimentation est de 12V et 5V, une analyse de sensibilité de l’alimentation des équipements ainsi qu’une analyse des puissances consommées doivent être réalisées. Alimentation 5V Tout d’abord, le tableau suivant démontre l’analyse de sensibilité des équipements alimentés au 5V. Tableau 11 : Sensibilité des équipements branchés sur le 5V Équipements Sensibilité dsPIC30F4013 4.5 à 5.5V Ampli op OPA4251 -15 à 15V Ampèremètre CSLH3A45 4.5 à 10.5V Limite de fonctionnement 4.5 à 5.5V Par la suite, un bilan de puissance consommée est présenté au tableau ci-dessous. Tableau 12: Bilan de puissance de l'alimentation 5V Équipements Puissance consommée dsPIC30F4013 2*1.5W = 3W Ampli op OPA4251 50mW Ampèremètre CSLH3A45 55mW Optocoupleur 4N33 250mW Puissance consommée totale 3.4W Par conséquent, l’alimentation 5V doit être capable de fournir 3.4W avec une plage de tension de sortie inférieure à la limite spécifiée dans le premier tableau soit, 4.5 à 5.5V. L’alimentation choisie est le KA7805 qui peut recevoir entre 7 et 20V, fourni une puissance maximale de 15W et a une plage de tension de sortie de 4.75 à 5.25V dans les pires conditions de fonctionnement. Ces valeurs répondent à celles spécifiées ci-haut. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 37 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Alimentation 12V Tableau 13: Sensibilité des équipements branchés sur le 12V Équipements Sensibilité Pilotage du MOSFET TC4420 4.5 à 18V Optocoupleur TLP2200 4.5 à 20V Relais LY2 11.4 à 12.6V Relais Z1051ND 10.8V à 13.2V Alimentation 5V 7V à 20V Limite de fonctionnement 11.4 à 12.6V Le tableau suivant présente le bilan de puissance consommée des équipements branchés sur 12V. Tableau 14 : Bilan de puissance de l'alimentation 12V Équipements Puissance consommée Pilotage du MOSFET TC4420 730mW Optocoupleur TLP2200 25mW Relais LY2 0,9W Relais Z1051ND 1,9W*2=3.8W Alimentation 5V 3.4W Puissance consommée totale 8.9W Remarques : le multiplicateur 2 est présent pour illustrer l’ajout d’un troisième contacteur pour l’onduleur. Suite à ces analyses, l’alimentation 12V doit être dimensionnée pour fournir une puissance minimale de 9W dans une plage de tension de sortie inférieure à celle spécifiée dans la limite de fonctionnement (11.4 à 12.6V). L’alimentation choisir est une alimentation à découpage LW020B871 qui peut fournir une puissance de 20W dans une plage de tension de sortie de 11.64 à 12.36V. Ces spécifications satisfont celles demandées ci-haut. Figure 47 : Régulateur de tension 48V- 12V Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 38 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Système d’alimentation globale Pour assurer un branchement efficace de toute l’électronique comprise dans le système, un circuit d’alimentation complet a été conçu. Celui-ci comprend les différentes tensions nécessaires au bon fonctionnement des éléments. Ce circuit sera alimenté directement à partir du banc de batteries 48v et abaissera la tension en deux niveaux distincts, soit 12v et 5v. Ces deux tensions de sorties sont réalisées avec une alimentation à découpage 48v-12v (Lucent LW020B81) et un régulateur de tension 12v-5v (LM2940). Aussi, il est à noter que l’électronique du système de mesure comprend des tensions analogiques. Cette tension de référence est créée à partir de la tension 5v présente sur le circuit d’alimentation. De plus, un système de filtration capacitif doit être installé sur chaque pièce pour filtrer les oscillations possible de tension. Chaque condensateur a été dimensionné selon la fiche technique de chaque fabricant. La protection est composée d’un fusible et d’une diode Zener pour limiter le courant de court-circuit ou les surtensions pouvant survenir sur le système. La figure suivante présente le circuit d’alimentation complet. Figure 48 : Système d'alimentation complet Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 39 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 3.3.3 Conception et programmation des différents appareils de mesure 3.3.3.1 IMPLANTATION DU MICROCONTROLEUR ET SES DIVERSES ENTREES/SORTIES Le microcontrôleur offre une panoplie de configuration au niveau des entrées/sorties. Il est donc possible, selon une programmation, d’activer les broches de celui-ci en entrée ou en sortie. De plus, il est même possible de les convertir en traitement numérique ou analogique. Il est possible d’apercevoir les possibilités de configuration ci-dessous. Figure 49: Schématique des possibilités de configuration d’entrée/sortie du contrôleur Voici une description des types d’entrées/sorties disponible sur le contrôleur. Tableau 15 : Tableau des types d’entrée/sortie Nom RAx/RBx/RCx/RDx/REx/RFx ANx OSCx INTx OCx SD01/SK01 UA2xX Vdd/Gnd Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Type d’entrée/sortie Entrée/sortie discrète Entrée analogique Entrée de l’oscillateur système Entrée d’interruption Sortie « output compare » Lien SPI pour envoi des données à l’affichage Réception et transmission de données externes Tension et masse du système P a g e | 40 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Pour le projet, voici la disposition des broches choisies et leur fonction. Figure 50 Schéma de câblage du microcontrôleur Le projet comporte un bon nombre d’entrée / sortie. Le tableau suivant présente la liste complète des différents éléments à raccorder au microcontrôleur. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 41 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Tableau 16: Liste des entrées/sorties du microcontrôleur Description Activation relais onduleur Démarrage de la génératrice Relais 3 Libre DEL 1 DEL 2 DEL 3 DEL 4 DEL 5 Encodeur vitesse du vent Encodeur vitesse de rotation du rotor Bouton changement de page de l’afficheur Bouton 2 Bouton 3 Tension pont courant continu Courant pont courant continu Potentiomètre Libre Libre Sortie MLI Interface d’entrée pour réception de données Interface d’entrée pour transmission de données Type Broche Nom des entrées/sorties Sortie discrète 7 RB5 Sortie discrète 30 RF0 Sortie discrète 29 RF1 Sortie discrète 5 RB3 Sortie discrète 10 RB8 Sortie discrète 38 RB9 Sortie discrète 37 RB10 Sortie discrète 36 RB11 Sortie discrète 35 RB12 Entrée discrète 17 INT0 Entrée discrète 23 INT1 Entrée discrète 34 RD0 Entrée discrète 33 RD1 Entrée discrète 18 RD9 Entrée analogique 2 AN0 Entrée analogique 3 AN1 Entrée analogique 4 AN2 Entrée analogique 5 AN3 Entrée analogique 6 AN4 Sortie analogique 19 OC4 Entrée Uart 28 UA2RX Sortie Uart 27 UA2TX L’oscillateur système sert à déterminer la vitesse d’opération du microcontrôleur. Il est composé d’un cristal préréglé à une fréquence fixe de 7.3728 MHz. Il est possible de voir ci-dessous la configuration de son schéma de câblage. Figure 51 : Intégration de l'oscillateur système La filtration se fait à l’aide de condensateur dimensionné à partir de la fiche technique du fabricant. Chaque entrée de tension possède son condensateur pour limiter les fluctuations de tension. Aussi, un bouton de mise à zéro est installé pour remettre le système à ses conditions initiales. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 42 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 3.3.3.2 CONCEPTION ET PROGRAMMATION DE L’ANEMOMETRE Le but premier de l’intégration de l’anémomètre avec le contrôleur est de ressortir les valeurs minimales et maximales de pulsation pouvant être transmises par cet encodeur. Les limitations de l’appareil de mesure sont de 120 miles/heure, soit 200 km/heure. Cela représente donc des impulsions maximales de 50 pulses/sec, soit 50 Hz. Cette contrainte ne présente aucun problème pour le microcontrôleur, car celui-ci présente une grande vitesse d’exécution. Premièrement, il faut connaître la fréquence du cristal. Ce cristal sera le principal facteur influent sur la vitesse du contrôleur. Cette fréquence sera directement liée au temps du temporisateur #4 et 5. Ce temporisateur servira, selon une période prédéfinie, à comparer le temps entre deux impulsions. Chaque pulse reçu par l’encodeur installé dans l’anémomètre déclenchera une interruption spontanée dans le programme. Cette interruption a comme impact de transférer la routine d’exécution principale à une sousroutine d’interruption permettant le traitement des impulsions. Une fois ce traitement terminé, le programme retourne à routine habituelle. Le rôle de la sous-routine est d’effectuer quelques opérations mathématiques qui déterminent le nombre de cycles entre deux impulsions. La méthode utilisée pour déterminer le nombre de cycles est d’utiliser deux temporisateurs en cascade. La fonction d’un temporisateur est d’incrémenter une valeur stockée dans un registre à chaque cycle d’horloge. À chaque impulsion, la valeur du registre du temporisateur est comparée à la valeur du registre précédent, ce qui donne directement le nombre de cycles d’horloge entre deux impulsions. Avec cet intervalle, une conversion déterminera directement la vitesse du vent. Cette conversion est citée cidessous : ¾ Vitesse du vent (m/s) = 1.111 * Fréquence système / nombre d’oscillations système entre deux impulsions de l’anémomètre 2.5miles / h 4 km / h 4 km * s 1h 1000m * * = ⇒ 1Hz = 1s −1 ⇒ = 1.1111m Hz Hz h s 3600 1km ¾ Constante : ¾ Fréquence système : Fréquence du cristal * PLLx8/4 = 7.3728 * 8 /4= 14.74Mhz = 67ns ¾ Intervalle de temps entre deux impulsions : Valeur deuxième impulsion - valeur première impulsion (données sans unité) Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 43 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Les figures suivantes démontrent le fonctionnement de la détection de la vitesse du vent ainsi que le schéma de câblage de l’anémomètre. Figure 52 : Schéma de câblage de l’anémomètre Figure 53: Démonstration du fonctionnement de la détection de la vitesse des vents 3.3.3.3 CONCEPTION ET PROGRAMMATION DU FREQUENCEMETRE L’installation d’un fréquencemètre sur le système permet de connaitre exactement la vitesse du rotor à tout instant. L’éolienne étant conçue pour tourner à une vitesse maximale de 500 rotations par minute, il est donc essentiel de mesurer cette vitesse, limitant ainsi les bris matériels qui peuvent être créés si cette vitesse est dépassée par quelconque événement. L’appareil de mesure conçu qui sera connecté au contrôleur est composé d’un redresseur mono-alternance, de diodes Zener et résistances, limitant la tension et courant injecté sur la diode de l’optocoupleur, et d’un coupleur optique se chargeant d’interface entre la tension alternative et la tension continue nécessaire à la mesure du microcontrôleur. Une onde carrée à fréquence variable sera assurée par un transistor qui agit comme un commutateur. Ce signal sera traité par le microcontrôleur. Conception du fréquencemètre Le principe utilisé pour ce système se base sur la fréquence de l’onde générée par l’éolienne, sachant qu’elle est directement proportionnelle à la vitesse de rotation du rotor. Plus précisément, à chaque passage à zéro de la tension sinusoïdale, une onde carrée à fréquence égale et à une amplitude de 5V est créée. Par la suite, le microcontrôleur compte le temps entre deux pulses, résultat de la vitesse de rotation. Selon une liste très étendue de diode Zener disponible pour le prototypage du fréquencemètre, le choix s’est arrêté sur une diode Zener de 68V comme filtre de surtension et une diode de 20v, pour éliminer toute tension inférieure causant des erreurs de lecture. Les calculs seront faits à partir de cette valeur. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 44 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Calcul de la résistance de protection minimale pour la diode de l’optocoupleur (4N33) : Selon les caractéristiques de la diode de l’optocoupleur, Vdiode= 1.2V et If = 80mA. Pour rester dans les limites acceptables d’opération, prenons If = 30mA pour le dimensionnement de R. Rdiode = Vzener − Vdiode 20 − 1.2 = = 630 ≈ 800Ω 0.030 If Calcul de la résistance et du condensateur pour le filtre passe-bas : Pour éviter les erreurs de lecture de tension, un filtre passe-bas composé d’une résistance et d’un condensateur à la sortie du système de mesure a été installé. Ce circuit R-C a été dimensionné selon une valeur de résistance prise par défaut et une fréquence maximale d’opération voulue, soit 100Hz. La valeur de la résistance f= choisie est 10kΩ. Le calcul s’est effectué comme suit : 1 1 1 ⇒C = = = 159nF ≈ 150nF 2π RC 2π Rf 2π *10k *100 Figure 54 : Schéma de câblage du fréquencemètre Programmation du fréquencemètre Le calcul de la vitesse de rotation se fait de la même manière que la mesure de la vitesse du vent précédemment montré. Une deuxième routine d’interruption est utilisée pour calculer cette vitesse. Chaque pulse reçu par le circuit déclenche, lui aussi, une interruption spontanée. Cette interruption a comme impact de transférer la routine d’exécution principale à une sous-routine d’interruption permettant le traitement des impulsions. Une fois ce traitement terminé, le programme retourne à routine habituelle. Le rôle de la sous-routine est d’effectuer quelques opérations mathématiques qui déterminent le nombre de cycles entre deux impulsions. La méthode des deux temporisateurs est utilisée pour déterminer le nombre de cycles. À chaque impulsion, la valeur du registre du temporisateur est comparée à la valeur du registre précédent, ce qui donne directement le nombre de cycles d’horloge entre deux impulsions. Avec cet intervalle, une conversion déterminera directement la vitesse de rotation de l’alternateur. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 45 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Voici l’équation de base qui détermine la vitesse de rotation du rotor de l’alternateur : Nr (rot / min) = 120 f p Avec cette équation, il est possible d’instaurer la formule suivante dans le microcontrôleur : ¾ Vitesse du rotor (RPM) = 12 * Fréquence système / nombre d’oscillation système entre deux impulsions de l’anémomètre 120 120 ¾ Constante : = = 12 nb de pôle 10 ¾ Fréquence système : Fréquence du cristal * PLLx8/4 = 7.3728 * 8 /4= 14.74Mhz = 1/67ns ¾ Intervalle de temps entre deux impulsions : Valeur deuxième impulsion - valeur première impulsion (données sans unité) Figure 55: Démonstration du fonctionnement de la détection de la vitesse de rotation du rotor de l’alternateur 3.3.3.4 CONCEPTION ET PROGRAMMATION DE L’AMPEREMETRE Conception de l’ampèremètre L’installation d’un senseur de courant sur le pont à courant continu permet de mesurer le courant qui circule. Avec cette mesure, il sera possible de calculer la puissance consommée par la charge et les batteries. La méthode utilisée pour mesurer ce courant est d’installer un senseur à effet hall. Ce senseur de marque « Honeywell CSLH3A45» peut mesurer un courant maximal de ±45A et présente une sensibilité de 20mV/A. Sa tension de sortie est de 0-5V avec un point central de 2.5V, présentant un courant de 0 A. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Figure 56 : Courant mesuré versus tension contrôleur avant conversion P a g e | 46 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Étant donné que la sensibilité est basse, posant problème de précision lors de petites fluctuations de courant, et que le courant négatif n’est pas nécessaire pour ce présent projet, un circuit adaptatif doit être conçu. Il est donc impératif d’installer un circuit d’adaptation qui a la principale fonction de soustraire la tension centrale de 2.5 V pour retirer les courants Figure 57: Courant mesuré versus tension contrôleur après négatifs non désirés et d’amplifier la tension de sortie conversion par 5 pour augmenter le degré de précision et la sensibilité à 100mV/A. Pour régler ce problème, des amplificateurs opérationnels (OPA4251) ont été utilisés. Pour soustraire la tension de 2.5V et amplifier le signal par un gain de 5, la solution proposée est d’installer un ampli opérationnel soustracteur/amplificateur. Avec un jeu de résistance approprié, il est possible de soustraire une tension et par le fait même d’amplifier un signal avec un gain déterminé. L’équation de l’amplificateur soustracteur avec amplification se définit comme suit : UQ = (UE2-UE1) * RG / R Selon cette équation, les résistances choisies sont celles-ci ¾ Diviseur de tension pour le 2.5v à soustraire (UE1) : 2 x 100 kOhms 5V * ¾ Soustracteur et amplificateur : 2 x 3kOhms (R) et 2 x 15 kOhms (RG) 100kΩ = 2.5V 100kΩ + 100kΩ Ces valeurs élevées de résistances ont été choisies pour limiter le courant circulant dans chaque circuit. Des amplificateurs suiveurs (non-inverseurs) ont été installés entre chaque tension d’entrée UE1 et UE2 pour l’adaptation d’impédance. Ils présentent un gain positif de 1. Ceux-ci sont installés pour ne pas nuire aux valeurs calculées de résistances pour l’amplificateur soustracteur. Aussi, un amplificateur suiveur a été installé la sortie de système de conversion pour ne pas nuire à l’impédance d’entrée vue par le microcontrôleur. Il est possible d’apercevoir le circuit de conversion complet et le schéma de câblage ci-dessous. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 47 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Figure 58: Circuit de conversion de la tension du senseur de courant Figure 59 : Schéma de câblage du circuit adaptateur Programmation de l’ampèremètre L’entrée du microcontrôleur reçoit la valeur analogique de tension 0-5V et la convertie en valeur numérique avec une résolution de 12 bits, soit un équivalent de 0 - 212 ou 0 - 4095. Selon la valeur mesurée et stockée dans un registre, le contrôleur calcule la valeur du courant équivalent. L’équation est présentée cidessous : Courant mesuré = valeur du régistre *5V *10 4095 Cette équation représente la fraction de la tension maximale mesurable, soit 5V, et multipliée par 10 pour la conversion de la tension en courant. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 48 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 3.3.3.5 CONCEPTION ET PROGRAMMATION DU VOLTMETRE Conception du voltmètre Le voltmètre est aussi un élément essentiel lors du calcul de puissance consommée par la charge sur le pont courant continu. La méthode utilisée pour mesurer la tension sur le bus est un diviseur de tension résistif simple. Il suffisait donc de trouver des valeurs de résistance idéales pour ne pas dépasser le seuil maximal tolérable par l’entrée du microcontrôleur, soit environ 5.2 V. Pour une tension mesurable maximale sur le pont de 60 V, il fallait trouver un Figure 60 : Tension mesurée sur le pont versus tension ratio de résistance d’environ 1/12. contrôleur Pour la conception d’un tel système, un diviseur de tension a été utilisé. Pour trouver un ratio de résistance équivalent qui totalisera 12, il fallait utiliser un jeu de résistances adéquat. L’équation du diviseur de tension se définit comme suit : ¾ Diviseur de tension pour obtenir un ratio de 12 (environ) : 1 x 47kOhms et 1 x 4.3kOhms 4.3kΩ + 47kΩ = 11.93 ≈ 12 47kΩ ¾ Exemple de tension mesurable (tension de pont c. c. de 57.6V) 57.6V / 11.93 = 4.83V De plus, l’utilisation de résistances avec valeur ohmique élevée est suggérée pour diminuer le courant circulant dans un tel circuit. Aussi, l’utilisation de deux diodes avec point central en parallèle avec la sortie du diviseur de tension permet de limiter la tension de sortie à 5V. En prenant de telles précautions, si une surtension survient sur le pont c. c., le diviseur de tension saturerait au alentour de cette tension, limitant ainsi les bris occasionnés aux bornes du microcontrôleur. De plus, le système est couplé à un amplificateur opérationnel connecté en suiveur servant à ne pas modifier l’impédance d’entrée vue par le microcontrôleur. Il est possible d’apercevoir le schéma de câblage ci-dessous. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 49 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Figure 61: Schéma de câblage du voltmètre Programmation du voltmètre Une seconde entrée du microcontrôleur reçoit la valeur analogique de tension 0-5V et la convertie en valeur numérique avec une résolution de 12 bits, soit un équivalent de 0 - 212 ou 0 - 4095. Selon la valeur mesurée et stockée dans un registre, le contrôleur calcule la valeur du courant équivalent. L’équation est présentée ci-dessous : Tension mesurée = valeur du régistre *5V *11.93 4095 Cette équation représente la fraction de la tension maximale mesurable, soit 5V, et multiplié par 11.93 pour la conversion de la tension mesurée du contrôleur en tension mesurée du pont courant continu. 3.3.3.6 CONCEPTION DES SORTIES RELAIS Des sorties relais sont installées pour activer/désactiver des éléments externes au système de contrôle. Ces éléments sont le démarrage de la génératrice, l’activation de l’onduleur, etc. Un relais est un élément électromagnétique qui ferme ou ouvre un contact lorsque la bobine est alimentée demande un courant et une tension dont le microcontrôleur ne peut fournir. Il faut donc un circuit d’interfaçage pour adapter ceux-ci. Ce circuit se comporte d’un Mosfet et d’une diode de roule libre étant donné que le relais se présente comme une Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 50 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie inductance. Le tout peut être alimenté à la tension désirée selon les caractéristiques du relais choisi. Le circuit est présenté ci-dessous. Figure 62 : Schéma pour l'activation d'un relais 3.3.3.7 CONCEPTION ET PROGRAMMATION DU PILOTAGE DU MOSFET Conception du pilotage du mosfet Pour la conception du système de pilotage, un photo coupleur haute vitesse (TLP2200) pour isoler le système du microcontrôleur et un pilote de « MOSFET » (TC4420) ont été utilisés. L’utilisation de pièces haute vitesse est utilisée, car la fréquence de fonctionnement du système tourne aux alentours des 30kHz. Cette fréquence a été choisie pour limiter la nuisance sonore du système et la puissance dissipée par le « MOSFET ». Le choix des différents condensateurs sur le circuit a été choisi selon le manufacturier pour filtrer les tensions d’alimentation. La résistance de 300 ohms à l’entrée du photo coupleur a été dimensionnée selon le courant maximal admissible dans la diode de celui-ci, soit 5mA. La tension de sortie du contrôleur étant de 5V, la résistance minimale est de R = V / I = 5 / 5 x10 −3 = 100Ω . La tension d’alimentation du pilote de « MOSFET » est de 12V, car cette tension est la valeur minimale de fonctionnement de la grille du « MOSFET ». Il est possible d’apercevoir le schéma de câblage ci-dessous. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 51 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Figure 63:Schéma de câblage du pilotage du MOSFET Programmation du pilotage du mosfet Le microcontrôleur comporte plusieurs sorties de type « output compare (OCx) » conçu pour ce type d’application. Pour déterminer la fréquence à laquelle le « MLI » devra fonctionner, un temporisateur dédié est utilisé. Sa période est réglée par rapport à la fréquence choisie. À chaque fois que le temporisateur (TMR) atteint sa valeur maximale, une interruption est provoquée et la valeur du rapport cyclique (OCxRS) (valeur entre 0 et 1) est mise à jour. Si cette valeur est constante, le temps de conduction reste inchangé. Si cette valeur change, le temps de conduction est mise à jour à chaque interruption. Période du temporisateur choisie pour une fréquence de 30kHz : ¾ Fréquence MLI = Fréquence système / nombre de cycle pour déterminer la période du temporisateur ¾ Nb. de cycle = 14.74 MHz / 30000 Hz = 491.33 Donc le temporisateur aura une durée de 491.33 cycles. Cette valeur équivaut donc a 32.9 μs, soit une fréquence de 30kHz. La figure suivante démontre le comportement d’un tel système. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 52 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Figure 64: Diagramme du comportement du MLI 3.3.4 Logique de contrôle La mise en marche du système s’effectue en retirant l’arrêt d’urgence. Par la suite, le microprocesseur commence la prise de mesure pour connaître la situation du procédé. Lors de présence de charge, les batteries doivent être capables de fournir à la demande. Premièrement, la présence de vent est vérifiée. Si le vent souffle convenablement, le contrôleur met la séquence de charge de batterie en marche. Ensuite, s’il y a présence de charge, la prise de mesure est recommencée afin de toujours être en connaissance de l’environnement afin d’agir s’il survient un changement. Dans l’hypothèse de fort vent et qu’aucune charge n’est présente et les batteries sont pleines, il est important de ne pas laisser l’éolienne tourner à vide, car celle-ci risque de s’emballer. Dans ce cas, une charge variable est ajoutée par pulsation de la résistance de 1KW. Ensuite, en l’absence de vent, l’état des batteries doit être constamment vérifié pour éviter la perte d’alimentation. Lorsque les batteries seront vides, il sera important d’enclencher le relais de protection de l’onduleur afin de séparer la génératrice de l’onduleur. Par la suite, le microprocesseur démarre la séquence de démarrage du système de secours. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 53 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Cette logique est présentée dans le logigramme présenté à la page suivante. Figure 65 : Logigramme du système global Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 54 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 3.3.5 Conception et programmation de l’affichage à cristaux liquides 3.3.5.1 CONCEPTION DU CIRCUIT DE BRANCHEMENT DE L’AFFICHAGE ACL Le but de l’installation d’un affichage à cristaux liquides directement sur la façade du boitier de contrôle est d’informer l’opérateur de toutes les informations pertinentes du système de génération d’énergie. Il est possible entre autres d’apercevoir sur celui-ci des données comme la tension et le courant du pont c. c. en volt et en ampère ainsi que la vitesse du vent en mètre par seconde et la vitesse du rotor en rotation par minute. De plus, il sera possible d’apercevoir la puissance générée par l’éolienne en watt ainsi que les kilowattheures fournis jusqu’à maintenant. L’afficheur Figure 66: Affichage ACL utilisé (MDL-16465) dispose de quatre lignes horizontales comprenant seize caractères chacune et d’un rétro-éclairage à diodes électroluminescentes. Quatre informations seront affichées simultanément et l’opérateur pourra changer de page d’affichage à l’aide d’un bouton poussoir. Pour commander l’affichage de celui-ci, un second microcontrôleur dédié (dsPIC30f12) de plus petite taille (18 broches) est utilisé. Une des raisons pour lequel l’installation d’une deuxième puce pour l’affichage a été pensée est que le microcontrôleur principal dispose déjà d’un nombre élevé d’entrées/sorties utilisées, ce qui rend plus complexe la connexion de l’affichage ACL. Celui demande sept broches pour son branchement. Celles-ci se composent essentiellement de quatre broches pour les données, une broche (RS) pour la sélection du registre, une broche (E) pour entrée/sortie activée ainsi que R/W pour sélectionner le mode écriture ou lecture des registres. Aussi, il est possible de régler le contraste ainsi que l’intensité du rétro éclairage. Ceci est possible grâce à l’installation de potentiomètre de 10kΩ en série avec l’alimentation. Une des particularités de l’alimentation principale de l’afficheur est qu’il nécessite une tension négative de -5v, ce qui pose problème dans des circuits disposant seulement de tensions positives. Pour remédier à la situation, une puce (TC7660) qui inverse la tension d’entrée a été implantée. Pour l’affichage des caractères, les données se transigent parallèlement sur un bus à 4 bits. L’information envoyée du microcontrôleur principal se fait de façon série par protocole SPI, une technologie propriétaire à la compagnie Microchips sur les broches SDI1 et SCK1. Le second contrôleur se charge de convertir ces données série en données parallèles sur les broches à cet effet. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 55 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Figure 67 : Schéma de branchement du second microcontrôleur pour afficheur ACL Figure 68 : Schéma de branchement de l'afficheur ACL ainsi que l'inverseur de tension 3.3.5.2 PROGRAMMATION DE L’AFFICHEUR ACL L’afficheur ACL est compatible avec des caractères de type ASCII. Ceci signifie donc qu’il faut convertir toutes les données traitées dans le microcontrôleur à ce type de valeur. Tout se fait automatiquement si la variable est bien déclarée dans la routine de code principale. Quand une variable est traitée en ASCII, il faut la déclarer comme une variable « char » dans le code. Aussi, l’afficheur doit recevoir les données caractère par caractère avec sa position spécifique, ce qui oblige à faire une conversion des valeurs traitées normalement sur 16 bits et de séparer chaque chiffre un à un et de les stocker dans un tableau. Ce tableau sert à mettre les valeurs des centièmes jusqu'aux centaines en 'char'. Le calculateur prend la valeur à traiter et la divise par 10 et il garde la retenu, avec la retenu, il additionne 0x30 pour le mettre en 'char'. Il redivise la valeur par 10 et il recommence. Il faut s'assurer que la valeur entrée dans ce calculateur est multipliée par 1000, pour éliminer toute virgule dans le traitement. La virgule sera rajoutée manuellement pour l’affichage. Voici un exemple d’une transformation par le calculateur. Valeur à traiter : 250.38 t/min La valeur est multipliée par 1000 = 2503800 Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 56 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Tableau 17 : Valeurs stockées dans le tableau du calculateur Emplacement dans le tableau Valeur stockée dans le tableau 0 (millième) 0 1 (centième) 8 2 (dixième) 3 3 (unité) 0 4 (dizaine) 5 5 (centaine) 2 Comme il a été dit précédemment, l’affichage doit recevoir ses données avec sa propre position. Ce type d’afficheur comporte donc 64 positions. La routine d’affichage envoie à répétition chaque lettre ou chiffre avec sa position. Exemple d’écriture de la vitesse du vent sur la ligne 1 (caractères 0 à 15): HEX2ASCII(vitesse); //Appeler la routine du calculateur pour la conversion des données DisplayData[0] = 'V'; //Écrire la lettre « V » dans la position 0 de l’afficheur ACL DisplayData[1] = 'e'; //Même chose que précedement, écriture de la « e » en 1 et ainsi de suite DisplayData[2] = 'n'; DisplayData[3] = 't'; DisplayData[4] = ':'; DisplayData[5] = ' '; DisplayData[6] = ' '; DisplayData[7] = adhundreds; //Prendre la valeur des centaines dans le tableau du calculateur de conversion DisplayData[8] = adtens; //Prendre la valeur des dizaines dans le tableau du calculateur de conversion DisplayData[9] = adones; //Prendre la valeur des unités dans le tableau du calculateur de conversion DisplayData[10] = ','; //Écriture de la virgule pour l’affichage de la donnée correctement DisplayData[11] = adtenths; //Prendre la valeur des dixièmes dans le tableau du calculateur de conversion DisplayData[12] = adhundredths; //Prendre la valeur des centièmes dans le tableau DisplayData[13] = 'm'; DisplayData[14] = '/'; DisplayData[15] = 's'; 3.3.6 Conception et programmation du simulateur de vérification du contrôleur Le but premier de créer un simulateur pour le présent projet est de pouvoir tester tout le programme instauré dans le microcontrôleur principal. Ici, il est question de toutes les entrées discrètes destinées aux mesurages des différents éléments sur le système éolien et de voir si le contrôle programmé fonctionne bien. Le simulateur retransmet un signal identique qu’un équipement de mesure enverrait au microcontrôleur. Le Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 57 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie microcontrôleur se rend compte d’absolument rien et il peut faire toutes ses routines normalement. Ceci permet donc de faire des essais en atelier avant l’installation finale et de trouver des problèmes de conception à l’intérieur du code. 3.3.6.1 SIGNAUX DES INSTRUMENTS DE MESURE SIMULES Le simulateur à été créé directement à l’intérieur d’un troisième microcontrôleur dédié seulement à envoyer un signal similaire à un appareil de mesure physique. Le simulateur a été désigné pour simuler quatre types de signaux : les signaux reçus de l’anémomètre, du fréquencemètre, du voltmètre et de l’ampèremètre. Les sorties discrètes du troisième contrôleur sont câblées directement dans les entrées mesure du microcontrôleur principales. Signaux de l’ampèremètre et du fréquencemètre Les signaux de l’anémomètre et du fréquencemètre à la sortie du simulateur se comportent un peu de la même façon que les instruments de mesure. Un signal à fréquence variable avec amplitude maximale de 5v et avec un rapport cyclique fixe de 50 %. Le microcontrôleur comporte plusieurs sorties de type « output compare (OCx) » conçu pour ce type d’application, la même chose utilisée précédemment pour le pilotage du MOSFET. Pour modifier la fréquence à laquelle chaque sortie « MLI » fonctionnera, deux temporisateurs sont utilisés, un pour chaque sortie. Sa période totale est réglée par rapport à la fréquence choisie. À chaque fois que le temporisateur (TMR) atteint sa valeur maximale, une interruption est provoquée et la valeur du rapport cyclique (OCxRS), toujours fixé 50 % de la valeur de la période totale est mise à jour. Il faut donc faire le raisonnement inverse comme présenter plus haut pour le calcul de valeur de période totale à instaurer dans le contrôleur pour une valeur de vitesse de vent ou de vitesse de rotor prédéterminer par l’interface opérateur. Figure 69 : Schéma de câblage du microcontrôleur de simulation Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 58 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Tableau 18 : Liste des entrées/sorties du microcontrôleur de simulation Description Type Broche Nom des entrées/sorties Simulation de l’anémomètre Sortie analogique 22 OC3 Simulation du fréquencemètre Sortie analogique 19 OC4 Simulation du voltmètre Sortie PWM 37 PWM1H Simulation de l’ampèremètre Sortie PWM 35 PWM2H Exemple de calcul pour trouver la période totale de la sortie vitesse du vent et fréquencemètre. Vitesse du vent envoyée par l’interface :15.25 m/s 1 1 = ≈ 4248 vitesse du vent / 1.111*256*67x10−9 15.25 / 1.111*256*67x10−9 OCxRS = PRx *50% ≈ 2124 PRx (période totale) = 256 : coefficient multiplicateur pour une plus grande plage du temporisateur. À chaque 256 cycles, le temporisateur compte de 1 67x10-9 : temps de cycle du microcontrôleur 1.111 : conversion de m/s en hertz Vitesse du rotor à simuler : 250 rpm 1 1 = ≈ 2798 −9 250 / 12*256*67 x10 −9 vitesse du rotor / 12*256*67 x10 OCxRS = PRx *50% = 1399 PRx (période totale) = 12 : conversion de r/min en hertz Signaux du voltmètre et ampèremètre En ce qui a trait à la simulation des signaux envoyés des voltmètre et ampèremètre, il fallait faire en sorte que les sorties simulent une tension variable, ces appareils de mesure envoyant une tension de 0-5v selon la mesure. Le microcontrôleur simulateur ne comporte pas de sortie analogique. Donc il fallait trouver une autre alternative pour réaliser un tel signal. La façon la plus simple trouve est de faire des ses sorties des hacheurs de tension avec une tension moyenne équivalente à la valeur voulue. Une des particularités du microcontrôleur choisi est qu’il possède des sorties « PWM » matérielles («hardware»). Ce qui simplifie grandement le traitement interne du code. Il suffit donc de choisir une valeur de période fixe pour toutes les sorties MLI et de faire varier le rapport cyclique pour varier la tension moyenne. Une fréquence de 300 kHz a été choisie. Ce choix sera expliqué un peu plus tard. PTPER représente la période du signal et PDC la valeur du rapport cyclique multiplier par la période. Le microcontrôleur comporte 3 sorties PWM avec partie haute ou basse Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 59 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie pour chaque sortie, ce qui signifie que la portion du rapport cyclique est normale ou inverser selon le cas. Pour le présent simulateur, les sorties hautes seront utilisées. PTPER (période PWM) = 1 1 = ≈ 50 −9 fréquence *67 x10 300000*67 x10−9 Exemple de tension de sortie du voltmètre. Valeur à simuler 54V = 3.53V (voir conversion dans section voltmètre) PDC (k PWM) = voltage * PTPER *2 3.53*50*2 = ≈ 72 voltage no min ale 4.92 Exemple de tension de sortie de l’ampèremètre. Valeur à simuler 5.50A = 2.61V (voir conversion dans section ampèremètre) PDC (k PWM) = voltage * PTPER *2 2.61*50*2 = ≈ 53 voltage no min ale 4.92 Ce système à première vue fonctionne. Si la sortie est mesurée avec un multimètre numérique, il indique bel et bien la tension voulue. Cependant, l’entrée du microcontrôleur principale ne voit pas cette tension comme une tension moyenne, car il acquisitionne la tension sur ses entrées à haute vitesse. Il fallait donc trouver une alternative pour filtrer le signal pour voir une belle tension analogique. Le dsPIC voit deux valeurs avec ce signal haché, un « 0V » ou un « 5V » et non pas la tension simulée. La conception d’un circuit composé d’un condensateur et d’une inductance était donc indispensable. Pour limiter la grosseur de l’inductance et les valeurs disponibles sur le marché, une fréquence de 300 kHz a été choisie. Avec une inductance de 100 µH et en se fixant une ondulation de tension maximale ρV de 1 %, il était possible de trouver la valeur de condensateur à installer dans ce circuit. Avec l’équation d’une alimentation à découpage en mode dévolteur, il est possible de calculer le condensateur. V0 1−k = ρV = 8LCf 2 V0 Avec un rapport cyclique de 0.5, représentant le pire des cas. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 60 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 0.01 = 1 − 0.5 ⇒ c = 0.7μF ≈ 1μF 8*100 x10−6 * C *3000002 Figure 70 : Schémas de filtrage des sorties hacheurs du simulateur 3.3.6.2 CONCEPTION ET PROGRAMMATION DE L’INTERFACE DE COMMUNICATION ENTRE LE MICROCONTROLEUR ET L’ORDINATEUR Conception de l’interface de communication Dans le but de faire un lien de communication entre les microcontrôleurs et l’ordinateur servant d’interface opérateur, un système d’interconnexion entre ces différents éléments a été créé. Ce système se sert de l’interface RS-232 disponible sur la plupart des ordinateurs. C’est un protocole de type série qui peut transmettre et recevoir des données dans le même câble. Le type de données transigé sur ce câble est composé essentiellement de caractères « ASCII » compatibles avec la plupart des logiciels de programmation. Pour assurer la communication entre les microcontrôleurs, il faut une puce qui convertit un signal TTL à un signal série RS-232 (MAX232). Elle se branche directement sur le bus série SPI, technologie propriétaire de la compagnie Microchip. Le microcontrôleur principal envoie des données et le microcontrôleur servant de simulateur reçoit des données. Donc, il faut faire les branchements adéquats pour permettre à l’information de se rendre à sa destination et vice-versa. Voici le branchement à effectuer pour l’interfaçage. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 61 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Figure 71 : Schéma de connexion du convertisseur UART Programmation de l’interface de réception des données du microcontrôleur de simulation Le simulateur, pour fonctionner, doit recevoir des informations pertinentes pour les convertir en signaux pour les retransmettre au microcontrôleur principal quand c’est nécessaire. Les informations qu’il doit recevoir sont la vitesse du vent, la vitesse du rotor, la tension et le courant du bus courant continu. La façon retenue pour la transmission des données est un long mot comprenant 24 caractères de long. Ce mot représente toutes les données décrites précédemment, collées ensemble. Chaque composante comporte une précision de 5 caractères de large sans la virgule, pour la facilité de traitement. Les autres caractères servent pour la vérification de la véracité de la donnée. Le simulateur reçoit donc ces caractères en série. Il place chaque caractère dans un tableau pour faciliter la recherche et le traitement des données par la suite. Exemple d’une série de caractères reçue : Le simulateur se charge ensuite d’envoyer la valeur reçue à partir du tableau directement dans les formules pour le traitement futur. Il ne faut pas oublier de diviser cette valeur reçue par 100 pour faire réapparaitre la virgule dans la donnée. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 62 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Programmation de l’interface de transmission des données du microcontrôleur principal L’interface opérateur doit recevoir des données pertinentes venant du microcontrôleur principal. Le seul problème dans la transmission de données est que le bus d’envoi de données séries est déjà occupé par les données transmises à l’affichage à cristaux liquide, soit quatre lignes de 20 caractères en continu. La manière retenue pour contrer ce problème est l’envoi d’une cinquième ligne contenant les informations désirées par l’interface opérateur. L’afficheur ACL voit cette 5e ligne de manière complètement transparente. Exemple d’une série de caractères envoyée : Il ne reste plus qu’à l’interface opérateur de traiter la dernière ligne adéquatement pour l’affichage et le traitement de ces données. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 63 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 3.3.7 Interface d’acquisition et de simulation 3.3.7.1 COMMUNICATION ET TRAITEMENT DES DONNEES L’interface a deux fonctions distinctes. L’une sert à l’acquisition de données et l’autre fait office de simulateur. En ce qui a trait à l’acquisition de données, le microcontrôleur envoie, selon le protocole expliqué précédemment dans le document, quatre variables importantes pour l’étude et la compréhension de l’environnement du système. Ces variables sont : la vitesse du vent, vitesse du rotor de l’alternateur, tension DC et le courant. 3.3.7.2 ACQUISITION Afin de recueillir toutes les données correctement, le microcontrôleur envoie une série de 25 caractères avec un code au début de la chaîne. À l’aide de Visual Basic, les données importantes sont sélectionnées à leurs places précises dans la chaîne et par la suite elles sont affichées sur l’interface. Ces données sont par la suite enregistrées dans un fichier Excel pour des fins de consultation future, pour tracer les courbes de puissance, de vent, etc. Le temps d’acquisition est choisi par l’opérateur. Les problèmes rencontrés sont que le microcontrôleur envoie les données à une vitesse de 9600 bauds ⎛ 9600 caractères ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ 25 caractères ⎠ = 384 Secondes Secondes Afin de ne pas ralentir l’ordinateur, une vitesse d’acquisition de 1 seconde par rafraichissement est sélectionnée. Dans la programmation, si la tension est par exemple dans les caractères 21 à 25, il est primordial d’être synchronisé entre l’envoi et la réception. Cependant, ce synchronisme est quasi impossible et dépend de beaucoup trop de facteur. Pour contrer ce problème, un code de début et de fin de la chaîne est envoyé. Si Visual Basic ne repère pas ce code au début et à la fin, il n’affiche rien et passe au tour suivant. Cette méthode s’est vue très efficace et donne de très bons résultats. 3.3.7.3 SIMULATION La partie simulation de l’interface est très utile pour imposer les valeurs désirées au microcontrôleur dans le but de vérifier les séquences de contrôle. La méthode utilisée est semblable à la réception (acquisition), mais en envoi cette fois-ci. Une chaîne de 25 caractères est envoyée avec un code de début et de fin. Les valeurs sont multipliées par mille afin d’enlever toutes dixième ou centième d’unité étant donné que la programmation du contrôleur s’est construite ainsi. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 64 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 3.3.7.4 DEMONSTRATION DU FONCTIONNEMENT Tout d’abord, à l’ouverture de l’exécutable, la première chose à faire avant tout est d’entrer le numéro du port de communication (COM). Par la suite, l’opérateur devra faire un choix entre quelque temps d’acquisition Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 65 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Quand le temps d’acquisition est choisi, un bouton démarrer se met alors visible. Après le démarrage, les données sont automatiquement sauvegardées dans un classeur (.xls) et il est possible d’interagir avec le microcontrôleur. Les curseurs horizontaux permettent d’augmenter graduellement les valeurs désirées et ainsi donner un semblant de naturel. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 66 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 4 BILAN DES ACTIVITES 4.1 Arrimage formation pratique/universitaire Dans le développement d’un tel système de production d’énergie électrique, plusieurs domaines de l’ingénierie électrique sont impliqués. Dans l’élaboration de l’étude comportementale du système et dans le dimensionnement des composantes de puissance, le cours «Électronique de puissance» et «Électrotechnique I et II» ont été utiles pour la compréhension des phénomènes transitoire et permanent reliés au fonctionnement du système (machine à aimant permanent, redresseur et onduleur) et pour la conception de ce dernier. Le cours «Transport et exploitation de l’énergie électrique» a fourni une excellente base dans la réalisation du projet puisqu’il s’agit d’un système de production d’énergie électrique à partir d’un système éolien où plusieurs notions ont été couvertes dans ce cours. Étant donné que le contrôleur choisi est un dsPIC, une bonne connaissance des phénomènes électroniques expliqués dans les cours «Électronique I et II» a été essentielle. En fait, le filtrage, la conception des instruments de mesure et le pilotage du MOSFET ont été conçus à partir des notions fournies dans ces deux cours. De plus, le cours «Introduction aux ordinateurs» a été utile dans la configuration du contrôleur puisqu’il a été programmé en langage C. Les bases de programmation ont été vues dans ce cours. La communication entre le contrôleur et l’interface d’acquisition a été conçue en se basant sur les concepts appris dans le cours de «Système à microprocesseurs». Finalement, l’expérience acquise lors des stages en entreprise a permis de développer le système selon une méthodologie adéquate afin d’élaborer le projet dans les règles de l’art. 4.2 Travail d’équipe Frédéric Mon intégration à mon équipe de travail immédiate, soit mes coéquipiers Jonathan et Christian, a été très facile puisque nous avions couramment travaillé ensemble dans le cadre des différents cours du baccalauréat. Par conséquent, la division des tâches s’est faite par elle-même étant donné que nous avons chacun nos forces et faiblesses. Pour ma part, une grande partie de mon travail a été de faire les recherches et de développer le simulateur sur SimPower System. Le reste de mes tâches a été de participer aux essais et à l’élaboration du système de contrôle. La division des tâches a été sommairement équivalente tout le long du développement du projet. La participation des techniciens de laboratoire de l’UQAC a permis de réaliser des essais primordiaux pour l’évolution du projet dans le local P2-2020 et permis de profiter des conseils dans le développement du système de contrôle. Cette participation fait donc partie intégrante de l’expérience du travail d’équipe entre les Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 67 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie concepteurs et les techniciens. Cette expérience a été très enrichissante du point de vue «relation» dans une équipe de travail. Aucune difficulté ou grave mésentente entre les membres de l’équipe a été relevée étant donné que nous somme habitués de travailler ensemble. Les points de vue de chaque membre ont toujours été considérés dans l’évolution de ce projet de conception et cela a permis de mener à sa finalité dans les délais requis. Christian Depuis quatre années passées au baccalauréat, les travaux d’équipe se sont multipliés. Que ce soit des devoirs, rapports de laboratoire ou bien de l’étude, il arrivait souvent qu’ils soient effectués à plusieurs étudiants. C’est avec le temps que je me suis battis des techniques pour rendre le travail d’équipe efficace. Étant donné que le projet de conception que j’ai décidé de prendre devait se faire à trois étudiants, c’était encore une fois une façon d’améliorer mes expériences et compétences au niveau du travail d’équipe. La relation avec mes coéquipiers était déjà bien établie. C’est à quelques reprises que j’effectuais des travaux d’équipe avec eux. Je connaissais déjà leur façon de fonctionner. C’est toujours embêtant de commencer dans une nouvelle équipe. Quand on connait bien les personnes, c’est plus rassurant. Dans l’équipe, j’étais responsable de concevoir les principaux systèmes électroniques de mesure et la programmation du microcontrôleur. Étant des systèmes complexes dans leurs ensembles, je devais me tourner vers eux à l’occasion pour demander conseil et approbation de leur part. C’est un travail d’équipe et il était dans mon devoir de toujours leur demander leur avis lors de grosse décision. La plupart du temps, le projet s’effectuait dans les locaux de l’université. Il y avait toujours plein de gens à ma disposition lorsque j’avais des questions. Que se soit des amis, techniciens de laboratoire, ingénieurs ou bien conseiller, il avait au moins une personne qui pouvait répondre à mes interrogations. En fait, il est possible de constater qu’on fait partie d’une plus grande équipe qu’on peut le penser. Il est possible de comparer cela à une grande entreprise avec des gens de différents domaines. Toute cette aide que j’ai eue m’a permis d’acquérir de nombreuses connaissances techniques et de me créer un cercle de contact. Tous ces gens possèdent leurs propres expériences personnelles et c’est en les côtoyant qu’on en bénéficie. Il arrive parfois dans toute équipe qu’une discorde arrive. C’est souvent le cas quand une idée personnelle ne parvient pas à convaincre les autres coéquipiers. Il ne faut pas s’entêter avec cela et écouter ce que les autres membres ont à dire. En gros, tout s’est très bien déroulé et je suis très satisfait de l’équipe avec qui j’ai travaillé. À trois, nous avons pu trouver de très belles solutions à la problématique qui nous avait été soumise. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 68 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Jonathan Le projet de conception effectué n’aurait jamais été celui qu’il est en ce moment sans le travail d’équipe. L’équipe de travail est constituée de 3 étudiants en ingénierie, un technicien en travaux pratiques de l’université, un journalier de l’entreprise ainsi que du promoteur du projet. Les rôles effectués au sein de l’équipe de travail ont été de travailler conjointement à la conception de l’ingénierie avec les deux autres étudiants. De plus, il a été très important de spécifier et d’assister à la conception et de la fabrication mécanique et électrique des différents équipements. La coordination de l’équipe de travail fut une grande difficulté rencontrée. En effet, les employés de l’entreprise, étant très occupés, ont eu des difficultés à respecter les délais donnés par les autres membres de l’équipe. Afin de surmonter ses problèmes, les différents délais donnés ont été changés de façon à accommoder les deux parties. En terminant, le projet n’aurait jamais été aussi bien réussi avec une personne seule qu’avec une équipe. L’entraide des différents membres, le partage de connaissance font la magie du travail d’équipe. Le point de vue d’une personne avec un grand bagage théorique est important, mais celui de quelqu’un de pratique est tout aussi important et nécessaire et vient compléter un bon projet. 4.3 Respect de l’échéancier L’échéancier a eu des modifications majeures étant donné l’ampleur des tâches à réaliser et le temps à allouer aux autres cours suivis durant les deux sessions attitrées au projet. Tout d’abord, les calculs pour le dimensionnement des pièces ont été projetés sur une période de deux semaines. Toutefois, ces calculs ont été étalonnés sur plus de 3 mois puisque le projet s’est déroulé en plusieurs phases et les pièces n’ont pas toutes été choisies au même moment. Le développement de l’analyse comportementale s’est échelonné sur 3 mois au lieu de 2 semaines, période projetée dans le plan de travail. En effet, les caprices du logiciel «Simulink» ainsi que la recherche sur le comportement d’un générateur synchrone à aimant permanent explique ce temps plus long. Les autres tâches effectuées dans ce projet ont été légèrement plus longues que celle évaluées dans le plan de travail, soit pour la conception des plans électriques, la programmation du contrôleur, la réalisation de l’interface opérateur et du simulateur. Il n’est pas toujours évident d’évaluer la longueur des tâches lorsque le projet se déroule durant les sessions où des cours sont également à l’horaire des étudiants. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 69 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 4.4 Analyse et discussion Le but de ce projet était de concevoir un système de génération d’énergie électrique avec une éolienne couplée sur une génératrice à combustion. La conception des composantes a été réalisée à partir des notions vues en classe ainsi que les recherches bibliographiques. Le logiciel MATLAB : Simulink a permis de confirmer le dimensionnement des pièces et d’analyser le comportement du système global. Le projet comprenait le développement des instruments de mesure utilisés pour le contrôle de la vitesse du rotor dans des conditions atmosphériques anormales. De plus, les grandeurs mesurées sont utilisées pour effectuer de l’acquisition sur plusieurs jours dans le but d’analyser le comportement du système sur une échelle de temps. Cette interface d’acquisition a été conçue avec une communication série RS232, communication compatible avec le contrôleur du système (dsPIC). Un simulateur réalisé avec un deuxième dsPIC a permis de vérifier le fonctionnement de la séquence de contrôle du simulateur en évitant d’installer l’éolienne à l’extérieur ou en soufflerie. Ce simulateur sera également utile pour l’étalonnage du système si une modification est à réaliser. La plaquette de contrôle a été développée dans le but d’étalonner le microcontrôleur à l’installation de l’éolienne. La vitesse de freinage peut être plus rapide ou plus lente que celle définie par défaut selon l’emplacement de l’éolienne. La lecture de la tension et du courant a été ajustée afin de pallier le manque d’expertise en interfaçage de puces électroniques. Par conséquent, les erreurs de mesure sont corrigées dans la programmation du microcontrôleur. Malgré cela, le senseur de courant présente une sensibilité qui varie de 15mV à 22mV, pouvant provoquer des erreurs de lecture. Les lectures analogiques ont été interfacées par un convertisseur analogique/numérique de 12 bits représentant 4096 valeurs pour une tension lue de 0 à 5V. Cela présente donc une précision de l’ordre du centième, précision acceptable pour l’acquisition et la prise de décision dans la programmation du contrôleur. Quant à l’anémomètre et le fréquencemètre, l’erreur de lecture se situe au niveau du cristal du dsPIC étant donné que ce dernier définit la fréquence fixe de fonctionnement de l’acquisition. Une fréquence qui fluctue entrainerait des imprécisions sur la prise de mesure. Toutefois, le cristal présente une très grande précision avec ses 30 ppm. En général, toute fluctuation de température amène des imprécisions sur tous équipements électroniques, cependant, ces erreurs sont tolérables étant donné que les valeurs sont utilisées sur des prises de décision se basant seulement sur valeurs arrondies à l’unité. Le système de contrôle est de type évolutif. En effet, ce système a été réalisé dans le but de pouvoir installer d’autres équipements tels que relais, boutons, éléments de mesure. Ce projet, financé par les entreprises LP, avait un budget total de 2500$. Le tableau suivant illustre toutes les dépenses encourues. Le mandat était de réaliser ce projet dans le budget prévu. Le manque d’expérience dans l’achat de matériel pour un projet a provoqué quelques achats inutiles gonflant le prix total d’environ 10%. Tout de même, le budget alloué a été respecté. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 70 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Tableau 19 : Tableau des dépenses Items Éolienne Anémomètre numérique Contrôleur Anémomètre éolienne Pont triphasé Lecteur de courant (Effet Hall) Diode 1N1184A Dissipateur de chaleur pour diode Résistance 3.5 ohms 1000W Mosfet Optocoupleur Relais sécurité 12Vdc Onduleur 48/120 Rail montage Passe-fils Disjoncteur 40A Contact auxiliaire brk Quincaillerie autre LD Quincaillerie Quincaillerie Adisson Quincaillerie Adisson Commande #4 Digikey Commande #5 Digikey Total Quantité 1 1 2 1 1 1 2 2 1 Coût par unité 745,83 33,96 8,52 59,40 30,65 9,96 6,97 2,10 61,27 1 4 1 1 6' 12' 1 1 24,08 1,12 18,00 218,70 1,51 4,07 34,00 43,49 47.75 304.44 n-d n-d n-d n-d n-d n-d Montant restant 77,10 15,94 52,55 56,06 Livraison 344,17 0,00 8,00 6,31 11,00 8,00 8,00 32,40 Taxes 0,00 1,51 7,56 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,16 6,29 16,12 compris ld compris ld comprise 8,00 8,00 10,30 2,06 3,03 3,20 Coût final 1090,00 35,47 32,60 65,71 30,65 9,96 13,94 15,20 69,27 24,08 4,48 26,00 251.10 10,21 55,13 50,12 43,49 47,75 304,44 87,40 18,00 63,58 67,26 2483,26 335.26 Les résultats de ce projet de conception sont résumés par les essais effectués afin de confirmer le bon fonctionnement du prototype. Plus précisément, le générateur de l’éolienne couplé sur le moteur à courant continu a été entraîné à différentes vitesses et la vitesse du vent fût simulée afin de provoquer les situations de fonctionnement anormales. Lors de ces essais, il a été possible de recueillir les données transmises par les différents appareils de mesure et de tracer les courbes correspondantes. La figure suivante a été réalisée en simulant différentes valeurs de vitesse de vent. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 71 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 300 250 Valeurs des données (p.u) 200 150 vent (m/s) rotor (rpm) Tension (V) Courant (A) 100 50 26,83 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 -50 Temps (s) Figure 72: Fonctionnement du prototype Lorsque la vitesse du vent atteint une certaine valeur critique (25 m/s) donnée par le fabricant, le système tombe en mode freinage et la vitesse du rotor diminue considérablement prouvant l’efficacité de la résistance de freinage. Conséquemment, le courant fourni aux batteries diminue. De plus, il est intéressant de remarquer que la tension continue reste presque toujours constante, peu importe la perturbation. Ces derniers essais ont permis de confirmer le bon fonctionnement des différentes étapes du projet soit la conception, la programmation, l’interfaçage ainsi que le système d’acquisition. Par ailleurs, ces résultats pratiques reflètent bien l’analyse comportementale réalisée sur MATLAB : Simulink au début du projet. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 72 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 5 CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS Finalement, le projet de conception consistait à concevoir un prototype utilisant une éolienne et un système d’accumulation pouvant fournir une puissance à une petite charge à une tension nominale de 120Vc.a. Il s’agissait donc de développer un système de génération d’énergie électrique autonome qui sera remplacé par une génératrice à combustion en l’absence de vent et d’énergie sur le système d’accumulation. Le système devait comprendre une régulation de la vitesse de rotation de l’aérogénérateur, un système d’acquisition afin de vérifier le comportement du système sur une longue période, un boîtier de commande dans le but de freiner l’aérogénérateur manuellement dans une situation d’urgence ou lors de manœuvres d’entretien. Finalement, un simulateur reproduisant les valeurs mesurées par le système d’acquisition a dû être conçu pour fin de vérification et d’étalonnage du contrôleur. Toutefois, dû au manque de temps, le module électronique permettant le démarrage de la génératrice à combustion commandé par le contrôleur n’a pas été conçu. Le contrôleur a tout de même été programmé ainsi que l’électronique conçue en vue de l’installation de la génératrice à combustion. Ensuite, les résultats des essais en laboratoire confirment le bon fonctionnement du système global. En effet, l’analyse comportementale à l’aide du logiciel performant SimPower Systems présente les mêmes comportements sous les différentes situations possibles. L’utilisation de la résistance de freinage a été une alternative très intéressante, peu couteuse, et fiable pour diminuer la vitesse de rotation de l’éolienne lors de vent trop fort ou au besoin. En effet, un frein mécanique aurait occasionné un entretien plus fréquent et des coûts plus élevés. D’autre part, l’étude d’avant projet fut d’une grande utilité. Cela à permis de mieux comprendre les différents principes relatifs au projet. Cependant, une telle étude ne reste pas infaillible. L’expérimentation, les essais en laboratoire, l’application des différents principes restent un passage obligé à la réalisation d’un projet de conception. À la fin de l’étude, plusieurs résultats furent gardés et d’autre non. Souvent ils ont été rejetés pour des raisons économiques. Un système de freinage impliquant trois inductances connectées en Y a été étudié, mais rejeté. Ce système permettrait de réduire les dimensions et ne dégagerait aucune chaleur. Dans la prochaine phase du projet, ce système sera testé. Par ailleurs, le travail qui reste à faire est d’installer une génératrice en harmonie avec le système. Les principes sont en partie faits, mais restent à être testés. De plus, les contraintes climatiques ont fait retarder l’installation permanente du projet et devront être reportées au printemps. De ce fait, les tests dans l’environnement réel peuvent différer de ceux effectués en laboratoire, donc un étalonnage du contrôleur devra être fait. Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 73 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 6 BIBLIOGRAPHIE 6.1 Monographies 1. Slemon G.R, Straughen A. 1980. Electric Machines. Philippines : Addison-Wesley Publishing Company Inc, 575 p. 2. Mukund R. Patel.1999. Wind and solar power systems.USA : CRC Press LLC.351 p. 3. Ackermann T. 2005. Wind Power in power systems. Angleterre : John Wiley & Sons Ltd. 961 p. 4. Wildi, T. 2005. Électrotechnique. 4e édition. Laval : Édition SK. 1215p. 5. CSA. 2002. Code canadien de l’électricité. Toronto : Association canadienne de normalisation. 597p. 6.2 Notes de cours 1. Ouhrouche M. 2009. Notes de cours Électrotechnique II. Module d'ingénierie, Université du Québec à Chicoutimi 2. Ouhrouche M. 2009. Notes de cours Électronique de puissance. Module d'ingénierie, Université du Québec à Chicoutimi 3. Fofana I. 2008. Notes de cours Transport et exploitation de l'énergie. Module d'ingénierie, Université du Québec à Chicoutimi 4. Bui H.T. 2008. Notes de cours Électronique II. Module d'ingénierie, Université du Québec à Chicoutimi 6.3 Chapitres de livre 1. Multon B., Roboam X., Dakyo B., Nichita C., Gergaud O., Ben Hamed H. Aérogénérateurs électriques. IN Techniques de l’ingénieur. Paris : Techniques de l’ingénieur. No vol. D3960 2. Noël, J-M. Énergie éolienne pour la fourniture d’électricité. IN Techniques de l’ingénieur. Paris : Techniques de l’ingénieur. No vol. BE8585 3. Rapin M., Leconte P. Éolienne. IN Techniques de l’ingénieur. Paris : Techniques de l’ingénieur. No vol. B4640v2 Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 74 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie 6.4 Sites web 1. DIGIKEY. Digi-Key Canada. [En ligne]. [http://parts.digikey.ca/]. Consulté le 23 septembre 2009 2. APPLIED MAGNET. Magnet 4 Less. [En ligne]. [http://www.magnet4less.com/index.php?cPath=8]. Consulté le 23 septembre 2009 3. INSPEED. Inspeed wind sensor, hand held wind meter, anemometer, storm chaser, weather instruments. [En ligne]. [http://www.inspeed.com/]. Consulté le 23 septembre 2009 4. AUTOMATIONDIRECT. Automation Direct. [En ligne]. [http://www.automationdirect.com/]. Consulté le 23 septembre 2009 Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 75 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie ANNEXE A Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 76 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 77 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 78 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie ANNEXE B Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 79 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 80 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 81 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 82 Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées Module d’ingénierie Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 83
