Participation à la caractérisation, l`amélioration de la charge active
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Participation à la caractérisation, l’amélioration de la charge active 200kVA [Tapez le sous-titre du document] SAUVAGE ALFRED Du 10 Février au 7 Août 2014 Tuteur école : Guy Sturtzer Tuteur entreprise : Aymeric Dorkel SOCOMEC CRITICAL POWER 11 route de Strasbourg 67235 Huttenheim Remerciements. Je voudrais tout d’abord remercier l’ensemble de l’équipe de recherche et développement de l’usine d’Huttenheim ainsi que son directeur Monsieur Pascal Boos pour leur accueil et leur disponibilité tout au long de mon stage. Je remercie tout particulièrement les personnes suivantes du groupe Powel : Didier Rohmer, pour son aide et ses explications lors de la mise en place de la manipulation et la prise en main de la charge active. Faissal Moine, ingénieur électrotechnicien, pour son aide sur les modèles matlab. Michel Kam, technicien, pour son aide et ses conseils durant tout le stage ainsi que pour les différentes photographies. Mes remerciements s’adressent aussi aux autres membres de l’équipe Powel : Andréa Zinni, Olivier Schwer, Yann Burger, Gregory Hummler, Matthieu Fassel, Thomas Koening, Julien Bernhardt et Stéphane Mercier. Je tiens aussi à remercier : Ludovic Zugmeyer, technicien plateforme qualité, pour son aide sur les charges actives. Christian Mannino, ingénieur service électronique, pour ses conseils sur le filtre anti-repliement. Sophie Bayot et Camille Belton, de la Direction des Ressources Humaines, pour leur disponibilité durant le stage. Je voudrais remercier grandement Aymeric Dorkel, tuteur entreprise et responsable du service Powel, pour son accueil, son aide et ses conseils durant tout le stage. Ainsi que Guy Sturtzer, tuteur école, pour son suivi et son intérêt pour mon projet de fin d’études. Enfin merci a toutes les personnes qui ont participé à mon stage. 2 Fiche d’objectif L’objectif est d’apporter des améliorations à la charge active pour l’utiliser dans un maximum de situations. La liste de thèmes si dessous sera abordée : Transfert de charge • • • Accepter un transfert de charge réalisé entre une ASI et le réseau avec un By-pass ou un Statys (organe de commutation rapide). Résister à des différences de 15% en tension entre les deux sources lors du transfert. Résister à des différences de phase de ±10° entre les deux sources lors du transfert. Adaptabilité • • Accepter des tensions d’entrée entre 380 et 415V. Accepter des fréquences d’entrée de 50 ou 60 Hz. Facteur de puissance paramétrable • Fonctionner comme charge inductive ou capacitive. Environnement • Résister au démarrage d’une machine DMX sur le réseau (appel de courant du transformateur) ASI en amont • La régulation doit être robuste quelle que soit l’ASI testée. 3 Résumé La société Socomec développe des Alimentations Sans Interruption (ASI) de forte puissance qui permettent d’assurer en continu la disponibilité d’une énergie électrique de qualité. Leurs tests requièrent de fortes puissances électriques, 1400MWh/an sont consommés à l’usine d’Huttenheim. Afin de diminuer cette consommation le service de développement a réalisé une charge active qui permet de réinjecter l’énergie de test sur le réseau. Ces charges ont permis d’économiser 20 000€ ces deux dernières années. Malgré tout les charges actives ne permettent pas de remplacer les charges passives linéaires pour certains tests, notamment lors de basculement d’un réseau électrique à un autre. Mon travail consiste à améliorer leur fonctionnement, pour cela la mise en place d’une manipulation avec une charge active de 200kVA a été réalisée. Une fois la situation problématique reproduite, une analyse des différentes données a permis de montrer qu’un automate n’avait pas le comportement souhaité. Des modifications de son programme ont permis de réussir les transferts de charge. D’autres points de fonctionnement ont aussi été abordés, tel qu’un problème de mesure de tension, le contrôle des harmoniques de courants, les changements de fréquences. Contribution to the characterization, the modeling and feedback control of a 200kVA active load. The Socomec company designs high power Uninterrupted Power Supplies (UPS) which provide a nonstop electrical energy with high quality. UPS tests need high electrical power. About 1400MWh/year are consumed in Huttenheim factory. In order to decrease the electrical consumption, the development service has designed an active load. This load feeds back test energy in the power grid. Thank to it 20000€ saving was made during two last years. However active load aren’t able to replace linear loads for tests like a change of power sources. My work consists in improving their operation. To reach this aim tests on a 200kVA active load have been processed. Once problematic operational mode was reproduced an analysis of the different data has showed that a cellular automaton doesn’t work as expected. Modifications in the software helped the active load to make load transfer. Some other points have been studied as a voltage measurement issue, current harmonics control, frequency change. 4 Sommaire Fiche d’objectif………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………3 Résumé………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….4 1 Présentation de la charge active………………………………………………………………………………………………………………………………….7 1.1 SOCOMEC Critical Power. ..................................................................................................................................... 7 1.1.1 Le groupe SOCOMEC. .................................................................................................................................... 7 1.1.2 Critical Power. ............................................................................................................................................... 8 1.1.3 Le service développement Critical Power de Huttenheim. ............................................................................. 9 1.1.4 L’usine 3 de Huttenheim. ............................................................................................................................. 10 1.2 Les Alimentations sans interruption. .................................................................................................................. 11 1.2.1 Principes et organes. ................................................................................................................................... 11 1.2.2 Gamme d’onduleurs SOCOMEC. .................................................................................................................. 12 1.3 Les moyens de tests et coûts………………………………………………………………………………………………………………………………….15 1.3.1 Les charges traditionnelles. ......................................................................................................................... 15 1.3.2 La charge active. .......................................................................................................................................... 16 1.3.3 Comparaison des charges. ........................................................................................................................... 18 2 Etude Préalable…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………20 2.1 Cahier des charges. ............................................................................................................................................ 20 2.2 Habilitation. ....................................................................................................................................................... 21 2.3 Calendrier. ......................................................................................................................................................... 24 2.4 Présentation de la charge active......................................................................................................................... 25 3 Déroulement du projet………………………………………………………………………………………………………………………………………………31 3.1 Manipulation. .................................................................................................................................................... 31 3.1.1 Objectif et mise en place. ........................................................................................................................... 31 3.1.2 Essai de transfert de charge. ........................................................................................................................ 33 3.2 Modification du système. ................................................................................................................................... 36 3.2.1 Masque de tension et automate du contacteur KM40. ................................................................................ 36 3.2.2 Essai des modifications. ............................................................................................................................... 38 3.3 Problème de mesure de capteur de tension. ...................................................................................................... 39 3.3.1 Mise en situation. ........................................................................................................................................ 39 3.3.2 Repliement spectral..................................................................................................................................... 40 3.3.3 Solutions. .................................................................................................................................................... 42 5 3.4 Etude des faibles puissances. ............................................................................................................................. 47 3.4.1 Problème à faible puissance. ....................................................................................................................... 47 3.4.2 Modélisation du système............................................................................................................................. 49 3.4.3 Contrôle du H3. ........................................................................................................................................... 50 4 Conclusion…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………52 4.1 Calendrier final................................................................................................................................................... 52 4.2 Conclusion. ........................................................................................................................................................ 53 Glossaire………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………54 Annexe…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………55 Annexe 1 : Schéma électrotechnique de la charge active. ........................................................................................ 55 Annexe 2 : Article rédigé dans le journal de l’entreprise. .......................................................................................... 56 6 1 Présentation de la charge active. 1.1 SOCOMEC Critical Power. 1.1.1 Le groupe SOCOMEC. La société des Ateliers de constructions électromécaniques du Bas-Rhin est fondée en 1922 par Joseph Siat à Benfeld. La société est déjà spécialisée dans les interrupteurs et fusibles. C’est seulement en 1953 qu’elle prendra le nom de SOCOMEC, l’entreprise oriente alors sa production vers l’industrie avec des produits tels que des interrupteurs à fort pouvoir de coupure, des armoires, des tableaux et autres pupitres de commandes. C’est en 1972 que le premier onduleur SOCOMEC est développé. Aujourd’hui la société Socomec compte 25 filiales et 9 sites de production dans le monde (4 usines en France, 1 usine en Italie, Tunisie, Inde et 2 en Chine). La société a développé une image d’expert dans ses 4 branches d’activités : critical power, power control and safety, solar power et energy efficiency. L’entreprise emploie 3000 personnes à travers le monde dont 1500 sur les usines de Benfeld et Huttenheim. La branche critical power : assurer aux applications critiques la disponibilité d’une énergie de haute qualité. Socomec développe une large gamme d’alimentation sans interruption (ASI) qui permet d’assurer la continuité d’une énergie électrique de qualité. Des organes à commutations rapides (Statys) qui permettent un transfert sur une source de secours ainsi que les équipements de surveillance de l’installation sont aussi dévellopés. La branche power control and safety : contrôler l’énergie et protéger les biens et les personnes. Activité historique du groupe, Socomec a acquis une réputation de spécialiste dans le domaine des fusibles, de la surveillance d’installations et de la recherche de défaut d’isolement. La conception et la fabrication de SIRCO (interrupteur sectionneur multipolaires) est une des principales activités Solar power : garantir la sécurité et la pérennité des installations photovoltaïques. Le groupe Socomec possède toutes les compétences pour le développement d’installations photovoltaïques à savoir : - la coupure à l’aide d’interrupteur sectionneur conçu pour le courant continu délivré par le panneau solaire. - la maîtrise des convertisseurs d’énergie à hauts rendements comme les onduleurs photovoltaïques qui permettent d’injecter l’énergie du panneau sur le réseau. 7 Energy efficiency : améliorer les performances énergétiques des bâtiments et des installations. Socomec propose une gamme de capteurs et de logiciels de surveillance qui permettent de mesurer la consommation d’énergie, d’identifier les surconsommations et les sources d’énergies réactives. Ces gammes de produits sont très appréciées pour la gestion ou l’exploitation de bâtiments tertiaires ou industriels. J’effectue mon projet de fin d’études au sein de la branche critical power dans le service de recherche et développement en électronique de puissance. 1.1.2 Critical Power. L’entité Critical Power du groupe Socomec réalise la conception et la commercialisation d’alimentations sans interruption. Elle est divisée en cinq branches comme le montre l’organigramme de la figure 1. L’activité est répartie sur trois sites, l’usine 3 de Huttenheim, l’usine italienne Isola Vicentina et une usine en Chine, et emploie 130 personnes dont 80 au développement. Je suis ainsi rattaché au service développement Benfeld. Figure n°1 Organigramme de l’entité critical Power. 8 1.1.3 Le service développement Critical Power de Huttenheim. Le développement Critical Power de Huttenheim est divisé en quatre services qui sont : la mécanique, l’électronique, le développement logiciel embarqué, et l’électrotechnique. Le service de mécanique (MECINT) réalise la constitution physique de l’ASI. Il comprend 11 ingénieurs et techniciens. L’électronique (ELN) conçoit les cartes nécessaires au fonctionnement, il est composé de 9 ingénieurs et techniciens. Le service logiciel embarqué (FIRM) réalise les différents programmes, aussi bien sur l’interface homme machine que sur le contrôle des convertisseurs, le service regroupe 8 ingénieurs et techniciens. L’électrotechnique (POWEL) réalise le dimensionnement et le contrôle des différents convertisseurs, le service comprend 11 ingénieurs et techniciens. Les activités des différents services sont orientées selon deux axes : le projet et la vie du produit. La phase de projet est le dimensionnement et la conception de systèmes. La vie du produit regroupe les évolutions et expertises sur les produits commercialisés ainsi que les projets spécifiques. Ces projets sont gérés par des chefs de projets qui, avec les responsables de services, répartissent les différents travaux. Le développement a une organisation matricielle comme le montre le schéma de la figure 2. Figure n°2 : Fonctionnement du service développement. 9 1.1.4 L’usine 3 de Huttenheim. Le développement Critical power est basé à l’usine l’ 3 de Huttenheim. L’usine a une superficie de 1300 mètres carrés. Toutes les ASI conçues par le développement sont réalisé réalisées sur le site. L’usine comprend deux lignes de production distinctes, une ligne multi-modèles et une ligne pour les montages spécifique spécifiques.. Elle comprend aussi une plateforme de tests pour le développement et les tests client clients.. La figure 3 montre le plan de l’usine et la figure 4 une image de l’usine. Figure n°3 : plan de l’usine d’Huttenheim. d’Huttenheim Figure n°4 : l’usine d’Huttenheim. 10 1.2 Les Alimentations sans interruption. interruption 1.2.1 Principes et organes. Le besoin d’une énergie électrique lectrique sans coupure et de qualité est une demande de plus en plus importante des utilisateurs comme les centres de données informatiques informatique ou le domaine médical. Les trois fonctions principales d’une ASI sont par ordre d’importance : - Assurer la continuité de la tension. - Obtenir une tension de qualité pour la charge. - Ne pas rejeter d’harmoniques sur le réseau amont et ne pas consommer de puissance réactive (facteur de puissance unitaire vu du réseau). Pour répondre à ces besoins, les alimentations sans interruption (ASI) ont été développées, elles s’insèrent entre la charge de l’utilisateur et le réseau et sont composées composé d’un redresseur, d’une batterie, d’un onduleur et d’un by by-pass. La figure 5 montre le fonctionnement d’une ASI. Figure n°5 Schéma d’ASI. Fonctionnement en double conversion : En fonctionnement normal, la tension réseau est transformée en tension continue par le redresseur puis l’onduleur convertit la tension continue en tension alternative, alternative ce fonctionnement permet de filtrer les harmoniques de tension. La continuité de l’énergie rgie est assurée par la batterie qui alimente comme précédemment la charge grâce à l’onduleur en cas de coupure du réseau.. En cas de problème sur un convertisseur convertis le by-pass pass alimente la charge. 11 Fonctionnement en stand-by : En fonctionnement usuel, la charge est alimentée par le by-pass et le redresseur sert à charger la batterie. Lorsqu’une coupure réseau intervient la charge est alimentée par la batterie via l’onduleur. Ce mode de fonctionnement permet d’assurer la continuité de l’énergie mais pas la qualité, la charge est perturbée par tous les harmoniques et variations du réseau en fonctionnement normal. Néanmoins le rendement de la machine est élevé. Les principaux organes : Le redresseur : Il permet de fixer la tension du bus dc et de recharger la batterie. Différentes technologies sont utilisées, des ponts à thyristors ou à IGBT (ce qui influe sur la forme du courant d’entrée). L’onduleur : Il permet d’alimenter la charge par une tension sinusoïdale qui ne contient pas les harmoniques du réseau. Les harmoniques de la MLI sont des multiples de la fréquence de découpage qui sont filtrés par le filtre LC de l’onduleur. Il est alimenté soit par la batterie soit par le redresseur suivant le mode de fonctionnement. Batterie : Elle assure l’autonomie du système en cas de coupure réseau. Elle est composée de 39 à 43 blocs élémentaires de 12 V. Un hacheur peut interfacer la batterie et le bus continu. Le by-pass : Il permet de basculer sur le réseau instantanément. Pour cela il est constitué de thyristors montés tête-bêche pilotés en interrupteur pour réaliser cette fonction. Pour des fortes puissances plusieurs ASI peuvent être placées en parallèle permettant ainsi d’augmenter la puissance de l’installation. Des essais avec huit machines de 500kVA en parallèles ont déjà été réalisés et ont permis d’atteindre une puissance de 4MW. 1.2.2 Gamme d’onduleurs SOCOMEC. La société SOCOMEC propose une large gamme d’onduleurs qui ont des puissances apparentes allant de 10kVA à 800kVA. Ces onduleurs fonctionnent en double conversion ce qui permet de garantir aux clients une tension de qualité. Les rendements sont de 96% au point de fonctionnement nominal. Les taux de distorsion harmonique (THD) de tension produite sont inférieurs à 3% lors de l’alimentation d’une charge non-linéaire standardisée. Suivant les topologies utilisées par le redresseur le courant d’entrée peut être sinusoïdal ce qui permet de travailler avec un facteur de puissance unitaire. 12 Les quatre principales gammes de produits sont : -Modulys Modulys Green Power Utilisation : Centres de données informatiques. informa Puissance : 20 à 360kVA 360kVA. Rendement : 96% Développement et industrialisation : Italie L’ASI est constituée constitué de modules élémentaires de 20kVA qui sont installés installé dans des armoires dédiées.. Ce système offre une grand grande e modularité car les blocs bloc peuvent être montés et démontés très facilement. -Masterys Green Power 2.0 Utilisation : Centres de données Télécommunication, Secteur des services. services informatiques, informa Puissance : 10 à 120kVA. Topologie : 3 niveaux onduleur et redresseur. redresseur Cette gamme contrôle aussi le courant d’entrée d’entré de l’ASI grâce à un redresseur sseur à IGBT 3 niveaux ce c qui permet à l’installation d’être vue par le réseau avec un facteur de puissance unitaire quelque que soit la charge. L’onduleur est un pont à 3 niveaux qui permet d’obtenir de faibless taux de distorsion. THD onduleur (charge non linéaire) <3% Rendement : 96% Développement et industrialisation : Italie Comme pour la gamme Modulys Green Power l’ASI est constituée de modules indépendants qui peuvent être montés monté ou non en fonction des besoins. Les machines de 120kVA sont placées dans des armoires et ne sont plus indépendantes. 13 -Delphys Green Power 2.0 Utilisation : Centres de données Télécommunications,, Secteur des services. informatiques, informa Puissance : 160 à 500 kVA. Topologies : 3 niveaux onduleur et redresseur. Comme pour la gamme Masterys Green power, les Delphys Green Power possèdent un redresseur à IGBT qui permet de contrôler le courant absorbé sur le réseau et donc de travailler avec un facteur de puissance unitaire. L’onduleur possède la même technologie ce qui permet d’obtenir un faible taux de distorsion harmonique. THD onduleur (charge non linéaire) <3% Rendement : 96% Développement et industrialisation : Huttenheim L’association de plusieurs machines en parallèle est possible ce qui permet d’atteindre des puissances supérieures supérieur à 4MW. - Delphys MP elite et MX Utilisation : Industrie, Télécommunications. Télécommunication Puissance : 80 à 900kVA Topologies : redresseur de courant à thyristors, onduleur en pont avec transformateur. Un redresseur de courant est utilisé pour avoir un courant d’entrée le plus sinusoïdal possible ce qui permet d’atteindre un facteur de puissance de 0,94. L’onduleur en pont triphasé permet d’obtenir des faibles taux de distorsion harmonique, le transformateur tran est utilisé pour garantir ntir le bon niveau de tension et une isolation galvanique. THD onduleur (charge non linéaire) <<4% Rendement : 94% Développement et industrialisation : Huttenheim. Huttenheim L’association n de plusieurs machines parallèle parallèles est possible par câblage. Les armoires batteries sont vendues es séparément des ASI sauf pour les Masterys de faible puissance, puissance elles peuvent être placées à plusieurs mètres de l’ASI. 14 1.3 Les moyens de tests et coûts. 1.3.1 Les charges traditionnelles. Des tests sont réalisés pour différentes raisons : - Le développement utilise des charges pour les mises au point et développement de produits. - La production effectue des tests de validation de fonctionnement. - La plateforme qualité réalise les tests de vieillissement et les essais devant clients. Le test des ASI demande de fortes puissances électriques. Les équipes de tests ont à leurs dispositions différentes charges pour réaliser les essais. Par exemple le service de recherche et développement utilise : - charge inductive de cos = 0,8 et de puissance apparente 400kVA - charge de 200kVA - charge mobile de 60kVA - charge mobile de 200kW - charge mobile non-linéaire de 60kVA - charge capacitive de cos =0,8 et de puissance 120kVA et 480kVA. Figure n°6 : Charge mobile120kVA et Charge extérieure. Ces charges dissipent la puissance active en chaleur, par exemple pour la charge résistive à puissance nominale de 400kVA ce qui correspond à un courant de 577A. Ces 400kW auxquels il faut ajouter les pertes de la machine sont transformés en chaleur par effet Joule, ces charges ont été déplacées à l’extérieur pour éviter des températures excessives dans le bâtiment. 15 Exemple d’un test : Une DGP 500 (Delphys Green Power ower 500kVA) connectée à sur la charge résistive de 400kVA. Ces machines ont des pertes de l’ordre de 22kW. Le courant vu par le réseau est de 611A. es tests sur les ASI représentent 70% des dépenses électriques de l’usine 3 ce qui représente 1400MWh/an. 1400MWh/an Le Les développement a donc cherché rché un moyen de réduire ces c coûts. 1.3.2 La charge active. Lors du développement de la DGP 200 (Delphys Green Power 200kVA),, la réversibilité des ponts trois niveaux a permis de développer une charge active, ainsi une u ASI peut être utilisée pour réinjecter l’énergie l’énerg de test sur le réseau. La charge active est constituée d’une chaîne double conversion identique à celle d’une ASI DGP 200. Le redresseur est placé sur le réseau et contrôle la tension du bus DC et l’onduleur est piloté piloté avec une consigne en courant. La figure 7 compare la charge active à une ASI. Figure n°7 : Configuration ASI/Charge Active. Active 16 La principale différence entre unee ASI et une charge active se se situe au niveau de l’onduleur. Dans une ASI classique l’onduleur est branché sur la charge,, et il est commandé par une boucle de tension qui assure la tension souhaitée souhaité par l’utilisateur. Pour une charge active l’onduleur est connecté à l’onduleur de l’ASI à tester. L’utilisateur va donner une consigne de puissance ssance et un facteur de puissance et l’électronique va en déduire le courant à absorber. absorber Dans une charge active le flux de puissance est inversé : l’onduleur consomme la puissance demandée demandé et le redresseur la restitue au réseau. La figure 8 montre le schéma schém d’utilisation de la charge active. Figure n°8 : utilisation d’une charge active. Pour réaliser un essai avec une charge active il faut câbler le redresseur de la charge active sur le même départ que l’ASI à tester et l’onduleur de la charge active d doit oit être branché sur l’onduleur de l’ASI. De cette manière l’onduleur de la charge active va fixer le courant consommé et le redresseur la réinjecte sur le réseau ce qui permet de limiter la consommation électrique du test car seules seul les pertes des machines sont consommées. Prenons le même exemple que précédemment : charge résistive de 400kVA, kVA, on suppose que la charge active est réglée pour consommer le même courant. Le courant absorbé sur le réseau est identique. Mais la charge active réinjecte les 400kW moins ses es pertes (20kW) (2 : = Avec = = En supposant les redresseurs réglés avec un facteur de puissance unitaire, le courant vu par le réseau vaut 60A 6 ce qui donne une puissance consommée de 42kW. La charge active permet de réduire significativement la puissance consommé consommée e lors du test, dans l’exemple la consommation électrique est réduitee de 360kW ce qui permet de réduire la consommation électrique de l’usine. 17 Ainsi l’usine possède à l’heure actuelle 9 charges actives réparties entre les différents points de test. Depuis leurs mises en place elles ont permis d’économiser chaque année 20000€. La figure 9 montre une charge active. Figure n°9 : Une charge active de 200kVA. 1.3.3 Comparaison des charges. L’utilisation des charges se fait dans plusieurs cadres et les charges actives et classiques ne sont pas identiques dans toutes les situations rencontrées dans l’usine 3. Les principaux tests sont : - Test de vieillissement, les machines sortant de la production sont placées en double conversion pendant une durée (dépendante de la gamme) pour éliminer les défauts de jeunesse. - Transfert de charge, passage brutal d’une source à une autre. Typiquement passage du by-pass à la chaîne double conversion. - Impact de charge, passage brutal de 0 à 100% de la puissance de l’ASI. - Test d’autonomie : l’ASI est déconnectée du réseau amont, elle fonctionne sur la batterie. 18 Le tableau ci-dessous (figure 10) résume les différents tests avec les avantages et inconvénients de chaque charge. Essai Transfert de charge Charge active Charge classique Arrêt lors de passage by-pass vers onduleur. Impact de charge Temps de réponse paramétrable par rampe 1ms max. Utilisation de la réinjection. (voir figure 8) Interdit légal d’injecter de l’énergie sur le réseau. Temps de réponse de l’ordre de 5 s. Mesure rendement, THDi Mesure plus complexe. Courant machine. Robustesse aux perturbations réseau Arrêt lors d’enclenchement transformateur. Vieillissement Autonomie Dissipation de l’énergie en pertes Joule. (coût de test important) Dissipation de l’énergie par effet Joule. réseau=Courant entrée de Figure n°10 : Comparaison charge active, charge classique. La charge active permet donc de réinjecter l’énergie de test ce qui permet de limiter les coûts des essais, mais elle ne permet pas de répondre à tous les cas d’utilisation. Les transferts de charge sont le point le plus important car ils limitent fortement l’utilisation des charges actives devant les clients et par conséquence les économies réalisables. D’autres points comme le réglage du facteur de puissance ou les conversions de fréquence n’ont pas été testés. 19 2 Etude Préalable Les objectifs de mon projet de fin d’études sont de caractériser, modéliser, étudier la régulation de la charge active pour pouvoir apporter des modifications et répondre à davantage de demandes. 2.1 Cahier des charges. La charge active doit : Transfert de charge • • • Accepter un transfert de charge réalisé entre une ASI et le réseau avec un By-pass ou un statys. Résister à des différences de 15% en tension entre les deux sources lors du transfert. Résister à des différences de phase de ±10° entre les deux sources lors du transfert. Adaptabilité • • Cos Accepter des tensions d’entrée entre 380 et 415V. Accepter des fréquences d’entrée de 50 ou 60 Hz. paramétrable • Fonctionner comme charge inductive ou capacitive. Environnement • Résister au démarrage d’une machine DMX sur le réseau (appel de courant du transformateur). ASI en amont • La régulation doit être robuste quelle que soit l’ASI testée. 20 2.2 Habilitation. Les ASI sont des armoires qui présentent des risques de chocs électriques. Les machines contiennent des pièces nues sous tension (la figure 11 montre l’intérieur d’une ASI), une habilitation électrique est donc nécessaire pour travailler avec ces armoires. Les habilitations sont régies par la norme NFC 18-510. Pont de puissance : utilisation de busbar Figure n° d’une ASI. 11 : Intérieur Alimentation et sortie de machine : jeux de barres Pour réaliser mon projet de fin d’études j’ai donc suivi une formation à l’habilitation électrique de trois jours pour être habilité B2V essai, BC, BR et ainsi accéder à la plateforme de tests des ASI. Ces différentes habilitations donnent le droit : B2V essai : Chargé de travaux dans le domaine de la basse tension (tension inférieure à 1000V AC et 1500V DC), cette habilitation donne le droit d’entreprendre et de réaliser des travaux ou de faire réaliser des travaux d’installation électrique. La lettre V indique l’autorisation d’approche à moins de trente centimètres de pièces nues sous tension. La dénomination donne l’habilitation spécifique BE essai qui donne le droit de réaliser des essais. BC : Chargé de consignation, l’habilitation donne le droit de réaliser la consignation d’un coffret ou d’une armoire. La procédure de consignation est décrite dans la norme NFC 18-510, elle comprend notamment les étapes d’identification, de condamnation (par cadenas) et de vérification d’absence de tension. Grâce à cette habilitation il est possible d’interdire la mise sous tension d’un appareil pour pouvoir effectuer des réparations. La figure 12 montre un coffret condamné. 21 Figure n°12 : Exemple de départ condamné. BR : Chargé d’intervention générale, cette habilitation permet d’effectuer des travaux dans une installation électrique telle que la consignation pour son propre compte, effectuer des réparations telles que le changement de fusibles, d’installation des équipements de mesures. Les principaux risques sont : - les contacts directs ou indirects, une ou plusieurs parties du corps font partie d’un circuit électrique pouvant entraîner une électrocution ou une électrisation. - les risques de projections dûs par exemple à un court-circuit pouvant provoquer des brûlures. - risques d’arc-électrique qui génère des ultraviolets et pouvant entraîner des brûlures. Les moyens de protection collectifs : - l’éloignement, les zones de tests sont délimitées par des barrières où seules les personnes habilitées peuvent rentrer. - la nappe isolante, elle permet d’isoler des pièces conductrices pour réaliser une intervention dans une machine. - Les bouchons de câble isolants, ils permettent d’isoler l’extrémité d’un câble. - les écrans, ils permettent de se protéger des arcs électriques Les protections individuelles : EPI - les gants d’électriciens : ils protègent contre les contacts directs et indirects pour des tensions inférieures à 1000V, ils résistent aussi aux fortes températures. - la visière : elle protège contre les projections dues à des courts-circuits, elle est également traitée anti UV pour protéger des arc-électriques. - la blouse en coton, elle résiste aux fortes températures. - les chaussures de sécurité - les bouchons d’oreilles. 22 La vérification d’absence de tension : Une étape importante de la consignation est la vérification d’absence de tension, elle doit être faite par un vérificateur d’absence de tension (VAT), cet appareil permet de contrôler l’absence de tension sur un réseau. La vérification doit être faite entre les phases, entre phase et neutre et entre phase et la terre, l’appareil doit être testé avant et après utilisation. La figure 13 montre une VAT sur un coffret réseau. Figure n°13 : réalisation d’une vérification d’absence de tension. 23 2.3 Calendrier. A partir du cahier des charges, j’ai élaboré un calendrier prévisionnel de mon PFE comme le montre le tableau suivant figure 14. semaine Février Mars Avril Mai Juin Juillet Aout 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Tâches Habilitation Prise en main suje t Documentation ASI Documentation régul Inventaire charge active Test charge active reproduction de défauts Modélisation thé orique modèle de la charge active modélisation des défauts Modification modè le Nouveau modèle Implé mentation prise en main environnement Implémentation du modèle Test de l'implémentation Ré daction rapport Rapport école Figure n°14 : Calendrier prévisionnel du PFE. 24 2.4 Présentation de la charge active. La charge active est une évolution de l’ASI DGP 200, le fil filtre tre de l’onduleur a été modifié pour contrôler le courant dans l’onduleur. La figure 9 montre la constitution des deux machines. Le redresseur est constitué d’un pont trois nive niveaux (voir annexe 1)) et d’un filtre en T. Le pont est piloté par une modulation de largeur d’impulsions (MLI) avec une fréquence de découpage de 6kHz. Le filtre en T a pour mission de filtrer les harmoniques de découpage. découpage Le circuit LC d’entrée (L10, C10) permet de filtrer les harmoniques harm à 6kHz et l’inductance L11 fixe l’ondulation du découpage. L’onduleur est lui aussi constitué d’un pont trois niveaux et d’un filtre LC. Comme pour le redresseur le pont est piloté par MLI avec une fréquence de découpage de 6kHz. Le filtre LC permet de filtre filtrer les harmoniques de MLI. Dans la configuration charge active, le filtre LC (L11, C10) est remplacé par un filtre en T. L’Annexe 1 montre le schéma électrotechnique de la charge active.. Figure n°15 : Configuration charge active/ ASI DGP 200. Chaque convertisseur est commandé par une boucle de régulation, régulation, le redresseur reçoit une consigne de tension Vdc cette consigne est ensuite donnée à la boucle de courant qui permet d’obtenir d’obteni un courant d’entrée. d’entrée L’onduleur reçoit une consigne en puissance puis qui permet de calculer un courant de consigne à absorber dans la première inductance. La figure 15 montre la position des différentes différentes mesures et la figure 16 explique le principe des boucles d’asservissement. 25 Figure n°16 : Boucle d’asservissement de la charge active. La boucle de courant onduleur : à partir des consignes en puissance et du facteur de puissance puissance, une première boucle dans le référentiel dq permet ermet de régler la phase du courant. Puis une boucle dans le référentiel abc permet de contrôler l’amplitude plitude du courant. La figure 17 montre le schéma de régulation. Calcul de Iq_ref and Id_ref PF S P Id_ref sqrt(2/3)/Ur1 Réglage phase Générateur de rampe PI Générateur de rampe PI saturé, avec anti-rebond Iq_ref PI -1 > I_rect_f L1 > I_rect_f L2 > I_rect_f L3 a d b q c o 0 d a q b o c Iref L1 > Iref L2 > Iref L3 > PLL_R0 > V_rect L1 > V_rect L2 > V_rect L3 R1 PLL L1 > R1 PLL L2 > R1 PLL L3 > Compensation de l'erreur static 0,81 0 0 d a q b o c Réglage du zéro de courant Correcteur I > Iref Lx > I_rect_f Lx H(s) Extracteur_H3 K K Rapport cyclique > Extracteur_H5 K Extracteur_H7 K Figure n°17 : boucle de régulation de l’onduleur de la charge active. Boucles du redresseur : la consigne est la tension du bus dc. La boucle en tension délivre une consigne en courant (réseau) qui permet de contrôler le courant réseau. La figure 18 montre le schéma de régulation. 26 H(s) >Vdc_ref >Idc_rect K >Vdc+ Integrateur avec anti-rebond Extracteur_H2 >Vdc- Extracteur_H6 > Idc_rect PI > I_rect_f L1 > I_rect_f L2 > I_rect_f L3 a d b q c o PI saturé avec anti-rebond 0 0 d a q b o c Iref L1 > Iref L2 > Iref L3 > PLL_R1 > V_rect L1 > V_rect L2 > V_rect L3 R1 PLL L1 > R1 PLL L2 > R1 PLL L3 > Compensation de l'erreur static Correcteur I > Iref Lx > I_rect_f Lx H(s) K Extrateur_H3 K Extracteur_H5 K duty > 1 0 0 d a q b o c Extracteur_H7 K Réglage du zéro de courant > R1 PLL Lx Figure n°18 : Boucle de régulation du redresseur. 27 La charge active est placée dans une armoire où sont disposés les différents constitutifs du système. La figure 19 montre l’armoire. Présentation de l’armoire Pont de puissance CEM Grille en alvéoles : blindage Carte DSP et microcontrôleur Blindage des inductances L11 redresseur et onduleur Cartes de mesures et d’alimentations Interrupteur entrée et sortie Départ réseau et ASI à tester Figure n°19 : Composition de la charge active. Les entrées et sorties de puissances sont situées en bas de l’armoire, elles sont connectées aux interrupteurs d’entrées et de sorties. Les inductances et condensateurs de filtrage sont situés dans un caisson blindé pour éviter les perturbations CEM. Un ventilateur est placé en dessous de façon à limiter la température dans les inductances et dans les ponts de puissance. Les ponts de puissance sont placés au-dessus du caisson, ils se composent des IGBT de leurs drivers et commandes rapprochées, de dissipateurs et des condensateurs chimiques du bus dc. La porte de l’armoire est constituée d’une grille en alvéoles qui permet de ne pas générer trop de perturbations électromagnétiques dans l’environnement extérieur. La figure 19 montre la composition de l’armoire. La figure 20 explique la composition d’un pont. 28 Carte driver Dissipateur Condensateur bus DC Alimentation IGBT Snubber Figure n°20 : Pont de puissance. Les ASI sont pilotées grâce au logiciel UpsXplorer qui est développé par l’équipe logiciel embarqué. Il permet de démarrer les convertisseurs, de changer des paramètres de la machine, d’obtenir des mesures de courant, tension et température à différents points de la machine. La figure 21 montre un écran du logiciel. 29 Figure n°21 : Ecran de commande UpsXplorer. 30 3 Déroulement du projet. 3.1 Manipulation. 3.1.1 Objectif et mise en place. Pour caractériser les arrêts lors des transferts de charge, la mise en place d’une installation installatio s’impose afin de pouvoir effectuer les différentes mesures nécessaires pour trouver le problème. Cette manipulation devra permettre les transferts de charge ce qui implique l’utilisation d’une ASI en amont de la charge active pour réaliser des transferts entre le by-pass et la chaîne double ble conversion conversion. La figure 22 montre le dispositif retenu pour les essais. Figure n°22 : schéma de la manipulation. Une ASI sera donc connectée sur le réseau et la charge active sera câblé câblée sur sa sortie, puis elle sera elle aussi raccordée au réseau. La tension de l’onduleur de l’ASI est réglable ce qui permet de réaliser des transferts de charges avec des différences de tension et de phase comme le demande le cahier des charges. Une ASI DGP 250 a été placée en amont de la charge active, la figure n°22 montre l’installation. Protection de l’installation : Dimensionnement des fusibles et câbles pour un facteur de puissance unitaire : La puissance apparente de la charge active est de 180kVA. Elle va donc consom consommer mer un courant maximum de 260 A. On suppose que : - les pertes de l’ASI et de la charge active sont de 15 kW. - les deux redresseurs fonctionnent avec un facteur de puissance unitaire unitaire. - l’onduleur de la charge active est réglé pour un facteur de puissance unitaire. Le courant absorbé sur le réseau est donc de : = ce qui donne : = 282 Le courant injecté sur le réseau est alors de : ! ce qui donne onne : 239 Par hypothèse, les courants absorbéss et injectés sont en opposition de phase, on en déduit ainsi : 31 43 Le courant absorbé sur le réseau est de 43,5A, le calibre de fusible supérieur est donc choisi : il s’agit de fusible 80A gG. La plateforme de tests est équipée de câbles en cuivre à double isolation, il faut maintenant déterminer la section des câbles. Le courant admissible dans le conducteur est décrit par la norme NFC 15-100 : le courant admissible doit être supérieur à la quantité suivante. ≥ & ' (& ( ( Avec - & ' : courant maximum dans l’installation. -(& : coefficient de mode de pose, ici 1. -( : coefficient du nombre de câbles posés ici 1. -( : coefficient de température et type de câble, ici 0,94. On obtient donc : = 300 . Les câbles en cuivre de section 150mm2 conviennent. La figure 23 montre les fusibles et les câbles et la figure 17 montre l’installation. Figure n°23 : fusibles et câbles. 32 Réseau DGP 250 Charge Active Figure n°24 : Installation de la manipulation. 3.1.2 Essai de transfert de charge. Les essais de transfert de charge sont réalisés à différents taux de charge avec pour commencer des tensions de 230V sur l’onduleur et sur le by-pass. Dans ces conditions les transferts de charge s’effectuent de manière correcte sans arrêt de la charge active quel que soit le sens du transfert (onduleur vers by-pass ou by-pass vers onduleur). La figure 25 montre ces transferts : 33 Transfert de charge Réseau Onduleur Rouge, Jaune, Bleu : tension composée onduleur de la charge active Vert : courant onduleur de la charge active Figure n°25 : transfert de charge avec tension by by-pass égale à la tension onduleur. Le transfert de charge s’effectue du réseau réseau,, aucun phénomène ne vient perturber le transfert de charge. La tension de l’onduleur est baissée progressivement jusqu’à 210V (tension simple). Pour cette tension le transfert réseau vers onduleur provoque l’arrêt arrêt de la charge active. Cet arrêt se e matérialise par une ouverture du contacteur KM 40. Les ASI et les charges actives sont équipées de contacteurs qui sont insérés dans le filtre (comme comme le montre la figure 26), 26 qui permettent de connecter ou de déconnecter le système de l’installation. Figure n°26 : Implantation du contacteur KM 40. 40 Des mesures ont été effectuées lors du transfert, elles elle montrent que le transfert ransfert s’effectue correctement mais après une période, le courant disparait en raison de l’ouverture du du contacteur KM 40. La figure 27 montre ce transfert de charge. 34 Transfert de charge Arrêt de la charge active Rouge : tension onduleur de la charge active Jaune : tension du bus DC Bleu : Courant dans l’inductance de l’onduleur charge active Vert : Courant injecté au réseau Figure n°27 : Transfert de charge raté. Le transfert de charge provoque une variation du bus DC de 8V qui est compensé par la régulation, la tension est de nouveau à 800V après une période de réseau. Au A moment du transfert,, la tension onduleur est plus faible que les 210V de consigne. Une valeur de 195V est mesurée sur la période qui suit le transfert. transfert. Le courant onduleur de la charge active ne varie pas lors du transfert mais le courant réseau diminue. Le logiciel UpsXplorer enregistre tous les états des différents organes de la charge, ils sont situé situés dans un fichier appelé historique. La figure 28 présente ce fichier. 35 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 60 61 62 63 08/04/2014 08/04/2014 08/04/2014 08/04/2014 08/04/2014 08/04/2014 08/04/2014 08/04/2014 08/04/2014 08/04/2014 08/04/2014 08/04/2014 08/04/2014 08/04/2014 08/04/2014 08/04/2014 08/04/2014 10:36:08.590 10:36:08.560 10:36:08.530 10:36:08.310 10:36:08.280 10:36:08.250 10:36:08.230 10:36:08.200 10:36:08.190 10:36:08.170 10:36:08.140 10:36:08.140 10:36:08.140 10:17:57.960 10:17:57.930 10:17:57.420 10:17:57.420 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 States adv Measur. Adv Measur. Adv User Unit States adv User Unit Measur. Adv Measur. Adv User Unit States adv Measur. Adv Measur. Adv Measur. Adv User Unit Measur. Adv Measur. Adv User Unit Bypass Inverter Inverter States Bypass States Inverter Inverter States Bypass Inverter Inverter Inverter States Inverter Inverter Cmd KM 40 closed KM40 logic step KM40 logic step Inv SS/contactor closed KM 40 closed Inv SS/contactor closed KM40 logic step KM40 logic step Inverter ON KM 40 closed KM40 logic step Inverter logic step Inv Debug Value Inverter ON Inverter logic step Inverter logic step Inverter ON NO 30 25 YES YES NO 20 10 NO NO 30 10 1 YES 20 15 YES Figure n°28 : Aperçu de l’historique de UpsXplorer. Au moment du transfert de charge, le logiciel montre qu’un défaut se produit sur l’onduleur (passage à 1 de la variable inverter debug value) ce qui provoque des changements d’état des automates de l’onduleur et du contacteur KM40, ce qui provoque l’ouverture du contacteur et l’arrêt de l’onduleur. L’étude de ces automates et de leurs codes va permettre de comprendre l’arrêt de la charge active. 3.2 Modification du système. 3.2.1 Masque de tension et automate du contacteur KM40. Le contacteur KM 40 est contrôlé par un automate qui figure sur la figure n°29. Sur cet automate il apparaît qu’un contrôle de la tension sur l’onduleur de la charge active est effectué. Si celle-ci n’est pas correcte, l’automate converge vers une étape qui impose KM 40 ouvert. Sur l’oscillogramme de la figure 20 la tension onduleur a baissé à 195V efficaces lors du transfert de charge. L’analyse du code va permettre de situer la valeur limite de la tension. 36 Figure n°29 : Automate du contacteur KM 40. 40 L’architecture de contrôle d’une ASI est composée d’un microcontrôleur et d’un DSP. Le premier est en charge char de la communication avec l’extérieur et gère les différents organes de l’ASI, c’est lui qui contrôle les automates tel que celui du KM 40 et qui donne les ordres de démarrage ou d’arrêt des différents convertisseurs. Le DSP effectue les calculs liés à la régulation et aux mesures. Il délivre les PWM qui pilotent l’onduleur et le redresseur et réalise les tests sur les mesures comme celle de la tension de l’onduleur. Les deux composants communiquent grâce à des bus SPI pour les informations standards et en filaire pour les informations critiques. critiques L’étude du code s’est déroulée de la manière suivante : la variable inverter debug value a été localisée localisé dans le DSP. Les causes possibles de mise à 1 ont été déterminées déterminé : il s’agit d’un défaut sur la PLL ou d’une d’ tension efficace hors masque. Les masques sont les valeurs minimum et maximum dans le lesquelles doit se trouver une mesure, mesure ils sont réglables depuis UpsXplorer. La variable ble est ensuite envoyé envoyée aux microcontrôleurs et fait évoluer l’automate du contacteur KM 40. 37 La cause d’arrêt dans notre cas est u une ne tension onduleur hors masque. La charge active n’a pas fait l’objet d’un développement spécifique ue car c’est une évolution de l’ASI l’ASI DGP 200. Le code de l’onduleur est une réadaptation du code du redresseur la valeur des masques sques a été écrite dans le code et fixée à 210V et 260V. Ce résultat concorde avec les mesures effec effectuées sur le système qui donne une tension 195V qui va provoquer l’ouverture du contacteur KM 40. alisé les modifications du code pour rendre paramétrables les masques de tension onduleur depuis le J’ai donc réalisé logiciel UpsXplorer et les régler comme les le masques du redresseur à 120V. 3.2.2 Essai des modifications. La modification des masques ues de tension tensio de l’onduleur a été implémentée dans la charge active et testée testé à puissance nominale. Avec ces es modifications, aucun arrêt lors des transferts de charges charges n’a été observé. La figure 30 montre l’oscillogramme d’un transfert de charge. Transfert de charge Réseau Onduleur 230V 210V Rouge : tension onduleur de la charge active Jaune : tension du bus DC Bleu : Courant dans l’inductance de l’onduleur charge active Vert : Courant injecté au réseau Figure n°30 : Transfert de charge réussi. Grâce à la modification fication du code du DSP la charge active accepte des transferts de charge avec une tension onduleur de 185V ce qui prouve que le problème était lié aux au masques de tension. 38 3.3 Problème de mesure de capteur de tension. 3.3.1 Mise en situation. Lors des tests de transfert de charge un problème de mesure de tension sur l’ondul l’onduleur de la charge active a été détecté. La mesure en sortie d’onduleur est fausse, mais la mesure de sortie d’ASI est correcte. Cette erreur de mesure peut perturber les transferts de charge et provoquer une ouverture du contacteur KM 40 dans des conditions qui ne nécessitent pas cette ouverture. La figure n°31 montre la configuration de test dans laquelle le problème se produit. Figure n°31 : Configuration de mesure de tension. Lorsque la charge active est alimenté alimentée par le by-pass pass de l’ASI DGP 250 la mesure de tension de l’onduleur (de UpsXplorer) est plus haute que la réalité si le redresseur de la charge active est en marche. Mais quand l’ASI DGP 250 fonctionne en double conversion la mesure de tension est alors correcte. Les autres mesures de tension de la charge active (redresseur et sortie sont toujours toujour correctes). Le tableau eau suivant résume les différentes mesures (figure 32): Tension redresseur Tension by-pass Tension sortie charge active Tension onduleur Tension UpsXplorer (V) 233 233 232 243 Tension mesure (V) 233 233 233 233 Figure n°32 : Mesure sur le système réel. Les mesures redresseur et onduleur sont échantillonnées à 12kHz et sont déphasées de 90°, 90° de plus les mesures du redresseur sont faites sur les tensions composé composées alors que les mesures onduleur sont faites sur les l tensions simples. 39 Les deux convertisseurs découpent à une fréquence de 6kHz modulée à 50 Hz ce qui génère des fréquences entre 6 et 12kHz qui ne respectent pas le critère de Shannon. L’étude qui suit vise à montrer que le repliement spectral est bien à l’origine de ce problème de mesure. Hypothèse : le découpage du redresseur perturbe la mesure onduleur car elle donne naissance à des fréquences comprises entre 6kHz et 12kHz qui replient. 3.3.2 Repliement spectral. La modulation de largeur d’amplitude crée des harmoniques de tension autour des fréquences 6kHz et 12kHz. C’est de cette manière qu’une composante à 11950 Hz est observée sur la tension créneau du redresseur. Le calcul suivant explique ce phénomène. La décomposition en série de Fourier d’un signal carré d’amplitude E et de rapport cyclique ) est donnée par la relation suivante : <= * = +2) − 1-. + / >? 4. sin+01)- cos+078 9- :1; 01 Avec 78 pulsation de découpage ? Et ) = @ :1 + ABC0+79-], 7 pulsation réseau En développant l’expression on obtient (équation 2): * A.BC0+79- <= / E>F <= 4. 1 +−1-E GF HA+2D + 1- I cosJ+2D + 1-78 K +2D + 1-1 2 <= 1 4. +−1-E / G@ LA+2D + 1- M cosJ+2N7 + +2D + 1-78 -9K +/ 2 +2D + 1-1 E>F <= E>F <= 4. 1 +/ +−1-E / G@ LA+2D + 1- M cosJ+2N7 − +2D + 1-78 -9K 2 +2D + 1-1 E>F <= <= E>? <= >? <= 4. +/ +−1-E / G@ 2D1 +/ E>? 4. +−1-E / G@ 2D1 >? E>F O? +AD1- sin LJ+2N − 1-7 + 2D78 K9M O? +AD1- sin LJ+2N − 1-7 − 2D78 K9M [2] Ou GE désigne les fonctions de Bessel De ce calcul on déduit que la MLI génère les fréquences 50Hz, 5050Hz, 6000Hz, 6050Hz, 11850 Hz et 11950 Hz. Les fréquences 6050Hz, 11850Hz et 11950Hz peuvent se replier sur les fréquences 5050Hz, 150Hz et 50Hz, ce dernier repliement va modifier la valeur du fondamental et ainsi perturber la mesure. Les valeurs mesurées sur le système réel sont : 40 Tension by-pass Tension redresseur Tension onduleur Tension (V) 233 232 236 UpsXplorer Tension (V) 233 233 233 mesurée Fondamental (V) 232 232 232 mesuré Tension fréquence 11950 Hz (V) 0,243 0,183 0,991 Figure n°33 : Mesure avec repliement. La fréquence 11950 Hz est bien mesuré mesurée sur le système réel cee qui concorde avec le calcul théorique et montre la validité de l’hypothèse du repliement. Le repliement va maintenant être simulé. Les simulations nécessaires à l’étude du repliement sont menées mené sur le logiciel PSIM, PSIM la figure 34 montre le schéma utilisé pour les simulations. Figure n°34 : Simulation du problème capteur. Hypothèses : - le convertisseur utilise une MLI à deux niveaux qui génère des créneaux créneaux de plus ou moins 400V. Cette MLI modélise le comportement du redresseur. - seul le filtre redresseur intervient dans le repliement. - la mesure redresseur s’effectue sur la tension composée composé et la mesure onduleur sur la tension simple et déphasée déphasé de 90°. 41 Les simulations ont pour but de reconstituer l’échantillonnage et de montrer le repliement de la fréquence 11950 Hz sur le fondamental. Le tableau suivant regroupe les différentes valeurs obtenues : Valeur efficace (V) Tension Mesure onduleur Mesure redresseur 232 236 232 Fondamental échantillonné Fréquence 11950Hz (V) (V) 231 1,82 233 1,41 231 0,702 Figure n°35 : Mesure obtenue en simulation. La simulation montre que la fréquence 11950 Hz dans le cas de l’onduleur replie lors de l’échantillonnage et vient s’ajouter au fondamental perturbant la mesure qui affiche alors une erreur de 4V. La mesure redresseur est correcte, sa composante à 11950Hz est bien inférieure à celle de l’onduleur et ne perturbe pas le fondamental. Le contrôle de cette fréquence 11950 Hz est impératif pour obtenir une mesure correcte, nous allons maintenant étudier deux solutions. 3.3.3 Solutions. Première solution : implantation d’un condensateur dans le filtre de l’onduleur de la charge active. Les mesures de tensions dans les ASI sont faites sur des condensateurs car ils filtrent les hautes fréquences ce qui permet d’éviter le problème de repliement spectral. Sur la charge active la mesure de tension onduleur est effectuée sur l’inductance d’entrée du filtre. Pour résoudre le problème de repliement un condensateur va être ajouté à l’entrée du filtre. La figure 36 montre les deux filtres. Filtre onduleur charge active V 50u L_10 100u L_11 C_10 120u Filtre anti-repliement charge active V 50u L_10_1 120u C_10 L_11_1 100u 120u C_10 Figure n°36 : Filtre anti-repliement de la charge active. 42 Le condensateur modifie la réponse fréquentielle du filtre et atténue les hautes fréquences qui sont susceptibles de replier. La fréquence de coupure est alors plus basse ce qui permet de filtrer d’avantage. La figure 37 suivante montre les diagrammes de Bode des deux filtres. Bode Diagram 150 Magnitude (dB) 100 50 0 -50 0 Phase (deg) -45 -90 -135 -180 3 4 10 10 5 10 Frequency (rad/sec) Bleu : filtre d’origine Vert : filtre avec condensateur de filtrage Figure n°37 : Bode du filtre de l’onduleur. L’ajout du condensateur permet de déplacer la fréquence de coupure de 1274 Hz à 875 Hz. La fréquence 11950 Hz a maintenant un gain théorique de 0,024 ce qui doit permetre de réduire à 0,04V cette fréquence et ainsi de contrôler le repliement pour obtenir une mesure correcte. Le modèle PSIM précédent est utilisé en ajoutant le condensateur. Les simulations permettent d’obtenir les résultats suivants : Tension réseau Tension onduleur Tension redresseur Valeur efficace (V) Valeur fondamental (V) 232 232 232 231 231 231 Valeur fréquence 11950 Hz (V) 1,83 0,854 0,765 Figure n°38 : Simulation avec le filtre anti-repliement. La simulation montre que le nouveau filtre permet bien de réduire l’amplitude de la fréquence 11950 vue par l’onduleur. Elle a maintenant une valeur similaire à celle du redresseur et ne perturbe donc plus la mesure. 43 L’étape suivante est le test machine, la figure 39 ci-dessous montre l’installation des condensateurs dans la charge active. Figure n°39 : Implantation des condensateurs dans la charge active. Comme attendu après la simulation, les condensateurs permettent d’obtenir une mesure correcte sur le système réel, le tableau regroupe les différentes mesures : Tension redresseur Tension by-pass Tension sortie charge active Tension onduleur Tension UpsXplorer (V) 234 233 234 234 Tension mesuré (V) 234 234 234 234 Figure n°40 : Mesure effectuée sur le système réel. L’ajout des condensateurs permet de modifier la réponse fréquentielle du filtre pour filtrer avec un gain de -27 dB la fréquence 11950 Hz et ainsi obtenir une mesure correcte. Cette solution ayant une contrainte de coût et de place importante, nous allons étudier une solution plus simple. Deuxième solution : Implantation d’un filtre anti-repliement dans la chaîne de mesure. Une autre solution pour filtrer la fréquence 11950 Hz est d’insérer un filtre passe-bas dans la chaîne de mesure de l’onduleur. Le cahier des charges du filtre est le suivant : Le filtre doit : - Limiter l’erreur de mesure à 2V - Avoir un gain unitaire sur la bande passante de la régulation (0-6kHz) - Ne pas apporter de phase sur la bande passante de la régulation (0-6kHz) - Ne pas modifier l’impédance de la chaîne de mesure. - Se monter facilement dans la charge active. Avec les différentes mesures réalisées pour obtenir une erreur de 1V il faut que la valeur efficace de la fréquence 11950 Hz soit de 0,15V ce qui implique un gain de -16,8dB. Pour ne pas perturber la bande passante utilisée par la 44 régulation nous choisissons un filtre du second ordre passif. Pour ne pas perturber l’impédance du montage des de circuits suiveurs seront implantés en amont et en aval du filtre. La figure 41 montre le filtre : Figure n° 41 : Filtre passif anti-repliement. anti Les Aop sont choisis avec une bande-passante bande suffisamment grande pour être considérés à gain unitaire dans nos fréquences de travail. Nous obtenons les résultats ré suivants 1 P@ -S7 Q+7- 1 R+2P? 1100 et C= 250nF Pour fc=6kHz et en fixant P? = 1100T Nous obtenons P@ =560Ω (Valeur normalisée normalis la plus proche). P? P@ S @ 7 @ Un prototype a été réalisé et testé avec un GBF pour vérifier le diagramme de Bode du filtre filtre, la figure 42 suivante montre les réponses théoriques et pratiques pratique du filtre. 2 0 1 10 100 1000 10000 100000 -2 Gain dB -4 -6 Théorique -8 Réelle -10 -12 -14 -16 Fréquence (Hz) 45 0,2 0 -0,2 1 10 100 1000 10000 100000 -0,4 Phase (rad) -0,6 -0,8 théorique -1 Réelle -1,2 -1,4 -1,6 -1,8 -2 Fréquence (Hz) Figure n°42 : Diagramme de Bode du filtre. La réponse en amplitude du filtre colle à l’allure théorique. Pour la fréquence 11950 Hz le gain est de -13,2 dB donc l’amplitude de la raie est de 0,22V. Cette valeur est suffisante pour assurer une erreur inférieure à 2V. La réponse en phase du filtre présente un écart par rapport à la réponse théorique dû aux conditions de test, la réponse est néanmoins satisfaisante. Le gabarit du filtre répond au cahier des charges, il va donc être testé dans la charge active. Un certain nombre de précautions doivent néanmoins être prises avant de mettre le système sous tension. La masse du filtre doit être raccordée au plan de masse des cartes par une tresse. Les nappes et fils de la carte doivent être plaqués sur un support pour éviter les perturbations CEM. La manipulation des cartes doit se faire avec un bracelet ESD. La figure 43 montre l’implantation de la carte dans la machine. Figure n°43 : Carte du filtre anti-repliement. 46 Le test avec le filtre anti-repliement a été inséré sur une phase pour pouvoir analyser son comportement. Le tableau suivant récapitule les résultats. Tension UpsXplorer (V) Tension by-pass Tension redresseur Tension onduleur 234 234 242 Tension UpsXplorer redresseur filtrée (V) 235 236 236 Tension mesurée (V) 234,9 234,8 234,6 Figure n° 44 : Mesure sur le système réel. Le filtre anti-repliement permet bien de réduire l’erreur sur la chaîne de mesure à 1.5V ce qui répond au cahier des charges. La mesure sur l’onduleur passe d’une erreur de 8 V avec une composante 1.4V à 11950 Hz à une erreur de 1.4V avec une composante filtrée de 0.3V à 11950 Hz. Pour obtenir une erreur nulle, il faudrait un filtre d’un ordre supérieur pour dépasser les – 16dB. Ce résultat confirme que l’erreur de mesure est bien due à un repliement spectral de la fréquence 11950 sur le fondamental. Ces deux solutions sont possibles pour résoudre ce problème. 3.4 Etude des faibles puissances. 3.4.1 Problème à faible puissance. Au cours des essais sur la charge active, il est apparu que pour des consignes inférieures à 50kW le courant absorbé par la charge active n’est plus sinusoïdal. Et pour des fréquences inférieures à 20KW les harmoniques 3,5 et 7 ont une amplitude suffisamment importante pour déformer le signal. La figure 45 montre la forme d’onde obtenue pour une consigne de 10kW. 47 Jaune : Tension de l’onduleur de la charge active Rouge courant absorbé par la charge active Figure n°45 : Courant absorbé pour une consigne de 10kW. Les harmoniques 3 et 5 sont visibles sur le courant, la charge active a alors un comportement de charge non linéaire. Le THDi global est alors de 40,6%. Cette forme de courant est observée quelle que soit la source utilisée (onduleur ou réseau). Pour des consignes de puissances plus grandes, la forme d’onde du courant est bien sinusoïdale comme le montre la figure n°46. Le THDi obtenu est de 2,2%. 48 Jaune : Tension de l’onduleur de la charge active Rouge courant absorbé par la charge active Figure n°46 : Courant absorbé pour une consigne de 180kW. Pour étudier ce phénomène, des simulations vont être effectuées sur le logiciel PSIM couplé à Matlab. Le but de ces simulations est d’obtenir un courant sinusoïdal pour les faibles puissances. 3.4.2 Modélisation du système. La charge active est une évolution de l’ASI DGP200 dans laquelle la régulation de l’onduleur contrôle le courant absorbé et ne contrôle plus la tension comme le montre la figure 17. A partir des fichiers de simulation de la DGP 200, j’ai créé le modèle de la charge active. Dans ce modèle, les composants sont supposés parfaits. La figure 47 montre la boucle générale de l’asservissement sous matlab. 49 Figure n°47 : modèle Matlab. atlab. Grâce au modèle Matlab, j’ai pu constater que lorsque le système est alimenté par une source parfaite, parfaite le courant ne comporte pas d’harmoniques 3, 5 ou 7 et le THDi global est alors de 20%. Comme d’après l’équation l’é 2 la MLI ne génère pas ces harmoniques, celaa signifie que le système réagit avec les harmoniques de la source. Lorsque la source de Matlab contient du H3 le système réagit et le courant contient alors des harmoniques. Le tableau de la figure 48 donne les résultats : Sources parfaites Sources réelles Courant H3 (efficace) A 0 2.43 Courant H5 (efficace) A 0 1.78 Les simulations concordent avec les mesures effectué effectuées, es, nous allons donc chercher une méthode qui permet de contrôler ces harmoniques. 3.4.3 Contrôle du H3. La charge active est connectée au neutre du réseau, réseau, en supprimant cette connexion la circulation de l’harmonique 3 est alors interdite. 50 Des simulations sans le neutre ont été menées mais des composantes de H3 qui ne sont pas en phase circulent dans le système en simulation et sur le système réel. Ces courants n’existent pas lors que le neutre est présent. Aucune explication n’a été trouvée pour l’instant. Le système est doté d’extracteurs d’harmoniques qui permettent d’isoler une fréquence et de l’amplifier pour que le correcteur réagisse à cette fréquence. Ces extracteurs pourraient être améliorés en utilisant des intégrateurs d’harmoniques. Une autre option est de prévoir des gains variables en fonction de la puissance. En basse puissance des gains importants pour corriger les harmoniques sont nécessaires. Des valeurs plus faibles pour les hautes puissances doivent être utilisées pour éviter les résonnances. 51 4 Conclusion. 4.1 Calendrier final. semaine Février Mars Avril Mai Juin Juillet Aout 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Tâches Habilitation Pris e e n main s uje t Documentation ASI Documentation régul Inventaire charge active Te st charge active Impact de charge Transfert de charge Power factor Différence de phase Problème capteur Test eco mode Modé lis ation thé orique modèle de la charge active transfert de charge Modèle d'état Neutre Power factor Différence de phase 50/60Hz Problème capteur Modification Nouveau modèle fonction append et connect Modification capteur modèle basse puissance Extracteur d'harmonique Filtre capteur Implé me ntation prise en main environnement Implémentation du modèle Test de l'implémentation soft masque Re daction rapport Rapport école 52 Le tableau ci-dessus montre le calendrier final du PFE. Les points non planifiés en début de stage apparaissent en rouge. Les études sont en bleu. Le point principal : les transferts de charge ont été traités. Suite aux différents tests effectués sur le système, des points non prévus sont apparus comme le problème de mesure ou le comportement non linéaire à faible charge. Ses points ont entraîné une dérive du calendrier initial car ils ont demandé des simulations et des tests. Le problème capteur a pu être solutionné grâce à un filtre anti-repliement. 4.2 Conclusion. Mon projet de fin d’études m’a permis d’intégrer l’équipe de recherche et développement Critical power de la société SOCOMEC. J’ai ainsi pu découvrir le domaine des alimentations sans interruption de forte puissance, et en particulier les différents tests effectués. Ces tests ont un fort coût énergétique, c’est pourquoi les charges actives ont été développées. Mon travail a consisté à améliorer leurs fonctionnements, pour cela j’ai donc suivi une formation à l’habilitation électrique afin d’accéder à la plateforme de tests. J’ai ensuite réalisé une manipulation qui permet de caractériser le fonctionnement de la charge active. Ce montage comporte une ASI et la charge active, les courants à puissance nominale sont de 260A. Grâce à cette manipulation j’ai ainsi pu traiter les points suivants : - Les transferts de charge sont maintenant acceptés par la machine, les essais ont permis de caractériser les raisons de l’arrêt et ainsi de trouver une solution en modifiant le code du DSP. Avec ce nouveau programme, la charge active admet des transferts de charge avec des tensions différentes de ± 15%. Elle admet maintenant des tensions d’entrée composées entre 385 et 415V. - Le fonctionnement en conversion de fréquence a été validé, la charge active peut réaliser des tests à 60Hz. - Le fonctionnement en charge inductive ou capacitive est satisfaisant, la charge peut même se comporter comme une charge capacitive ou inductive pure. - La charge active accepte des transferts de charge avec des déphasages de ±15°. - Lors de la mise sous tension d’un transformateur, les capteurs de courant de la charge active voient l’appel de courant du transformateur et la machine se met en défaut. La régulation ne permet pas de régler ce problème, un autre positionnement des capteurs pourrait le résoudre. - Un repliement spectral perturbait la chaîne de mesure de tension onduleur de la charge active. Deux filtres antirepliement ont été testés, ils permettent de régler le problème. - La charge active a un fonctionnement non linéaire pour des puissances inférieures à 20kVA. Cette non linéarité est due à la forte présence d’harmoniques 3,5 et 7. L’utilisation d’intégrateur d’harmoniques dans les boucles de régulations est une piste envisagée pour régler le problème. Mon projet de fin d’études m’a permis d’augmenter mes connaissances sur les convertisseurs de fortes puissances, mais aussi dans d’autres domaines du génie électrique comme le traitement de signal ou le filtrage. J’ai eu la chance de réaliser des essais sur une installation de 200kVA et j’ai pu mesurer les difficultés liées à la mise en place de la manipulation, la sécurité électrique. Le stage m’a permis de travailler sur les modèles Matlab –PSIM de la charge active et de voir les différentes méthodes de contrôle des convertisseurs. 53 Glossaire ASI : alimentation sans interruption. Busbar : conducteur métallique sur lequel sont placés les condensateurs du bus DC By-pass : interrupteur statique bidirectionnel. CEM : compatibilité électromagnétique. Chaîne double conversion : association d’un redresseur et d’un onduleur séparé par un bus DC. DGP : delphys grenn power est une gamme d’ASI dont la charge active est issue. Impacte de charge : échelon de puissance sur une charge (passage de P=0 à P=Pnominal). Statys : organe de commutation rapide : il permet le passage instantané d’un réseau à un autre. Transfert de charge : changement de réseau amont d’une charge. THDi : taux de distorsion harmonique du courant. THDv : taux de distorsion harmonique de tension. 54 Annexe FL_1 Annexe 1 : Schéma électrotechnique de la charge active. 55 Annexe 2 : Article rédigé dans le journal de l’entreprise. Utilisation des charges actives. Le test des ASI (alimentation sans interruption) demande de fortes puissances électriques qui sont généralement transformées en chaleur par des charges résistives. Ces tests ont donc un fort coût (environ 70% des dépenses d’électricité de l’usine3). Comment réduire la consommation électrique de l’usine ? La R&D a mis au point le concept de charge active qui vise à recycler l’énergie électrique nécessaire aux différents tests. La charge active simule l’installation du client mais réinjecte l’énergie de test sur le réseau. Elle est une évolution d’un produit déjà commercialisé qui permet l’injection d’énergie sur le réseau. Aujourd’hui, on totalise 9 charges actives de 180 kilowatts sur l’usine 3 (réparties entre la R&D et les points de tests) grâce auxquelles une économie de 20 000€ à été réalisée lors des deux dernières années. Cependant, le fonctionnement des charges actives n’est pas optimum ce qui limite leur utilisation notamment devant les clients, et aussi les économies d’énergie qu’elles peuvent réaliser. Actuellement, le service de développement étudie les diverses améliorations de fonctionnement à apporter aux charges actives. Une manipulation est en cours dans les locaux du développement de l’usine 3. Elle a permis de caractériser les défauts et de tester de nouvelles solutions. L’étude en cours explore aussi la possibilité de l’utiliser dans d’autres contextes comme pour des tests spécifiques réalisés par la R&D et qui actuellement transforment l’énergie en chaleur. Le but de ce projet est d’améliorer le fonctionnement de la charge active et de promouvoir son utilisation pour réduire la facture d’énergie de l’usine. 56
