Chapitre I La variation de fréquence du réseau électrique
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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE DES FRERES MENTOURI CONSTANTINE FACULTE DES SCIENCES DE L'INGENIEUR DEPARTEMENT D'ELECTROTECHNIQUE N° d'ordre :……..…….. Série :…………… Mémoire Présenté en vue de l’obtention du Diplôme de Master en Electrotechnique Option Electrotechnique Thème SUIVI DE LA FRÉQUENCE DU RÉSEAU ÉLECTRIQUE À L’AIDE D’UNE CARTE ARDUINO Présenté par : KHALID RAMZI Dirigé par: DR M.E.K OUMAAMAR Soutenu le : 17 Juin 2015 Promotion : 2015 Remerciement Je tiens tout d’abord à remercier DIEU le tout puissant de m’avoir aidé et donne la sante et la patience d’accomplir ce travail. En seconde lieu, je tiens a remercier mon encadreur monsieur M.E.K OUMAAMAR docteur a l’université Constantine 1, pour ses nombreux conseils et sa compréhension. Absolument, je remercie monsieur Pr. KHAZZARA le président de laboratoire d’électrotechnique Constantine LEC qui nous a donné les meilleurs conditions, son cher temps et ses conseils, soutien moral et tous ces efforts pour bien réussir Ce projet. Bien sûr, ne pas oublier remercie monsieur A.L.NEMMOUR pour se nombreux conseils et pour son aide dans la réalisation de ce travail. Mes vifs remerciements vont également aux membres du jury pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon recherche en acceptant d’examiner ce travail. Mes sentiments de reconnaissance et mes remerciements s’adressent également Aux membres de mon groupe de travail pour les moments sympathiques Qu’on a passé ensemble. Enfin, je tiens également à remercier gracieusement toute personne qui a contribuée de près ou de loin à la réalisation de ce travail. DÉDICACE À MA MERE, ce travail est le fruit de tes efforts et l'aboutissement de tes nombreuses nuits de prières. À mon père, pour m'avoir soutenu moralement, matériellement et financier jusqu'à ce jour. À mes frères LOUTFI et NOUFEL, à ma sœur DALAL et Je n’oublie jamais les deux petites ROJINA et MOUHAMED. À ma grand-mère et à toute ma famille. À tous mes collègues de la promotion Master 2 électrotechnique 2015 À tous mes amis. RAMZI LISTE DES FIGURES FIG I.1 LES PARTIES D’UN RESEAU ELECTRIQUE ....................................................................................... 2 FIG I.2 LE MAINTIEN DE LA FREQUENCE ...................................................................................................... 5 FIG I.3VARIATIONS NORMALES DE FREQUENCE ....................................................................................... 5 FIG I.4 VARIATIONS GLOBALES DE FREQUENCE........................................................................................ 6 FIG I.5 LES FORTES VARIATIONS DE FREQUENCE ..................................................................................... 6 FIG I.6 SCHEMA DU PRINCIPE DU REGLAGE PRIMAIRE DE LA FREQUENCE ....................................... 9 FIG I.7 REGLAGE SECONDAIRE......................................................................................................................10 FIG II.1 LA CARTE " ARDUINO UNO" SUR LAQUELLE NOUS ALLONS TRAVAILLER ........................ 15 FIG II.2 L’INTERFACE DE LA CARTE ARDUINO UNO ................................................................................16 FIG II.3 SCHEMA SIMPLIFIE DE LA CARTE ARDUINO UNO .....................................................................16 FIG II.4LES CARACTERISTIQUES DE LA CARTE ARDUINO UNO ........................................................... 17 FIG II.5 LE MICROCONTROLEUR ATMEL ATMEGA328 .............................................................................17 FIG II.6 LE MODULE BLUETOOTH " HC-06" SUR LAQUELLE NOUS ALLONS TRAVAILLER ............19 FIG II.7 LE BRONCHEMENT DU MODULE BLUETOOTH " HC-06" AVEC LA CARTE ARDUINO ........19 FIG. III.1 La structure du projet ..................................................................................................................21 FIG. III.2. Le schéma de circuit de synchronisation avec le réseau ..................................................22 FIG. III.3. Les résultats de simulation de circuit de synchronisation avec le réseau….……………22 FIG. III.4. Le montage pour la mesure et l’affichage de la fréquence ...........................................23 FIG. III.5. L’affichage de la fréquence mesuré dans l’ordinateur .....................................................23 FIG. III.6. Le montage pour mesurer la fréquence ...............................................................................24 FIG. III.7. Le capteur de tension .................................................................................................................25 FIG. III.8. Le circuit de synchronisation avec le réseau électrique ...................................................25 FIG. III.9. Le signale d’entré et le signale de la sortie du circuit de synchronisation .................25 FIG. III.10. L’affichage de la fréquence mesuré dans l’ordinateur ...................................................26 SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE CHAPITRE I : LA VARIATION DE LA FREQUENCE D’UN RESEAU ELECTRIQUE INTRODUCTION……………………………………………………………………………………………………………………………………1 I.LES RESEAUX ELECTRIQUES………………………………………………………………………………………………………………..1 II.LA STABILITE DES RESEAUX ELECTRIQUES…………………………………………………………………………………………3 III. LA VARIATION DE LA FREQUENCE……………………………………………………………………………………………………4 III.1.DEFINITION DE LA FREQUENCE…………………………………………………………………………………………………4 III.2.LA VALEUR DE LA FREQUENCE ………………………………………………………………………………………………….4 III.3.LES DIFFERENTS TYPES DE LA VARIATIONS DE LA FREQUENCE………………………………………………… 5 III.4.L’ECROULEMENT DE FREQUENCE…………………………………………………………………………………………….7 IV.LA REGULATION DE LA FREQUENCE D’UN RESEAU ELECTRIQUE……………………………………………………….8 IV.1.LE REGLAGE PRIMAIRE……………………………………………………………………………………………………………..8 IV.2.LE REGLAGE SECONDAIRE…………………………………………………………………………………………………………9 IV.3.LE REGLAGE TERTIAIRE……………………………………………………………………………………………………………….11 CONCLUSION………………………………………………………………………………………………………………………………………..11 CHAPITRE II : GENERALITE SUR LA CARTE ARDUINO INTRODUCTION: .............................................................................................................................................. 12 I.LE PROJET ARDUINO ...................................................................................................................................... 12 I.1.L’HISTORIQUE DU PROJET ARDUINO.......................................................................................................... 12 I.2.LA DEFINITION DE L’ARDUINO.................................................................................................................... 12 I.2.1.LA PATRIE MATERIELLE ............................................................................................................................ 13 I.2.2.LA PATRIE LOGICIEL ................................................................................................................................. 13 I.3.LE CHOIX DE LA CARTE ARDUINO ............................................................................................................... 15 II.LA CARTE ARDUINO UNO…………………………………………………………………………………………………………………………16 III.LE BUT DE L'UTILISATION DE L’ARDUINO .................................................................................................... 18 IV.LES APPLICATIONS DE L’ARDUINO .............................................................................................................. 18 V.LA COMMUNICATION BLUETOOTH ENTRE L’ARDUINO ET L’ORDINATEUR ................................................. 18 CONCLUSION……………………………………………………………………………………………………………………………………………… CHAPITRE III : REALISATION PRATIQUE ET SIMULATION DU PROJET INTRODUCTION……………………………………………………………………………………………………………………………………..21 I. LA SIMULATION DU PROJET ……………………………………………..…………………………………………………………………21 I.1 LA SIMULATION DU CIRCUIT DE SYNCHRONISATION AVEC LE RESEAU ELECTRIQUE………………..…..21 I.2 LA SIMULATION DE LA MESURE ET DE L’AFFICHAGE DE LA FREQUENCE……………………….………..…..23 II. LA REALISATION PRATIQUE DU PROJET …………………………………………………………….…………….…………...…24 CONCLUSION………………………………………………………………………………………………………………………………………….26 ANNEXE 1 ANNEXE 2 CONCLUSION GENERALE INTRODUCTION GENERALE INTRODUCTION GENERALE De nos jours, l'énergie électrique est très nécessaire dans tous les domaines et pour cela, toutes les entreprises qui gèrent les réseaux électriques à travers le monde ont toujours cherché à assurer la continuité de la distribution de l'énergie électrique et garder la stabilité du réseau électrique. La stabilité du réseau électrique déterminé par la stabilité de deux critères très importants et ils sont la tension et la fréquence, et cela doit suivre et contrôler l'ensemble de ces critères de façon permanente. Ce projet a été réalisé dans le cadre de la formation Master 2 recherche, option électrotechnique, au sein du laboratoire d'électrotechnique de Constantine (LEC). Dans ce travail on va représenter comment suivre la fréquence d’un réseau électrique à l’aide d’une carte ARDUINO UNO. Ce mémoire contient trois chapitres, organisés comme suit: Dans le premier chapitre nous allons faire présenter des notions générales sur le réseau électrique et l’étude de la variation de la fréquence. Dans le deuxième chapitre nous exposerons quelques généralités sur la carte ARDUINO. Dans le troisième chapitre nous allons réaliser et simuler ce projet, pour le suivi de la fréquence du réseau électrique à l’aide de la carte ARDUINO. CHAPITRE I LA VARIATION DE LA Fréquence D’UN RESEAU électrique Chapitre I La variation de fréquence du réseau électrique Introduction L’énergie électrique étant très difficilement stockable, il doit y avoir en permanence équilibre entre la production et la consommation. Les générateurs, les récepteurs et les réseaux électriques qui les relient ont des inerties mécaniques et/ou électriques qui rendent difficile le maintien d’un équilibre garantissant une fréquence et une tension relativement constantes. Normalement, face à une variation de puissance, le système électrique, après quelques oscillations, retrouve un état stable. Dans certains cas, le régime oscillatoire peut diverger. Des études sont nécessaires pour pouvoir éviter ce phénomène et garantir la stabilité du réseau électrique. Dans ce chapitre, nous allons présenter la variation de la fréquence du réseau électrique. Puis, on va présenter la régulation de cette fréquence. I- Les réseaux électriques L’énergie électrique est produite en même temps qu’elle est consommée, donc, en permanence, la production doit s’adapter à la consommation. De ce fait, l’ensemble production, acheminement, utilisation constitue un système complexe appelé réseau électrique. Un réseau électrique doit aussi assurer la gestion dynamique de l'ensemble production - transport - consommation, mettant en œuvre des réglages ayant pour but d'assurer la stabilité de l'ensemble. Dans tous les cas, ses caractéristiques s’expriment en termes de : - grandeurs électriques. - disposition spatiale. - données temporelles. Les grandeurs électriques sont : - La fréquence - La tension Page 1 Chapitre I La variation de fréquence du réseau électrique Ces grandeurs de base sont influencées par l’intensité du courant qui circule dans les lignes et les câbles ; laquelle est liée aux puissances actives et réactives générées, transportées et consommées. - La puissance active est produite par les alternateurs à partir d’énergie thermique ou mécanique, et consommée également sous forme thermique ou mécanique par les récepteurs. - La puissance réactive est produite ou consommée dans tous les éléments réactifs du réseau. Il faut noter qu’en régime dynamique, l’énergie active est « stockée » par les machines tournantes (inertie), et que l’énergie réactive l’est également, sous forme magnétique (ex. transformateurs ou machines tournantes) ou capacitive (ex. câbles). FIG I-1 : les parties d’un réseau électrique. La notion de qualité de l’électricité apparaît sous l’aspect de : - La continuité de fourniture : c’est la disponibilité de l’énergie électrique en un endroit donné qui peut être interrompue par des coupures brèves ou longues. - La forme de l’onde de tension (fréquence, amplitude). Page 2 Chapitre I II- La variation de fréquence du réseau électrique La stabilité des réseaux électriques Les centrales doivent à tout instant produire la quantité d’électricité nécessaire à l’alimentation de la consommation. Pour répondre à cet impératif, les centrales d’Algérie sont interconnectées grâce au maillage du réseau de transport, et peuvent se secourir mutuellement en cas de panne. Pour que le réseau interconnecté fonctionne, il existe une obligation commune à toutes les centrales : leurs alternateurs doivent tourner à la même vitesse électrique, afin de produire une alimentation de tension et de fréquence uniforme dans tout le réseau. C’est ce qu’on appelle le synchronisme des alternateurs. Les installations de production, de transport et de distribution de l'électricité forment un système très vaste et très complexe du fait notamment de son fort non linéarité. De nombreux acteurs, des producteurs aux consommateurs en passant par le réseau, composent et ont des effets varies sur ce système. Chacun de ces acteurs ou combinaison d'acteurs peut avoir des incidences favorables ou défavorables sur la qualité de l'énergie électrique, en termes de tension et de fréquence, ainsi que sur la sureté des réseaux. Ces systèmes électriques ont de nombreuses contraintes de fonctionnement. Ils ont la nécessité en premier lieu de maintenir en permanence l'équilibre entre la production et la consommation d'énergie électrique. La stabilité du réseau électrique est caractérisée par les fluctuations de puissances transitées dans le réseau et se mesure par les variations dans le temps des tensions et des fréquences associées. Les études de stabilité consistent à : - envisager les principaux scénarios critiques tels que court-circuit, perte d’énergie mécanique, perte de source électrique, variation de charge. - prédire le comportement du réseau face à ces perturbations. - préconiser les mesures à prendre en exploitation, telles que type de protection, réglage de relais, délestages, configurations…etc. pour éviter les modes de fonctionnement indésirables. Une instabilité généralisée du réseau peut conduire à des dégâts matériels (côté production, transport, distribution et clients) et/ou à la mise hors tension d'une partie ou de l'ensemble du réseau (blackout). Page 3 Chapitre I III- La variation de fréquence du réseau électrique La variation de la fréquence III-1- Définition de la fréquence La fréquence correspond au nombre de cycles que fait le courant alternatif en une seconde. Pour un alternateur, elle correspond au nombre de tours que fait l’arbre de la turbine en une seconde, multiplié par le nombre d’électro-aimants placés dans le rotor. n=f/P n : vitesse de l’alternateur [tr/s] f : la fréquence [Hz] P : nombre de paire de pôles. À la déférence de la tension, qui est un paramètre local (la tension est différente en tout point du réseau, elle dépend du courant qui circule dans les lignes au voisinage du point considéré), la fréquence est homogène dans tout le réseau électrique dés lors que la production et la consommation sont en équilibre. III-2- La valeur de la fréquence Le choix de la fréquence a été fait il y a plus de 100 ans. Cette fréquence correspond à un optimum technico-économique. Une fréquence plus élevée conduirait à des coûts de transport supérieurs et une fréquence trop faible risquerait d’être visible sur les ampoules, que l’œil humain verrait scintiller. La fréquence doit être maintenue autour de la valeur nominale, quelles que soient les variations de consommation ou de production. Elle est mesurée et contrôlée en temps réel avec précision afin de la maintenir dans une zone acceptable (± 0,5 Hz autour de 50 Hz ou 60 Hz selon le pays). En Effet, d’une part, une fréquence évoluant sans cesse rendrait l’électricité inutilisable pour de multiples usages, d’autre part, la plupart des composants du système électrique sont conçus pour fonctionner dans une plage de fréquence donnée, en dehors de laquelle des dysfonctionnements graves de matériels peuvent apparaitre. Page 4 Chapitre I La variation de fréquence du réseau électrique FIG I-2- Le maintien de la fréquence III-3- Les différents types de variation de la fréquence La fréquence varie en permanence très légèrement en fonction de la consommation d’électricité et des événements affectant la production. Les écarts de fréquence sont mesurés en millièmes d’Hertz. Les systèmes de régulation des centrales corrigent ces variations de fréquence. Les différents types de variations de fréquence : 1- les petites variations globales et aléatoires autour de 50Hz dues aux évolutions continues de la consommation. 50.15 50.1 50.05 50 49.95 49.9 49.85 00:00:00 00:10:40 00:21:20 00:32:00 00:42:40 00:53:20 01:04:00 01:14:40 01:25:20 01:36:00 01:46:40 01:57:20 02:08:00 02:18:40 02:29:20 02:40:00 02:50:40 03:01:20 03:12:00 03:22:40 03:33:20 03:44:00 03:54:40 04:05:20 04:16:00 04:26:40 04:37:20 04:48:00 04:58:40 05:09:20 05:20:00 05:30:40 05:41:20 05:52:00 49.8 FIG I-3-variations normales de fréquence. Page 5 Chapitre I La variation de fréquence du réseau électrique 2- les variations globales de fréquence, qui peuvent être provoquées par des variations brules de production (arrêt inopiné d’une centrale ou avarie sur la ligne de raccordement d’une groupe). 50.2 50.1 50 49.9 49.8 49.7 49.6 49.5 49.4 49.3 49.2 49.1 09:30:00 09:31:50 09:33:40 09:35:30 09:37:20 09:39:10 09:41:00 09:42:50 09:44:40 09:46:30 09:48:20 09:50:10 09:52:00 09:53:50 09:55:40 09:57:30 09:59:20 10:01:10 10:03:00 10:04:50 10:06:40 10:08:30 10:10:20 10:12:10 10:14:00 10:15:50 10:17:40 10:19:30 10:21:20 10:23:10 10:25:00 10:26:50 10:28:40 49,47 FIG I-4-variations globales de fréquence. 3- les fortes variations locales de fréquence qui surviennent lors d’incidents de type court-circuit. FIG I-5-les fortes variations de fréquence. Page 6 Chapitre I La variation de fréquence du réseau électrique III-4- L’écroulement de fréquence Lorsqu’un réseau est dans une situation tendue pour l’équilibre production /consommation, parce que la consommation atteint un niveau exceptionnel, ou à cause d’un parc de production en partie indisponible, une baisse de fréquence peut se produire. En dessous d’un certain seuil de fréquence, les groupes de production se séparent du réseau pour éviter d’être endommagés. La fréquence chute alors un peu plus, et de nouveaux groupes se séparent du réseau, accélérant le déséquilibre entre production et consommation, donc la chute de fréquence, c’est l’écroulement de fréquence. Ce phénomène est rapide, on constate une baisse de plusieurs Hertz par seconde. L’ensemble du réseau interconnecté se trouve alors dans une situation très critique. La variation de fréquence peut résulter : - d’un court-circuit proche d’une source. - d’une très grosse variation de puissance de la source. - du passage sur une source de remplacement ou de secours. Tout écart entre la production programmée et la consommation se traduit par une variation de la fréquence (le principe de conservation de l’énergie impose instantanée du déséquilibre par une variation de l’énergie cinétique de toutes les <<masses tournantes>>, groupes de production ou moteurs, tournant au synchronisme), et par une variation des échanges à travers les interconnections transfrontalières. Or l’équilibre production-consommation est perpétuellement remis en question par les fluctuations de la consommation et par le non-respect rigoureux des programmes de production, qui en pratique sont impossibles à tenir parfaitement. En cas de chute importante de la fréquence, due à une surcharge importante, deux solutions peuvent alors être engagées : - si la surcharge vient de la perte d’unité de production (suite à la perte d’une interconnexion par exemple), des systèmes automatiques lancent alors le délestage de certaines portions du réseau. - si la surcharge ne vient pas du réseau ou des unités de production, mais uniquement d’une consommation accrue, des unités de production sont mises en service et connectées au réseau. Page 7 Chapitre I IV- La variation de fréquence du réseau électrique La régulation de la fréquence d’un réseau électrique La régulation de la fréquence d’un réseau électrique est l’ensemble des moyens mis en œuvre afin de maintenir proches de leurs valeurs de consigne les grandeurs de la fréquence sur l'ensemble du réseau. Le réglage de fréquence, est essentiel pour la sureté, la qualité et l’optimisation du système électrique, ainsi il permet d’assurer le respect du plan de fréquence des réseaux interconnectés. Tout permettant aux utilisateurs du réseau de faire fonctionner leurs matériels dans des conditions optimales, il assure aux gestionnaires du réseau une exploitation des réseaux à moindre cout et dans des conditions de sureté satisfaisantes. Le réglage de la fréquence est réalisé à l’aide de 3 groupes d’actions distinctes qui se différencient par leurs temps de réponse respectifs. IV-1-Le réglage primaire Le réglage primaire de fréquence est indispensable à la sûreté du système électrique. En effet, face aux aléas et incidents tels que fluctuations rapides de la consommation et déclenchements de groupes de production, c’est le dispositif qui rétablit automatiquement et très rapidement l’équilibre production - consommation et maintient la fréquence à une valeur proche de la fréquence de référence. Le réglage primaire est mis en œuvre par l’action des régulateurs de vitesse des groupes de production qui agissent en général sur les organes d’admission du fluide moteur à la turbine lorsque la vitesse du groupe (image de la fréquence) s’écarte de la vitesse de consigne par suite d’un déséquilibre entre la production et la consommation de l’ensemble du système interconnecté synchrone. Page 8 Chapitre I La variation de fréquence du réseau électrique FIG I-6- schéma du principe du réglage primaire de la fréquence. Cependant, le réglage primaire ne rétablit l’équilibre offre - demande que si on dispose d’une réserve de puissance - la réserve primaire - suffisante. La réserve primaire disponible est la somme des réserves primaires des groupes (La réserve primaire d’un groupe égale à la différence entre la puissance nominale et la puissance délivrée en instantané d’un groupe) de l’ensemble du système interconnecté synchrone. IV-2- Le réglage secondaire Ce type de réglage n’existe que dans les réseaux connecté avec les réseaux voisins étrangers. Le réseau algérien et connecté avec le réseau tunisien et le réseau marocain qui est connecté à son tour avec le réseau espagnol puis le réseau européen. L’échange en puissance entre les payes interconnecté doit être égal à « 0 » ou à une valeur déterminée par un programme d’échange convenu. L’action du réglage primaire laisse subsister un écart de fréquence par rapport à la fréquence de consigne (50 HZ). Elle provoque également des écarts sur les échanges entre les pays du système interconnecté synchrone. Le réglage secondaire donc pour but de : Solliciter essentiellement la réserve secondaire de la seule zone de réglage où est apparu ce déséquilibre. Page 9 Chapitre I La variation de fréquence du réseau électrique Retrouver le programme d’échange initialement convenu entre la zone origine de la perturbation et l’ensemble des zones voisines auxquelles elle est interconnectée, et de ramener la fréquence du système synchrone à sa valeur de référence. De restaurer l’intégralité de la réserve primaire pour pallier tout nouveau déséquilibre production - consommation. Les groupes désignés pour participer au réglage secondaire sont des groupes bien déterminés repartis uniformément dans le territoire et ces groupes contiennent une bande de réglage secondaire. La bande de réglage secondaire égale à la différence entre la puissance nominale et la puissance délivrée en instantané du groupe et elle doit être importante. Ce réglage secondaire est réalisé par un organe centralisé situé au centre nationale de conduite (dispatching nationale), avec pour rôle de modifier automatiquement la production des groupes réglant. FIG I-7-réglage secondaire. La réserve secondaire, ne peut pas compenser toutes les perturbations comme par exemple la perte du plus gros groupe couplé. Dans ce cas, la mobilisation de la réserve secondaire ne permet pas de reconstituer intégralement la réserve primaire qui reste entamée et la réserve secondaire est épuisée : il faut donc mobiliser une réserve complémentaire, la réserve tertiaire. Page 10 Chapitre I La variation de fréquence du réseau électrique IV-3- le réglage tertiaire Le réglage tertiaire intervient lorsque l’énergie réglant secondaire disponible est insuffisante. Contrairement aux réglages primaire et secondaire qui sont des automatismes, l’action du tertiaire est mise en œuvre manuellement. Elle se fonde sur un ensemble de contrats avec les producteurs plus ou moins contraignants en temps de réponse et en puissance requise. Le réglage tertiaire fait appel au mécanisme d’ajustement. Cette réserve supplémentaire d’énergie est dite rapide si elle peut être mobilisée en moins de 15 minutes ou complémentaire si elle est mobilisable en moins de 30 minutes. Conclusion Un réseau est un ensemble de producteurs et de consommateurs d’énergie électrique reliés entre eux. L’état électrique du réseau est le résultat de toutes les interactions de ses différents composants. Les modifications de cet état, inhérentes à la vie du réseau entraînent une évolution naturelle du comportement vers un nouvel état, stable ou non. Dans ce dernier cas, il y a perte d’utilisation d’énergie, au moins partielle et parfois même totale (écroulement du réseau). Il peut s’ensuivre pour l’industriel, des pertes très coûteuses de production, des destructions de matériels tant électriques que du processus, voire des risques pour les personnes. Ce chapitre a montré l’intérêt des études de la variation de la fréquence du réseau électrique. Cela permet de préconiser des solutions pour éviter les états d’instabilité, et ainsi assurer une disponibilité optimale de l’énergie électrique. Dans le prochain chapitre nous allons présenter la carte ARDUINO qu’on a utilisé dans ce projet. Page 11 CHAPITRE II Généralité SUR LA CARTE ARDUINO Chapitre II Généralité sur la carte ARDUINO Introduction Dans ce chapitre, on va présenter le projet ARDUINO à ces deux parties (matérielle et Logiciel), et nous allons parler spécialement de la carte ARDUINO UNO mentionnant les caractéristiques et le principe de fonctionnement et nous donnons le schéma de principe de cette carte. Puis, nous présenterons le but de l'utilisation de l’ARDUINO et citer des applications de cette carte.et enfin, on va présenter la communication Bluetooth entre l’ARDUINO et l’ordinateur. I. Le projet ARDUINO I.1.L’historique du projet ARDUINO Une équipe de développeurs composée de Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino, David Mellis et Nicholas Zambetti a imaginé un projet répondant au nom de Arduino et mettant en œuvre une petite carte électronique programmable et un logiciel multiplateforme, qui puisse être accessible à tout un chacun dans le but de créer facilement des systèmes électroniques. I.2.La définition de l’ARDUINO L’ARDUINO est une plate-forme de prototypage d'objets interactifs à usage créatif constituée d'une carte électronique et d'un environnement de programmation. Sans tout connaître ni tout comprendre de l'électronique, cet environnement matériel et logiciel permet à l'utilisateur de formuler ses projets par l'expérimentation directe avec l'aide de nombreuses ressources disponibles en ligne. Pont tendu entre le monde réel et le monde numérique, l’ARDUINO permet d'étendre les capacités de relations humain/machine ou environnement/machine. L’ARDUINO est un projet en source ouverte : la communauté importante d'utilisateurs et de concepteurs permet à chacun de trouver les réponses à ses questions. Des dizaines de Page 12 Chapitre II Généralité sur la carte ARDUINO milliers d'artistes, de designers, d'ingénieurs, de chercheurs, d'enseignants et même d'entreprises l'utilisent pour réaliser des projets incroyables dans de multiples domaines: - prototypage rapide de projets innovants utilisant l'électronique. - captation et analyse de données scientifiques. - installations d'arts numériques. - projets pédagogiques. I.2.1.La patrie matérielle La carte ARDUINO repose sur un circuit intégré (un Miniordinateur appelé également microcontrôleur) associée à des entrées et sorties qui permettent à l'utilisateur de brancher différents types d'éléments externes : - Côté entrées, des capteurs qui collectent des informations sur leur environnement comme la variation de température via une sonde thermique, le mouvement via un détecteur de présence, le contact via un bouton-poussoir, etc. - Côté sorties, des actionneurs qui agissent sur le monde physique telle une petite lampe qui produit de la lumière, un moteur qui actionne un bras articulé, etc. Comme le logiciel ARDUINO, le circuit électronique de cette plaquette est libre et ses plans sont disponibles sur internet. On peut donc les étudier et créer des dérivés. Plusieurs constructeurs proposent ainsi différents modèles de circuits électroniques programmables et utilisables avec le logiciel ARDUINO. I.2.2. La patrie Logiciel ARDUINO IDE L'environnement de programmation ARDUINO IDE est une application écrite en Java, dérivée du langage Processing. L’IDE permet d'écrire et modifier es codes et les convertir en une série d'instructions compréhensibles par la carte. Le programme qui envoyé vers la carte ARDUINO est enregistré de manière permanente, ce programme est activé à chaque fois que l'on alimente la carte. Page 13 Chapitre II Généralité sur la carte ARDUINO Lorsque l'ARDUINO est connecté à un ordinateur, il est capable de communiquer avec diverses applications, notamment : Processing Conçu par des artistes, pour des artistes, Processing est un environnement de création fréquemment utilisé pour générer des œuvres multimédias à partir d'un code informatique sur ordinateur. L'attrait de ce logiciel réside dans sa simplicité d'utilisation et dans la diversité de ses applications : image, son, applications sur Internet et sur téléphones mobiles, conception d'objets électroniques interactifs. Processing fédère une forte communauté d'utilisateurs professionnels et amateurs : artistes, graphistes, vidéastes, typographes, architectes, web designers et designers en général. Il est également utilisé par des enseignants en arts qui souhaitent familiariser leurs étudiants avec les potentialités artistiques de la programmation, les concepteurs du logiciel l'ayant pensé dès l'origine comme un outil d'apprentissage. Page 14 Chapitre II Généralité sur la carte ARDUINO I.3.Le Choix de la carte ARDUINO La diversité des cartes (UNO, DUE et MEGA ….etc.) disponibles sur le marché pose le problème du choix approprié pour une application donnée. Pour le bon choix d’une il faut connaitre: - Le nombre des ports I/O qu’on a besoin pour notre application. - La vitesse de travaille maximale et minimale du microcontrôleur intégré. - La nature et la capacité de la mémoire programme. - La mémoire RAM (pour les calculs intermédiaires du microcontrôleur). - La mémoire EPROM pour la sauvegarde de certaines données lors d’une coupure de source d’alimentation. - Le prix de la carte par rapport au prix de l’application. - La disponibilité du microcontrôleur choisi sur le marché. Nous choisirons d'utiliser la carte portant le nom de «ARDUINO UNO». FIG II.1: La carte " ARDUINO UNO" sur laquelle nous allons travailler. II. La carte ARDUINO UNO Le modèle UNO de la société ARDUINO est une carte électronique dont le cœur est un microcontrôleur ATMEL de référence ATMega328. L’ATMega328 est un microcontrôleur 8bits de la famille AVR dont la programmation peut être réalisée en langage C ou C++. Page 15 Chapitre II Généralité sur la carte ARDUINO FIGII.2: L’interface de la carte ARDUINO UNO. FIGII.3: Schéma simplifié de la carte ARDUINO UNO. Page 16 Chapitre II Généralité sur la carte ARDUINO Microcontrôleur ATmega328 Tension de fonctionnement 5V Tension 7 à 12V d'alimentation recommandée Tension d'alimentation limite 6 à 20 V Entrées/sorties numériques 14 dont 6 disposent d'une sortie PWM Entrées analogiques 6 (ATTENTION : le niveau max en entrée doit être de 5 volts) Courant max par broches E/S 40 mA (ATTENTION : 200 mA cumulé pour l'ensemble des broches E/S) Courant max sur sortie 3,3 V 50 mA générée par le régulateur interne Mémoire Flash 32 KB dont 0.5 KB utilisée par le boot loader Mémoire SRAM 2 KB Mémoire EEPROM 1 KB Fréquence horloge 16 MHz Dimensions 68.6mm / 53.3 FIG II.4: Les caractéristiques de la carte ARDUINO UNO. Page 17 Chapitre II Généralité sur la carte ARDUINO FIGII.5:Le microcontrôleur ATMEL ATMega328. III. Le but de l'utilisation de l’ARDUINO Le système ARDUINO, nous donne la possibilité d'allier les performances de la programmation à celles de l'électronique. Plus précisément, nous allons programmer des systèmes électroniques. Le gros avantage de l'électronique programmée c'est qu'elle simplifie grandement les schémas électroniques et par conséquent, le coût de la réalisation, mais aussi la charge de travail à la conception d'une carte électronique. En vue des performances qu’elles offrent, les cartes ARDUINO sont relativement peu couteuses, ce qui est un critère majeur pour le débutant. Celle que nous utiliserons pour la suite du cours a un prix qui tourne aux environs de 25 € TTC ce qui est un bon rapport qualité/prix. En plus de sa Le logiciel est fourni gratuitement. IV. Les Applications de l’ARDUINO Le système ARDUINO nous permet de réaliser un grand nombre de choses, qui ont une application dans tous les domaines, vous pouvez : - contrôler les appareils domestiques - fabriquer votre propre robot - faire un jeu de lumières - communiquer avec l'ordinateur - télécommander un appareil mobile (modélisme) - …etc. Page 18 Chapitre II V. Généralité sur la carte ARDUINO La communication Bluetooth entre l’ARDUINO et l’ordinateur La connexion série de l'ARDUINO est très pratique pour communiquer avec un pc, mais son inconvénient est le câble USB. Comment faire pour communiquer à distance sans devoir s’encombrer d'un câble pour relier le module ARDUINO et le pc ? Tout simplement en utilisant un module Bluetooth pour remplacer la liaison USB. Être capable de contrôler votre projet ARDUINO utilisant Bluetooth totalement génial. Vous n’avez pas à transporter un contrôleur compliqué ou être proche de projet pour le surveiller. Il ya plusieurs écrans et modules Bluetooth compatible ARDUINO vous pouvez utiliser. Je utilise le module particulier HC-06, mais devrait être similaire avec les autres. FIG II.6: Le module Bluetooth " HC-06" sur laquelle nous allons travailler. Vous devez avoir soit intégré dans le module Bluetooth ou un dongle Bluetooth installé sur votre ordinateur. En outre, vous devez avoir installé sur votre système à la fois les logicielles ARDUINO IDE et Processing. Le HC- 06 dispose de 6 broches : WAKEUP (réveil), VCC, GND, TXD, RXD et STATE (de l'État). En ce moment je ne traiterai que quatre épingles, qui sont VCC, GND, TXD et RXD. Voici comment vous devez connecter le module Bluetooth à votre ARDUINO : GND (Bluetooth) ⇒ GND (ARDUINO) VCC (Bluetooth) ⇒ 3.3V (ARDUINO) TX-O (Bluetooth) ⇒ RX (0) (ARDUINO) RX-I (Bluetooth) ⇒ TX (1) (ARDUINO) Page 19 Chapitre II Généralité sur la carte ARDUINO FIG II.7: Le bronchement du module Bluetooth " HC-06" avec la carte ARDUINO. Une fois que vous avez écrire et téléchargé le code ARDUINO sur votre ARDUINO, débranchez le câble USB ARDUINO de votre ordinateur, Vous pouvez utiliser une batterie externe ou de toute autre source externe pour alimenter votre ARDUINO. Puis écrire un code Processing pour gérer la communication entre l’ARDUINO et l’ordinateur via le Bluetooth (envoyer et recevoir les informations). Conclusion Dans ce chapitre nous avons présenté le projet ARDUINO, puis nous avons donné une généralité sur la carte ARDUINO UNO sans mentionner les petits détails, et en fin nous avons présenté la connexion Bluetooth entre la carte ARDUINO et l’ordinateur, c'est dans le but de l'utiliser dans les chapitres suivants. Dans le prochain chapitre nous allons présenter la simulation et la réalisation du ce projet. Page 20 CHAPITRE III Réalisation PRATIQUE ET SIMULATION DU PROJET Chapitre III Réalisation pratique et simulation du projet Introduction Dans ce chapitre on va présenter la simulation et la réalisation d’un dispositif qui mesuré la fréquence du réseau électrique. Ce dispositif comparant à deux parties, la premier partie est le circuit de synchronisation avec le réseau électrique qui donne un signale rectangulaire entre 0V et le 5V pour injecter dans le pin 2 de la carte ARDUINO (entré digitale), la deuxième partie est la carte ARDUINO qui calculé la fréquence est envoie leur valeur vers l’ordinateur à l’aide de la communication Bluetooth pour l’affichage. FIG. III.1 La structure du projet I. La simulation du projet La simulation dans ce projet est faite par le logiciel PROTEUS ISIS. I.1 La simulation du circuit de synchronisation avec le réseau électrique Les composants de circuit de synchronisation avec réseau électrique : Comparateur TL082 : pour comparer le signale sinusoïdal avec zéro, le résultat est un signal rectangulaire entre -15V et 5V. Diode 1N4006 : pour négligiez la partie négative, le résultat est un signal rectangulaire entre 0V et 5V pour injecter dans le pin 2 de la carte ARDUINO. résistances de 1KOhms. Page 21 Chapitre III Réalisation pratique et simulation du projet FIG. III.2. Le schéma de circuit de synchronisation avec le réseau FIG. III.3. Les résultats de simulation de circuit de synchronisation avec le réseau Page 22 Chapitre III Réalisation pratique et simulation du projet I.2 La simulation de la mesure et de l’affichage de la fréquence FIG. III.4. Le montage pour la mesure et l’affichage de la fréquence Dans notre travail, on a utilisé la communication Bluetooth entre la carte ARDUINO et l’ordinateur (chapitre II), alors on a affiché la fréquence mesuréesur ordinateur. FIG. III.5. L’affichage de la fréquence mesurée sur ordinateur Page 23 Chapitre III II. Réalisation pratique et simulation du projet La réalisation pratique du projet FIG. III.6. Le circuit réalisé pour mesurer la fréquence Les composants du ce montage est : le capteur de tension : comprend un gain qui abaisse la tension du réseau électrique 220V AC/ 10VAC. le circuit de synchronisation avec le réseau électrique: converti le signale sinusoïdal 10V AC vers un signal rectangulaire entre 0V et 5V. la carte ARDUINO UNO : mesure la fréquence du signal rectangulaire qui l’injecte dans le pin 2 de la carte ARDUINO (chapitre II). Le module Bluetooth HG-06 (chapitre II)pour envoie la valeur da la fréquence mesurée vers l’ordinateur Page 24 Chapitre III Réalisation pratique et simulation du projet FIG. III.7. Le capteur de tension FIG. III.8. Le circuit de synchronisation avec le réseau électrique Page 25 Chapitre III Réalisation pratique et simulation du projet FIG. III.9. Le signal d’entrée et le signal de la sortie du circuit de synchronisation avec le réseau électrique FIG. III.10. L’affichage de la fréquence mesurée sur ordinateur Page 26 Chapitre III Réalisation pratique et simulation du projet Conclusion Dans ce chapitre nous avons présenté la simulation et la réalisation pratique de notre projet, nous avons donné les résultats de validation expérimentale, nous ont permis de confirmer, la fiabilité de ce projet à travers des tests. Alors ce projet nous a permis de mesurer la fréquence du réseau électrique de façon permanente. Page 27 Annexe 1 Le programme ARDUINO pour mesurer la fréquence d’un signal rectangulaire : Annexe 2 Le programme MATLAB pour éliminer les harmoniques du réseau électrique : la FMV Le spectre de tension avant la FMV (en bleu) a le fondamental (50 Hz) et l’harmonique trois (150Hz). Le spectre de tension après la FMV (en rouge) a le fondamental seulement. CONCLUSION GÉNÉRALE Dans le cadre de la préparation d’un Master en Électrotechnique, Spécialité Électrotechnique, ce travail vise à présenter une étude théorique , de simulation et réalisation d’un dispositif pour suivre la fréquence d’un réseau électrique. Le premier chapitre a été dédié à la présentation de la variation de la fréquence du réseau Ensuite, dans le deuxième chapitre, j’ai d'abord exposé quelques généralités sur la carte ARDUINO. Enfin, dans le troisième chapitre, j’ai décrit la réalisation et la simulation de notre projet pour suivre la fréquence du réseau électrique à l’aide d’une carte ARDUINO. Dans ce travail nous avons donné les résultats de validation expérimentale de ce projet réalisé. Alors Ce projet réalisé nous permettons de suivre la fréquence du réseau électrique d’une façon permanente. L’intérêt d’utilisation une carte ARDUINO UNO c’est que elle a un bon rapport qualité/prix. En plus de sa la simplicité de l'utilisation. L’utilisation de la communication par Bluetooth est un avantage économie d’une part et nous permet d’éviter les problèmes produits par le câblage d’autre part. RÉFÉRENCES http://arduino.cc/en/main/software http://arduino.cc/en/Reference/HomePage http://www.hackaday.com/category/arduino-hacks/ http://www.instructables.com/tag/type-id/category-technology/channel-arduino/ BIBLIOGRAPHIES - Edwin J. Houston and Arthur Kennelly, Recent Types of Dynamo-Electric Machinery, copyright American Technical Book Company 1897, published by P.F. Collier and Sons New York, 1902. - Central Station Engineers of the Westinghouse Electric Corporation, Electrical Transmission and Distribution Reference Book, 4th Ed., Westinghouse Electric Corporation, East Pittsburgh PA, 1950, no ISBN. - Owen, E.L, The Origins of 60-Hz as a Power Frequency, Industry Applications Magazine, IEEE, Volume: 3, Issue 6, Nov.-Dec. 1997, Pages 8, 10, 12-14. - Furfari, F.A., The Evolution of Power-Line Frequencies 133 1/3 to 25 Hz, Industry Applications Magazine, IEEE, Sep/Oct 2000, Volume 6, Issue 5, Pages 12-14, ISSN 1077-2618. - Rushmore, D.B., Frequency, AIEE Transactions, Volume 31, 1912, pages 955-983, and discussion on pages 974-978. - [1] (en) A Survey of Frequency and Voltage Control Ancillary Services—Part I :Technical Features, Rebours,Y. G. Kirschen, D. S. Trotignon, M. Rossignol, S., février 2007, IEEE Transactions on Power Systems, Vol 22 # 1, p. 350- 357, ISSN : 0885-8950. - Hasan ALKHATIB, Étude de la stabilité aux petites, perturbations dans les grands réseaux électriques : optimisation de la régulation par une méthode méta heuristique, Université Paul Cézanne Aix Marseille III, 2008 (lire en ligne). RÉSUMÉ L'objectif de ce travail est le suivi de la variation de la fréquence du réseau électrique de façon permanente à l'aide de la carte ARDUINO, pour qu’on puisse assurer la stabilité de la fréquence. ABSTRACT The objective of this project is to control and monitor the change in the frequency of the electrical network permanently with an ARDUINO board, to ensure the stability of frequency. : الملخص الهذف مه هذا المشزوع هى مزاقبة ورصذ التغيز في تزدد الشبكة الكهزبائية بشكل دائم باستخذام بطاقة. لضمان استقزار التزدد، اردوينى
