karting dc_v1 - Des engins électriques à l`IUT GEII de Cuffies

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UNIVERSITE DE PICARDIE JULES VERNE
INSTITUT UNIVERSITAIRE DE TECHNOLOGIE DE L’AISNE
DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE
13, Avenue François Mitterrand, 02880 CUFFIES
: 03 23 76 40 10
: 03 23 76 40 15
: arnaud.sivert@u-picardie.fr
Etude transmission
Etude moteur E-teck
Didacticiel V1 Millipak SEVCON
Génie
Electrique
Informatique
Industrielle
I.U.T G.E.I.I Soissons
Reveret Gautier, Lenglain Mathieu, Gaspard Phil
fichiers : e-kart\sevcon\didacticiel_V1.doc
Arnaud.sivert@u-picardie.fr
www.i.u.t-aisne.fr
1
Promotion 2008/2009
Mr Sivert
03.23.76.40.10
22/03/2009
www.e-kart.fr
Cette étude doit permettre aux étudiants de GEII de comprendre comment fonctionne le
variateur de vitesse SEVCON. De plus, il devra aider à la mise en oeuvre de ce variateur pour
commander un karting électrique pour d’autres équipes.
Le variateur millipack 4 Q est conçu pour commander des moteurs DC pour des systèmes
élévateurs (transpalette électrique, voiture de golf, chariots…). Donc, la documentation
constructeur utilise le vocabulaire de ces systèmes tel que :
- Tiller : poussoir Timon ou bras d’un transpalette
- Belly : Poussoir anti écrasement (coup du béliers) qui permet après action de ce
poussoir en marche arrière de faire avancer le transpalette en avant pendant 2 s pour
éviter l’écrasement.
- FS1 : (foot Switch accélérateur) ce fin de course permet au karting de ne pas
démarrer si FS1 est actionné donc que la pédale est en accélération lors de la mise en
route du variateur. Le variateur se mettra en défaut par sécurité.
Nous allons voir les possibilités de ce variateur sur un véhicule correspondant à un karting
électrique.
I Caractéristiques électriques du variateur pour moteur DC
-
-
Hacheur en pont 4 quadrants 48 V avec transistor MOSFET pouvant fournir 325 A
pendant 1 minute et 130 A en nominal. Donc le variateur peut commander des moteurs
de 6 KW (48V.130A=6240 W) avec une fréquence de hachage de 16 KHz.
Les transistors MOSFET ont pour référence STP80NF10FP peuvent supporter une
tension de 100V et des courants de pointe ????
L’électronique du variateur est alimenté par du 24 ou 48 V (fusible 10 A).
L’accélération est commandée par un potentiomètre 5 kΩ (PB6 de chez Curtis) ou par
un module par effet hall propre à SEVCON.
Le freinage électrique peut être commandé par un potentiomètre 5 kΩ ou par un
Switch
Le variateur peut commander 2 contacteurs séparément qui peuvent consommer 2 A
avec 4 A en pointe.
Les entrées du variateur sont à logique négative pour des raisons évidentes de sécurité. Donc,
si les entrées ne sont pas raccordées à « 0 », elles seront considérés activées par le variateur.
De même, s’il y a une erreur de contact sur le potentiomètre (résistance infinie d’ohms) le
variateur se met en défaut. Pour toutes ces raisons, il faut faire le câblage et choisir la
configuration du variateur en premier lieu.
Ces variateurs ne sont pas dépannables car coulée dans une résine spéciale
pour améliorer le refroidissement et l'étanchéité du variateur. En cas de
panne il faut procéder à un échange standard du variateur.
II) rappel sur le fonctionnement des 4 quadrants d’une motorisation
III) rappel sur le hacheur en pont
2
IV) Calibrage du variateur
Le variateur est programmé par le logiciel PC pack avec
une liaison série entre le PC et le variateur ce qui
permet de calibrer de nombreux variateur avec une
seule unité de programmation.
Ce logiciel PC pack2 permet de configurer le variateur
et de lire ou de modifier de nombreux paramètre.
installer PC pack2 en utilisant le code « Sevconengineering » que l’on retrouve dans la version du
logiciel. Attention, il y a plusieurs versions.
Puis dans le menu Tools\option\protocol choisir dans
access level : « type8 » ce qui permet accéder à tous les
menus.
Brancher la liaison série, vérifier le port COM dans le
menu OPTION\connection.
Puis, appuyer sur F8 (connections au variateur) puis
tous les paramètres du variateur s’affichent.
A la fin du dossier tous les menus sont présentés
3
La première chose à faire est de définir les configurations des entrées sorties. Puis de réaliser
le câblage du variateur. En effet,
- les broches B2 à B7 sont des entrées numériques.
- les broches B8 à B9 sont des sorties.
- les broches B10 à B11 sont des entrées analogiques.
En fonction de votre véhicule, ces broches peuvent être configurées comme sur les tableau
suivant de la documentation constructeur [1].
Nous allons voir un exemple simple pour un véhicule qui a besoin d’avancer, reculer. Un
contacteur ligne gérera l’alimentation de puissance du variateur. On utilisera la diode
électroluminescente du variateur en sortie qui permettra d’avoir l’information de la LED en
visuel sur le volant du véhicule. En effet, les différents clignotements de la LED permettent de
voir si le variateur est en défaut. Il n’y aura pas de frein à main, mais il y aura un frein à pied
mécanique qui indiquera aussi au variateur de freiner électriquement (par un potentiomètre).
La configuration 7 sera donc choisie du tableau 5 de la documentation constructeur [1].
B4 (FS1) non utilisé : Il n’y aura pas de freinage lors du relâché de l’accélérateur
B5 (Seat) non utilisé : Il n’y aura pas de contact au niveau du siège.
B7 (speed cut back 1) : Sur cette entrée, un relais de la carte instrumentation extérieure
ouvrira un relais après une détection de défaut de la motorisation (température, Imax, tension
batterie…). Donc, on programmera une minimisation de la vitesse à 0% .
Remarque : la vitesse est déterminée par la force électromotrice du moteur E= U-RI avec ω
(rad/s) =
E
K
4
B6 (speed cut back 2) : Sur cette entrée un interrupteur sera placé avec une programmation
de la minimisation de la vitesse sera de 50% pour des personnes qui font un premier essai.
(Interrupteur sur cette entrée qui bridera le véhicule).
B8 (line contacteur) : sera ouvert au bout de 10 s, si l’interrupteur de direction est au neutre
B9 (led) : les différents clignotements de la led indique les défauts du variateur et indiquera
l’instrumentation par le biais d’un microcontrôleur.
B10 (accélérateur) : un potentiomètre indiquera la consigne de la régulation de courant donc
du couple accélérateur moteur.
B11 (freinage) : un potentiomètre indiquera la consigne de freinage prioritaire de la
régulation de courant donc du couple de décélération.
En effet, le frein à pied peut être commandé de façon analogique par un potentiomètre ou
numériquement par un poussoir.
On choisira cette première solution qui permet d’avoir un freinage progressif. Ce freinage
électrique est bien sur accompagné d’un freinage mécanique.
Le tableau 4 de la doc constructeur [1] confirme que la configuration 7 choisi correspond à
un véhicule avec 2 entrées de minimisation de la vitesse utilisant la led en externe indiquant
les défauts du variateur.
Il n’y aura pas de frein à manque de courant pour retenir le véhicule a vitesse nulle, ni de frein
à main.
Remarque : Lorsqu’on modifie la paramétrage de la configuration avec PC pack , il faut
éteindre et rallumer le variateur pour que la configuration soit prise en compte.
Il est possible de demander à SEVCON de modifier le programme du microcontrôleur
moyennant finance du variateur pour avoir une configuration spécifique. D’ailleurs dans la
doc constructeur [1], il y a la configuration 17 pour Briggs et Stratton.
On peut voir le câblage électrique du véhicule sur la figure suivante a partir du choix de
la configuration précédente.
5
Nomenclature
2
1
X2.2
2
2
1
B1
2
1
2/T1
KM1
200 A
1
1/L1
2
10A
F2
X1.1
1
a 2
b 3
c 4
1
1
com
1
14
2
neutre
X1.4
4
PKG 32
interrupteur bridage vitesse
A2
KM1
A1
2
LED
F4
1
INT-2
INT-1
F1
200A
F6
13
Poussoir accelerateur
ATU à clef
2
2700
R1
A
K
optocoupleur
B3
1
2
Forward (digital 1)
Reverse (digital 2)
FS1/ Belly (digital 3)
X1.5
5
Seat/ Tiller (digital 4)
X1.6
6 Speed Cut Back (digital 5)
X1.7
7
Digital 6
X1.8
8
Line Contactor
X1.9
9
Auxiliary Contactor
X1.10
10 Analogue Input 1 (frein)
X1.11
11 Analogue Input 2 (accélérateur)
X1.12
12
12V Output
13
Extra Suppression 1
14
Extra Suppression 2
15
Horn Suppression
16
X1.3
3
MOT+
MOT-
Variateur Sevcon
Millipack
Sorties
1
p1
2
3
F5
1
3
Moteur E-Teck
X1.2
2
B2
F3
2
1
Battery + Battery -
4 Quadrants
Analog
0V
Calibrator Detect
+10,5V
Clock
Data
1
X2.1
X2.3
2
Inter Marche Avant / Marche Arriere
Variateur 4 quadrants
Batterie
Batterie
Batterie
Bouton d'arret d'urgence
Fusible
Batterie
Millipack
12V
12V
12V
200A
200A
12V
ATU
1
Commentaire
Potentiometre pédale des gaz
Bobine de contacteur 100 th thermique
Moteur de traction courant continu
Entrées
prises 50 A
Valeur
5K
24V
48V 18Nm
L.E.D
10A
Sorties
Nom
p1
K1
Moteur E-Teck
LD1
F2
Switch 1
Variateur Sevcon
B3
B2
B1
A.U.
F1
B4
Prise calibrateur
5K
B4
2
2
1 2 3 4 5 6
1
P1
calibrateur TTL/RS232
Configuration 7
5V
A1
afficheur LCD
K2
A2
capteur
vitesse
instrumentation
pic 877
capteur température
moteur
X1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
mesure tension batterie
capteur température baterie
fig 0 : Schéma de cablage du variateur avec XRelais
6
15
1
16
M
2
48V 18Nm
3200tr/min
6kW 8,1cv
Maintenant, il y a 19 Menus à configurer en fonction des besoins de notre système avec un
certains nombres de sous menus. A la fin du dossier tous les menus sont présentés.
0) Cahiers des charges pour le variateur
Le variateur devra commander un karting électrique.
On voudra une accélération maximale, une décélération faible mais pas trop longue lorsqu’on
relâche la pédale d’accélération.
En marche arrière la vitesse sera 4 fois plus faible qu’en avant.
Si l’interrupteur de direction est au neutre, le contacteur ligne s’ouvrira au bout de 10 s.
Au démarrage du variateur, il faudra que la pédale d’accélération soit à 0, sinon le variateur se
mettra en défaut (sécurité).
Le contacteur ligne sera alimenté en 24 V
Le variateur devra protéger le moteur malgré l’instrumentation externe.
01) Les caractéristiques du moteur. ETEK 48V 140 A (electric motorsport) prix 500 E
Le moteur à courant continu est un moteur « pan cake » qui a été développé pour des
véhicules de traction par Mr Lynch qui a vendu son procédé (licence) à différent constructeur.
La société ASMO vend un moteur lynch de 11,5 KW (72V, 200 A) pour 1400 E. il y a aussi
le moteur PMG 132 de chez brigg Straton de 72V, 110 A pour 700 E, notre moteur provient
du même constructeur mais il est mieux adapté à nos 4 batteries.
- puissance utile nominale de 8,1 CV (6 kW),
- alimentation nominale sous 48 V
- consommation 140 A en nominal pour développer un couple de 18 Nm.
Le courant à vide est de 6A =Ivide,
Le moteur peut supporter
- un courant max de 330 A pendant 2 min
- un courant de 200 A pendant 20 minutes
La constante de couple est de 0.13 N.m/A, la résistance du moteur est de 40 mΩ avec une
inductance de 80µH. la constante de temps électrique de 2 ms est négligeable par rapport à la
constante de temps mécanique.
7
On peut voir sur la figure suivante les différents éléments du moteur
Carter
ou
culasse moteur
aimant
rotor
Porte balai
induit
carter
Fig. 01. Description des différents éléments du Motor Etek
L’induit est constitué des deux barres de cuivre plats reliés par une petite barre de cuivre
soudé à l’étain. Ces barres de cuivres sont isolées par un vernis.
Etant donné que les balais sont sur le mêmes cotés les barres sont pliés par rapport à l’axe
pour que courant de l’induit fasse un circuit
8
On peut voir sur les photos suivantes le carter avec les aimants plats et l’induit du moteur
Fig 03 : Induit du moteur
Fig 02 : carter avec aimant plat
On peut voir sur la figure suivante un induit
de moteur E-tek qui a trop chauffé. En effet,
celui-ci est raccordé par des lamelles en
cuivres soudé à l’étain qui fond à 150°C.
Et lorsque le moteur est trop chaud, ces
lamelles s’en vont et bloque la rotation du
moteur. Ce n’est pas la peine de vouloir
braser ces lamelles car le câble plat de
l’induit est isolé avec un vernis qui tient
seulement 120°C.
Il faut mettre un capteur de température au
plus prés de l’induit donc à coté des balais
pour minimiser la constante de temps
thermique.
fig 01 : Induit du moteur E-tek ou des
barres se sont déssoudées
Une protection thermique du moteur peut se faire en mesurant le courant d’induit du moteur.
Mais pour cela, il faut caractériser le moteur thermiquement.
9
On peut voir les courbes du moteur donné par le constructeur
Grace à cette courbe, on peut voir que le rendement du moteur est supérieur à 80% pour un
courant de 40A à 140 A. donc, il faut que le karting tourne dans cette zone de courant pour
augmenter son autonomie.
Ces courbes sont identiques a celles calculer avec le logiciel « mathcad » que l’on peut voir
sur la figure suivante :
Avec
U
1
Crηmax
K
− R⋅
PmCr
( )
Crv
2
= 367.385
K
Rad/s
PmCrPmMax
(
)
w(Cr)
 U −R⋅ Crv
K
2
K 

4
0.5
Pm( CrPmMax) = 1.426 × 10
(watt)
I(Cr)
300
3
Imax = 1.2 × 10 A
η(Cr)
0
0
5
10
15
20
25
Cr
Passons maintenant au paramétrage du variateur.
10
30
35
40
Première étape de paramétrage
Il faut paramétrer la course du potentiomètre accélérateur sinon le variateur se mettra en
défaut et le contacteur ligne s’ouvrira au bout de 10s.
Si au point neutre, il y a une accélération lors de la mise sous tension du variateur, Celui-ci se
mettra en défaut et la led clignotera 6 fois.
Si le potentiomètre est supérieur à 100% de « l’accélération » alors le variateur se coupera.
En effet, après 130%, l’accélération repasse à 0%. De plus, s’il n’y a pas de potentiomètre
accélération (impédance infinie), le véhicule ne fonctionnera pas car la tension accélération
sera bien supérieure à 130%.
La caractéristique de l’accélération sera choisi linéaire (menu 12.09 page 34).
Dans un premier temps, on ne s’occupera pas du frein à pied électrique donc la configuration
des entrées analogiques sera à 1 (menu 12.18 page 21).
On activera le contactor Drop out (menu 12.10 page 49) pour qu’une ouverture du contacteur
ligne au bout de 10 s (menu 11.06 page 49) lorsque l’inter de direction est point neutre. En
effet, la partie puissance du variateur n’a pas besoin d’être alimenté au point neutre.
Par sécurité, on activera le Power up (menu 12.08 page 52). Ce paramètre vérifie que
lors de la mise sous tension du variateur :
- FS1 (poussoir de l’accélérateur relâché) est actionné
- la position de l’interrupteur de direction est au neutre.
Pour que le variateur fonctionne il faudra que ces deux conditions soit satisfaites pour
raison de sécurité.
Avant d’aller plus loin dans le paramétrage du variateur, il faut faire quelques rappels sur les
dynamiques du moto variateur
11
Rappel sur la transmission de la motorisation du véhicule
Un moteur doit entrainer un karting
électrique par l’intermédiaire d’une
courroie cranté. La poulie du moteur à
Dm=24 dents et la poulie des roues à
Da=80 dents.
Les roues arrière ont un rayon de 12.5
cm.
Le moteur est alimenté par des
batteries 48 V par l’intermédiaire d’un
variateur
fig 1 : Transmission vehicule
P utile moteur
Moteur
Couple moteur
N˜ 3000 tr.mn-1
P absorbée
Réducteur
Dm/Da
24/80
batterie
Couple meca
(N.m)
N roue (tr.mn-1 )
Roue φ =25 cm
N roue
1
⋅
2 ⋅ π ⋅ rroue 60
force resistante (N)
Vitesse
linéaire (m/s)
fig 2 : schéma mathématique de la transmission
L’inertie du karting J ramené sur l’arbre moteur a pour équation
Avec
Dm/Da
(réducteur de vitesse)
M : masse approximé à 200 kg
2
J=
= 0.28 Kg.m
(eq 1)
La vitesse linéaire est déterminée par l’équation suivante
N
⋅2⋅π Dm
3600
Avec N vitesse du moteur tr.mn-1
V= moteur
⋅
⋅R
⋅
(eq 2)
60
Da
roue
1000
Si N=3000 tr. mn-1=>>V=42 km/h
Il est possible de changer la poulie du moteur pour augmenter la vitesse linéaire mais on
augmente la valeur d’inertie.
Mais étant donné que les pistes indoor sont courtes avec de nombreux virages, le véhicule
atteint rarement la vitesse en régime établi. Il vaut mieux avoir une vitesse plus faible avec
une inertie plus faible pour avoir un couple accélérateur plus important.
Un compromis doit etre effectué pour choisir la réduction de vitesse ce qui permet de
minimiser le temps au tour lors du challenge.
Il est possible de choisir d’autres valeurs de poulies motrices ou d’arbres de transmission pour
minimiser le temps pour atteindre 50m en fonction du couple moteur et charge mécanique.
Grace au calcul suivant effectué avec le logiciel « Mathcad »,
12
D:te-kart \kartingDC.mcd
Arnaud Sivert I.U.T de Soissons
M := 188 + 80
Dm := 25
Da := 80
N := 3000
Rroue := 0.125
calcul de la réduction de la vitesse
Reduc :=
Dm
Da Reduc = 0.313
calcul de l'inertie ramenée sur l'arbre moteur
Dm 
JT := M ⋅  Rroue⋅

Da 

2
JT = 0.409
calcul du couple moteur et cu couple de charge mesuré sur du plat
Cm := 300⋅ 0.13
Cm = 39
Cc := 50⋅ 0.13
Cc = 6.5
calcul du temps pour atteindre les 3000 tr/mn du moteur
tac c := JT⋅
N⋅ 2⋅ π
60
⋅
1
Cm − Cc
tacc = 3.953
calcul de la vitesse max linéaire en m/s et km/h avec le réducteur choisi
N⋅ 2⋅ π Dm
⋅
⋅ Rroue
60 Da
Vmax:=
Vmaxkmh:= Vmax⋅
Vmax = 12.272
3600
1000
Vmaxkmh= 44.179
calcul de la distance pour le temps d'accélation précédent
Dtacc :=
Vmaxtacc
⋅
2
Dtacc = 24.255
calcul du temps restant pour faire 50m avec le karting qui a atteint la vitesse max
tre :=
50 − Dtacc
tre = 2.098
Vmax
calcul du temps total pour faire 50m avec le karting qui a atteint la vitesse max
t50m := tac c + tre
t50m = 6.051
50 −
t50m := tacc +
t50m :=
tacc
2
+
50
Vmax
13
Vmaxtac
⋅ c
2
Vmax
calcul du temps total pour faire 50m avec le karting en fonction de la valeur de réduction
Reduc := 0.1, 0.11.. 1
2 N⋅ 2⋅ π
M ⋅ [ Rroue⋅ ( Reduc ) ] ⋅
t50m( Reduc ) :=
60
⋅
1
Cm − Cc
+
2
50
N⋅ 2⋅ π
60
25
⋅ ( Reduc ) ⋅ Rroue
t50m
25 
 = 6.051
 80
18 25
t50m
65 80
27 
 = 6.078
 80
20
t50m ( Reduc)15
10
5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Reduc
calcul du temps total pour faire 50m avec le karting en fonction de la valeur de réduction
1
 50⋅ 302⋅ ( Cm − Cc) 

Reductempsmini := 
 2  2
3  
 N ⋅ π ⋅ Rroue  ⋅ M
(
Reductempsmini = 0.316
26
80
3
)
= 0.325
14
calcul de la valeur de réduction optimal en fonction de la distance
Distance := 10.. 50
18
1
 Distance⋅ 302⋅ ( Cm − Cc)

Reductempsmini( Distance) := 
 2 2

3 
 N ⋅ π ⋅ Rroue  ⋅ M 
(
80
16
Reductempsmini( 15) = 0.211
80
= 0.313
3
)
Reductempsmini( 25) = 0.251
0.35
65
25
= 0.277
22
80
= 0.275
Reduc tempsmini( 50) = 0.316
= 0.2
15
0.3
18
65
Reductempsmini( Dis tance) 0.25
0.2
0.15
10
20
30
40
50
Dis tance
En conclusion, en fonction des longueurs max de la piste, il faut bien choisir son rapport de
réduction pour avoir le meilleur compromis entre la vitesse max et le temps d’accélération.
Sur un circuit de 300m avec une dizaine de virage , on peut gagner 3 secondes au tour , avec
le bon rapport de réduction.
Les kartings thermiques utilisent des transmissions par chaines principalement. Alors que les
kartings électriques utilisent en générale une transmission par courroie.
Plus la courroie est tendu est plus il y aura de perte mécanique, ce n’est pas le cas de la chaine
qui n’est pas tendu. Par contre, les frottements des dents contre la chaine provoquent cette
différence de rendement.
La transmissions par courroies crantées auraient un rendement de 80%.
Lors de la course de dragster qui se déroule sur 500m. On peut voir sur la page suivante un
nouveau calcul ou la vitesse max sera de 90 km/h, mais il faudra 19 secondes pour atteindre
cette vitesse. Pour augmenter la vitesse, il est possible d’ajouter une cinquième batterie pour
avoir une vitesse en régime établi encore plus importante. Il faudra 28 secondes pour atteindre
ces 500 m.
15
calcul du reducteur pour faire un temps minimum sur une certaine distance de 500m
3
N = 3 × 10
Cm := 250⋅ 0.13
Cc = 6.5
distance := 500
M = 268
Cm = 32.5
N := 3670
−3
R := 40⋅ 10
1
 distance ⋅ 302⋅ ( Cm − Cc)

Reductempsmini := 
 π⋅ Rroue3  ⋅ M⋅ N2⋅ π
 


(
Nmax := 
3

)
48 + 12 − R⋅ 250 60
⋅
0.13
 2⋅ π
3
Nmax = 3.673× 10
Reductempsmini = 0.552
2 N⋅ 2⋅ π
M ⋅ [ Rroue⋅ ( Reduc ) ] ⋅
tdistance ( Reduc ) :=
60
⋅
1
Cm − Cc
2
+
distance
N⋅ 2⋅ π
60
120
25
40
80
80
⋅ ( Reduc ) ⋅ Rroue
tdistance 
25
tdistance 
40
tdistance 
50
 = 36.328
 80
100
 = 28.553
 80
80
tdis tance( Reduc)
 = 28.742
 80
60
tdistance ( Reductempsmini) = 28.285
40
20
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Reduc
calcul de la vitesse max linéaire en m/s et km/h avec le réducteur choisi
Vmax:=
Vmax:=
N⋅ 2⋅ π
60
N⋅ 2⋅ π
60
⋅ ( Reductempsmini) ⋅ Rroue
⋅ 
Vmax = 26.516
40 
 ⋅ Rroue
Vmax = 24.02
 80
Vmaxkmh:= Vmax⋅
3600
Vmaxkmh:= Vmax⋅
3600
1000
1000
calcul du temps pour atteindre les 3000 tr/mn du moteur avec la valeur précedente
2 N⋅ 2⋅ π
tacc := M ⋅ [ Rroue⋅ ( Reductempsmini) ] ⋅
60
⋅
1
tac c = 18.857
Cm − Cc
16
Vmaxkmh= 95.456
Vmaxkmh= 86.472
Maintenant, que nous avons étudié la transmission mécanique, nous allons faire un rappel sur
les dynamiques de la motorisation
Rappel sur les dynamiques de la motorisation
Toutes motorisations ont
Cmoteur
besoin de démarrer et
N (tr/mn)
s’arrêter.
On
peut
simplifier ces dynamiques
N
par un mouvement appelé final
un profil trapézoïdal (voir
figure ci jointe) avec
accélération
constante,
puis de régime établi (RE)
de vitesse et
une
décélération constante et
t acc
enfin un temps de repos.
t RE
t dec
Temps (s)
fig 3 : Profil trapézoïdal de vitesse
Le couple moteur est déterminé par l’équation fondamentale de la mécanique suivante :
J
dω
= Cm − Cc
dt
(eq 3) C : couple (N.m)
dω
: accélération angulaire (rad/s2)
dt
Cette équation est identique à la deuxième loi de newton multiplié par le rayon
m.a= m
dV
= Fm − Fc
dt
(eq 4) F : force (N) m : masse (kg) a : accélération linaire (m/s2)
En retournant l’équation (3), on peut connaître le couple demandé à la machine électrique
pour les trois phases du profil trapézoïdal.
Accélération
Régime établi de vitesse
Décélération
dω
>0
dt
dω
Cm = J
+ Cc
dt
dω
=0
dt
C m = Cc
dω
<0
dt
dω
C m = −J
+ Cc
dt
Cm>>0
Cm>0
Cm>0 ou
Quadrant 1
Quadrant 1
Quadrant 1
Tableau 1 : couple moteur en fonction des dynamiques désirées
Cm<0
Quadrant 2
Le couple moteur Cm à l’accélération est très supérieur au couple de charge Cc en régime
établi ce qui demande un très grand courant au démarrage (I= Cm /k). Lors de la décélération
le couple moteur peut être négatif ce qui impose un freinage électrique par la machine. Donc,
le courant sera négatif est il y aura une petite recharge des batteries. Si l’on veut une
décélération importante, il aura une valeur de courant importante.
Si le temps de décélération est plus long que le temps de l’arrêt en roue libre alors le couple
moteur est positif donc la machine fonctionne toujours en moteur.
Remarque : le couple de charge pour notre vehicule est toujours résistant par rapport à la
vitesse (marche avant ou arrière) donc, il aura pour équation :
Cc (N.m) = Csec Signe (ω)
(eq 5)
17
Pour bien comprendre, Nous allons faire un exemple de valeur pour le karting avec un temps
d’accélération de 4 s, un temps de décélération de 4 s. Le couple de charge de Cc sera de 9
N.m avec une inertie ramené sur l’arbre du moteur de 0,28 kg.m2. La vitesse du régime établi
sera de 3000 tr.mn-1 donc de 314 rad/s.
Accélération
Régime établi de vitesse
Décélération
dω 314 − 0
=
= 78.5rad / s 2
dt
4−0
dω
Cm = J
+ C c =31 N.m
dt
dω 0 − 314
=
= −78,5 rad / s 2
dt
4−0
dω
Cm = J
+ C c =-13 N.m
dt
dω
=0
dt
C m = Cc =9
N.m
I= Cm/k=31/0.13=238 A
I =69 A
Quadrant 1
Quadrant 1
Tableau 2 : exemple de couple moteur pour un profil trapézoïdale
I=-100 A
Quadrant 2
Comme on peut le voir avec le tableau précédent, lors des variations de dynamique de la
vitesse, les courants de la machine DC peuvent être très importants.
D’ailleurs pour être un bon motoriste, il faut se mettre à la place du moto variateur et la
meilleure analogie est lorsque vous faites du vélo avec un BMX sans frein et sans roulement
sur la roue arrière. Pour accélérer, il faut appuyer fort sur la pédale surtout si vous êtes à 3 sur
le vélo (la masse est augmenté donc l’inertie). Lorsque le vélo est lancé (régime établi de
vitesse) il suffit juste de mettre une force correspondante au frottement des roues sur la route.
Par contre pour pouvoir décélérer, il faudra appuyer fort sur la pédale pour pouvoir freiner.
Ces courants lors de l’accélération et décélérations sont préjudiciable pour la machine DC. En
effet, ces courants provoquerait des étincelles avec projection de matière entre balai et
collecteur, voir les balais soudés sur le collecteur de la machine. Par conséquent, il faut
commander le moteur en courant pour limiter celui-ci par l’intermédiaire d’une régulation que
l’on appel « régulation de couple ». Cette régulation permet de protéger le moteur ainsi que
les transistors du variateur.
Le moteur commandé en courant sera modélisé par le schéma suivant
Cc (N.m)
Im (A)
k
Cm -
1
Jp
+-
ω
V
Rroue.Dm
Da
vitesse (rad/s)
Fig 4 : modèle du moteur DC commandé en courant
Maintenant, nous allons voir dans le détail cette régulation de couple
18
Vitesse (m/s)
Rappel sur la régulation de couple
En fait, La régulation de couple correspond à une régulation de courant pour le moteur DC.
D’ailleurs, cette régulation fonctionne plus comme une limitation ou saturation de courant
En effet, pendant l’accélération et décélération, le courant du moteur sera imposé ou saturé
mais dès que la tension sera supérieure à 48 V alors le rapport cyclique du hacheur sera égal à
1 et le courant ne sera plus imposé. Le moteur aura atteint sa vitesse maximum.
Le paramétrage du variateur sera en régulation de couple (menu 12.03 page 27)
La modélisation du variateur en contrôle de couple correspond au le schéma d’automatique
suivant :
(accélérateur)
Rampe
+
Saturation
du courant
Correc
teur
−
Mesure image de la vitesse
U-RI
EB
variateur
Consigne
(A)
+
−
ε
Correcteur
erreur
ω (rad/s)
k
α
U ali
U m moy
Hacheur
+
moteur
-
1
Rm + L⋅P
Ιmoteur (A)
Chaine de mesure du courant
Fig.5 : schéma bloc du variateur en régulation de couple
Avec, la régulation de couple ce n’est pas parce que vous paramétrez un temps accélération
ou de décélération que le moto variateur va réaliser ces temps. Cela dépend du couple max
(ou courant max, de l’inertie de la charge, du couple de charge). En effet, à partir de
l’équation fondamentale de la mécanique, le temps d’accélération sera:
ω final
dt =
∫
0
J
dω
Cm − Cc
(eq 6)
Exemple si le courant moteur est saturé par le variateur à 300 A pour atteindre une vitesse de
314 ras/s avec un couple de charge 9 N.m, le temps de démarrage minimum du karting sera
égale à
ω final
dt =
∫
0
J
314 − 0
dω = 0.28 ⋅
=3 s
Cm − Cc
300 ⋅ 0.13 − 9
19
Nous allons faire différent essais avec le véhicule qui permettra
- de vérifier la bonne programmation du variateur
- de comprendre le fonctionnement de la régulation de couple
- d’identifier les paramètres mécaniques du véhicule.
Essais et mesures.
Nous allons donc faire 5 essais :
-essai à vide (marche avant avec Acc=1s dec=1s Imax=250 A) vitesse max =3000 tr/mn
-essai à vide (marche avant avec Acc=0,1s dec=0.1s Imax=250 A) vitesse max =3000 tr/mn
-essai à vide (marche avant avec Acc=1s dec=1s Imax=250 A) vitesse max =1500 tr/mn
-essai à vide (marche avant avec Acc=0,1s dec=2s Imax=50 A) vitesse max =3000 tr/mn
-essai en charge (marche avant avec Acc=0.1s, dec=4s, Imax=250 A) vitesse max =3000 tr/mn
Le courant moteur sera mesuré avec une pince ampère métrique MX 200 qui permet de
fournir une tension image de la vitesse de 5mV/A. Attention, la pince ampére métrique ne
fournit qu’une image du courant toujours positif.
La tension moteur sera mesuré par l’intermédiaire d’un filtre passe bas de fréquence de
coupure 5 Hz pour filtrer la fréquence de hachage du variateur de 16 KHz. Pour l’essai en
charge, il faut utiliser un oscilloscope numérique portable ou un onduleur 12 V/220 V avec un
oscilloscope secteur. Si on veut mesurer courant batterie et courant moteur il faut isoler les
entrées de l’oscilloscope
1) Essai à vide (marche avant avec Acc=1s dec=1s Imax=250 A) vitesse max =3000 tr/mn
Umax=48V
tension
Iacc=80 A
courant
Idec=-70 A
IRE=8 A
Fig 6 : essai 1 à vide du moteur en marche avant
A vide, On peut voir que le courant pendant
l’accélération est très important mais
n’atteint pas la limite de 250 A, la rampe
pour atteindre la tension 48 V est bien de 1
s.
On peut observer que le courant en régime
établi est très faible 8 A donc que le couple
de charge est seulement 1 N.m
(Cc vide=k.I=0,13.8=1 N.m)
Le temps de la décélération est bien celui
programmé de 1s
On peut voir les commutations du courant
haché. La constante de temps électrique du
moteur étant faible par rapport à la période
commutation provoque une variation du
courant non négligeable.
A partir de l’accélération, on peut déterminer approximativement l’inertie de la transmission
ramené sur l’arbre moteur
J transmissi on = (C m − Cc ).
dt
(1s − 0)
= (80A ⋅ 0.13 − 1) ⋅
dω
(314rad / s − 0)
=30.10-3 Kg.m2
Lors de la décélération, le courant du moteur devrait être
20
(eq 7)
I m = (J transmissi on
0 − 314ras / s
1
dω
1
+ C c ) ⋅ = (J transmissi on
+ 1) ⋅ = -64 A
dt
k
(1 − 0)
k
On retrouve approximativement le courant de freinage mesuré.
Cet essai à vide, permettra aussi de vérifier le couple de charge de la transmission (roulement
grippé) dans le futur. Maintenant, nous allons diminuer les temps d’accélération et
décélération minimales.
2) Essai à vide (En avant avec Acc=0.1s dec=0.75s Imax=250 A) vitesse max =3000 tr/mn
Imax=250 A
Umax=48
Tension moteur
Courant moteur
IRE=8 A
tacc
tDec
Avec ces dynamiques, On peut voir que
le courant pendant l’accélération est
beaucoup plus important que dans
l’essai précédent mais n’atteint toujours
pas la limite de 250 A en mesure, la
rampe pour atteindre la tension 48 V est
pratiquement égale à 0.3 s.
De même pour la décélération, le
courant de freinage est bien plus
important que le cas précédent. On
aurait pu déterminer le temps
d’accélération valeur avec l’équation
suivante :
Fig 7 : essai 2 à vide du moteur en marche avant
On aurait pu déterminer le temps d’accélération
l’équation suivante :
ω final
dt =
∫
0
pour le courant max de 250 A avec
30 ⋅10 −3 ⋅ (314 − 0)
J
dω = ⋅
= 0.3 s
Cm − Cc
250 ⋅ 0,13 − 1
Cet essai à vide, permet de voir que le courant de démarrage dépend du courant max
d’accélération et non du temps d’accélération programmé car il y a saturation du courant.
Avec le même paramètre que précédemment.
Umax=48V
On peut observer le courant batterie sur la
Tension moteur figure ci-jointe.
On peut considérer que le rendement du
Imax=160 A
variateur est proche de 100%
Donc Ibatterie aura pour équation
Ibatterie (t)= (Umoteur.Imoteur)/ Ubatterie
Courant batterie
Par conséquent, si le courant moteur est
constant, Ibatterie évolue avec Umoteur. Par
contre lorsque Umoteur est constant (régime
établie de vitesse) Ibatterie évolue en fonction
IRE=8 A
de Imoteur. Donc, lorsque Umoteur est égale à
48V,
le courant moteur et batterie seront
tDec
tacc
identiques.
Fig 8 : essai 2 à vide du moteur en marche
avant
21
3) Essai à vide (En avant avec Acc=0.1s dec=0,75s Imax=50 A) vitesse max =3000 tr/mn
Umax=48V
Imax=50 A
Avec ce courant de 50 A, on peut voir
que le courant est bien saturé à cette
valeur.
Donc, le temps d’accélération n’est pas
celui programmé dans le variateur.
Mais, il peut être déterminé par
l’équation suivante ;
tension
courant
ω final
dt =
IRE=8 A
tacceleration=1,7s
∫
0
30 ⋅10−3 ⋅ (314 − 0)
J
dω = ⋅
=
Cm − Cc
50 ⋅ 0,13 − 0.9
1,71s
tDec
Fig 9 : essai 3 à vide du moteur en marche avant
Cet essai à vide, permet de bien voir la saturation de courant de la régulation de couple.
22
4) Essai à vide (En avant avec Acc=1 s dec=1s Imax=50 A) vitesse max =1500 tr/mn
Les temps d’accélération et décélérations sont prévus pour atteindre le maximum de la vitesse
ou le maximum de la tension du variateur. Par conséquent, si la vitesse programmée est à la
moitié de la valeur maximum alors les temps d’accélération sont divisés par 2 aussi.
Par
conséquents
les
temps
d’accélération et de décélération sont
bien de 0.5s. La tension en régime
établi est bien de 24V.
tension
Umax=24V
La saturation du courant moteur
pendant le temps d’accélération aurait
Imax=80 A
pu être déterminé par :
IRE=8 A
courant
dω
1
+ Cc ) ⋅ =
dt
k
157ras / s − 0
1
Im= (0.03
+ 1) ⋅ = 80 A
(1 − 0)
k
I m = (J transmissi on
tDec=0.5
Fig 10 : essai 4 à vide sdu moteur en marche
tacc=0.5s
avant
Cet essai à vide, permet de voir que les temps accélération et de décélération sont
proportionnels à la vitesse max.
23
5) Essai en charge (En avant avec Acc=0.1 s dec=3s Imax=250 A) vitessemax=3000 tr/mn
L’essai en charge a été fait sur du plat, sur une route goudronnée.
Le couple de charge est déterminé
Imoteur (A)
U (V)
grâce au régime établi.
(Cc =k.I=0,13.50= 6,5N.m)
48V
Ce couple dépend bien sur du type de
250
pneu, du revêtement, du poids du pilote
50
et de la pente de la route.
t RE
t dec=6s
t acc=4s
Temps (s)
-82
Fig 6 : essai 5 du moteur en marche avant
L’essai en charge permet de vérifier l’inertie du vehicule calculé théoriquement avec
l’équation 1
dt
( 4 s − 0)
= (250A ⋅ 0.13 − 6.5) ⋅
dω
(314rad / s − 0)
J vehicule = (C m − C c ).
=0.33 Kg.m2
Pour vérifier cette inertie, on peut prendre aussi la décélération
dt
(6 s − 0)
= (−82A ⋅ 0.13 − 6.5) ⋅
dω
(314rad / s − 0)
J vehicule = (C m − Cc ).
=0.33 Kg.m2
Cette inertie va permettre de connaître les possibilités d’accélération du véhicule.
Ces essais ont permis de bien comprendre la régulation de couple.
Par conséquent, pour modifier les dynamiques du vehicule, on peut agir sur la saturation de
courant ou sur les temps d’accélérations.
Maintenant, il va falloir paramétrer correctement le variateur en fonction des dynamiques
demandé à la motorisation pour na jamais atteindre le défaut thermique du moto variateur.
Deuxième étape de paramétrage du variateur (dynamique de la motorisation)
Maintenant, il faut paramétrer le courant maximum du régulateur et les temps d’accélérations
et de décélérations en marche avant et en arrière.
Le courant max (menu 0.01 page 27) dépendra du courant équivalent thermique du moteur
pendant un cycle, ou du couple équivalent thermique en fonction de l’équation suivante :
n
∑
I m equ =
n
∑ (C
(I n ) 2 ⋅ t i
i =1
ou
n
∑⋅ t
i =1
i
C equ =
n)
2
i =1
n
∑⋅ t
i =1
24
i
⋅ ti
Exemple à partir de l’essai en charge du tableau 2 pages 7
Régime établi de vitesse
Accélération
dω 314 − 0
= 78.5rad / s 2
dt = 4 − 0
Cm = J
dω
+ Cc
dt
=31
dω
dt =0
C m = Cc
=9 N.m
N.m
I= Cm/k=31/0.13=238 A
I =69 A
Tableau 3 :
Le courant équivalent thermique sera égale à :
I m equ =
(I acc ) 2 ⋅ t acc + (I re ) 2 ⋅ t re + (I dec ) 2 ⋅ t dec
t acc + t re + t dec + t repos
=
Décélération
dω 0 − 314
= −78,5 rad / s 2
dt = 4 − 0
Cm = J
(238) 2 ⋅ 4 + (69) 2 ⋅10 + (−100) 2 ⋅ 4
4 + 10 + 4 + 0
dω
+ Cc
dt
=-13
N.m
I=-100 A
= 132 A
Donc, il faut faire un tour de piste complet en mesurant le courant moteur. Puis, on
déterminera le courant max pour ne pas que le variateur se mettent en défaut ou que le relais
thermique du contacteur ligne se déclenche.
Dans un premier temps, on ne s’occupera pas de ce courant équivalent thermique et on va
finir de paramétrer le variateur
•
Le niveau de freinage lorsque la pédale d’accélération n’est plus actionné sera choisi pour
un courant de 62,5 A (250A*0,25%) avec un temps de décélération de 2 s. En effet,
lorsque le niveau de freinage est plus important la courroie saute sur le galet moteur.
•
Si le commutateur de direction passe au neutre en marche avant on demandera un
freinage à 25% (250A*25%). De plus, ce freinage permet de maintenir le véhicule
pendant 10 secondes. Mais, il faudra attendre que le contacteur ligne se coupe au bout de
10s pour pouvoir le pousser
•
On peut brider la vitesse du vehicule en permanence (menu 5.02 page 45). Mais, étant
donné que l’on veut obtenir une vitesse maximum en avant (le menu 5.02 page 45) sera à
100%. Donc la tension d’alimentation maximum au niveau du moteur sera de 48V.
•
Par sécurité, la vitesse maximum en marche arrière sera de 30% (menu 5.03 page 45).
Donc la tension d’alimentation maximum en marche arrière au niveau du moteur sera de 14,4V.
•
Si le véhicule est dans une descente pour ne pas qu’il bouge on peut demander au moto
variateur de freiner électriquement (anti roll-off menu 11.01 page 57). Par conséquent, on
activera ce menu. Par contre, on n’utilisera pas de frein à manque de courant (E.brake),
donc le menu 12.05 page 57 roll-off E brake ne sera pas activé.
•
Pour pouvoir utiliser un potentiomètre pour le freinage électrique :
- Modifier dans paramètre\entrée analogique =3 (menu12.18 page 21)
- Régler la tension de la course du potar dans caractéristique\tension pédale de frein
((menu11.12 page 20
- Régler le niveau de freinage électrique dans caractéristique\niveau de freinage pédale
de frein à 125 A.
Une valeur plus importante fait sauter la courroie crantée sur la poulie motrice
25
Troisième étape de paramétrage (protection moto variateur)
Le variateur mesure la température de son refroidisseur pour protéger ces transistors de
puissances. Si la température du refroidisseur est supérieure à 75 °C, il limitera le courant du
moteur à un certain pourcentage que l’on peut voir sur la figure 6 pages 59.
De plus, le variateur fera clignoter sa led de fonctionnement 8 fois dans ce cas.
En plus, le variateur estime l’état thermique du moteur et limitera le courant du moteur ce qui
permettra de rentrer au stand en douceur. Donc, moteur cut back sera activé (menu 12.09 page
61)
Le moteur (paramètre moteur) lower limit sera fixé arbitrairement =40%
Le moteur (paramètre moteur) upper limit sera fixé arbitrairement =70%
Pour ne pas partir avec un véhicule déchargé, on programmera le variateur pour qu’il se met
en défaut si le la tension est trop basse ou trop haute (en charge) (menu 11.08 page 30)
Sécurité sous tension = 47V
Coupure sous tension = 45V
Sécurité surtension =57V
Coupure sur tension =62V
Lorsque le courant est très important la tension des batteries peut diminuer de façon non
négligeable est la variateur se mettra en défaut.
Lorsque le véhicule est en charge électrique, la tension est bien supérieur à 62 V, donc le
variateur se met en défaut ceux ci permettra de ne pas partir avec le véhicule en charge et de
ne pas détruire les transistors MOSFET avec une tension trop grande à leurs bornes.
Quatrième étape de paramétrage (booster le véhicule au démarrage)
Le menu 006 correspond au paramétrage du courant max en sortie de la batterie.
Or, au démarrage le courant de batterie augmente progressivement en fonction de la vitesse
voir l’explication de la figure 8. Donc, il est possible d’utiliser ce paramètre pour avoir un
couple accélérateur important juste au démarrage puis de minimiser le courant pour éviter
l’échauffement du moteur.
On peut voir sur la courbe un essai à vide avec un paramétrage pour un courant d’induit de
250 A max, un courant dans le menu 006 à 50A avec un temps d’accélération et de
décélération de 0.1 s, et un courant de freinage de -80A
26
On peut remarquer que le courant max
n’atteint pas 250 A, et il diminue
progressivement pour atteindre 50 A
lorsque la vitesse est proche du régime
établi.
Donc, on peut utiliser ce paramètre
pour faire un boost au démarrage du
véhicule puis de limiter le courant en
régime
établi
pour
minimiser
l’échauffement du moteur
Umax=48V
Imax=160 A
tension
Ilimite=50 A
courant
IRE=8 A
tacc=0.7s
tDec=1s
Fig 11 : essai à vide du moteur en marche
avant utilisant le menu 006
Conclusions :
Cette étude n’est pas exhaustive, le variateur permet une multitude de possibilités que l’on ne
peut pas détaillé pour l’instant. Une étude plus détaillé se fera dans un temps futur. On peut
voir sur les figures suivantes les différentes fenêtres des menus du variateur SEVCON avec la
programmation légèrement différente que celle prévu précédemment car le câblage du
potentiomètre de freinage est en court de réalisation. De plus, l’instrumentation extérieure du
véhicule réalisé avec différents capteurs autour d’un micro controleur PIC 16F877 n’est pas
entièrement câblé.
Remerciement
L’I.U.T G.E.I.I de Soissons et tous ces étudiants aimeraient remercier l’association e-kart et
plus particulièrement Mr et Mme Lequeux qui ont été présent à chaque problème de fiabilité
du karting. D’ailleurs sans leurs aides le karting n’aurait jamais pu se présenter au challenge.
De plus, l’I.U.T G.E.I.I de Soissons remercie l’Agence SEVCON d’Argenteuil pour leur
accueil et leurs explications pour pouvoir maitriser pleinement ce variateur et surtout Mr et
Mme Deangelis.
27
Bibliographies :
[1] User Manual Millipak 4QPM controller version 2.5 fichier PDF de 80 pages
[2] Millipak 4Q electrical specification
fichier PDF de 5 pages
Code des produits
Variateur millipak 4Q
Câble TTL/RS232 N°662/14039
Logiciel PCpack
Module accélération
Réf:633T43810
Réf:662/14039
340 Euros UHT
325 Euros UHT
Réf:656/12044
75 Euros UHT
Philippe Deangelis
Sales & Application Manager
Direct +33 (0)1 34 10 92 03
Fax
+ 33 (0)1 34 10 61 38
Email philippe.deangelis@sevcon.com
Web
www.sevcon.com
Sevcon SAS
12 rue Jean poulmarch,
95 100 Argenteuil
France
28
Les menus caractéristiques
Page
23
Menu
0.01
Item
Valeur
Courant limite induit
250 A
Menu 00E6
100 A
Mosfet marche avant Rds On
11,6
Mosfet marche arrière Rds On
11,6
Mosfet junction temperature coefficient
23
Track resistance
0
75%
28
1.01
Niveau de freinage d'inversion
28
1.02
Niveau de freinage au neutre
10%
28
1.04
Niveau de freinage pedale de frein
50%
26
2.01
Délais d'accélération
0,1s
26
2.02
Drive deceleration delay
0,1s
26
2.03
Direction deceleration delay
0,1s
26
2.04
Neutral deceleration delay
0,1s
25
2.05
Tension accélérateur à zero
0,2V
25
2.06
Tension accélérateur engagé au maximum
3,50V
Vitesse mini accélérateur en consigne
0%
Vitesse maximum
100%
45
5.02
Vitesse maximum en marche arrière
40%
43
6.01
Coupure vitesse 1
50%
43
6.02
Coupure vitesse 2
50%
37
9.01
Temporisation direction assistée
2s
41
10.01
Délais contact de siege
5s
57
11.01
Roll-off enable
ON
40
11.02
Vitesse conducteur non accompagné
0%
29
55
11.03
Délais sécurité anti écrasement
1s
46
11.04
Délais démarrage levage progressif
0,1s
46
11.05
Temporisation désengagement levage
2s
49
11.06
Line contactor dropout timer
10s
54
11.07
SRO Delay
2s
65
11.08
Sécurité sous tension batterie
47V
65
11.09
Coupure sous tension batterie
46V
65
11.10
Sécurité surtension batterie
57V
66
11.11
Coupure surtension batterie
62V
30
11.12
Tension pedale de frein à zero
0V
30
11.13
Tension pedale de frein engagé au maximum
1,90V
Les menus état
Les menus de test permettent de verifier le câblage et l’état des entrées.
30
Les menus paramètres qui permettent de configurer le variateur
Page
Menu
Item
Valeur
24
12.01
Selection tension contacteur
ON
54
12.02
Sécurité retour point neutre actif
OFF
27
12.03
Mode de contrôle
Torque
41
12.04
Contact coupure levage contact
OFF
57
12.05
Engagement électro-frein sécurité
OFF
45
12.06
Reverse speed limit enable
ON
53
12.07
FS1 Recycle
OFF
52
12.08
Direction switch checking
OFF
61
12.09
Motor protection
ON
49
12.10
Line contactor dropout
ON
34
12.11
Caractéristique accélérateur
Linear
38
12.12
Contact vitesse max momentanée
Normal
55
12.13
Configuration anti écrasement
Normal
37
12.14
Commande interne direction assistée
0
31
12.15
Priorité pédale d'accélérateur
Drive (accélérateur)
47
12.16
Buzzer configuration
Reverse / Roll off
Menu 00E8
21
12.17
Configuration E/S digitales
1
21
12.18
Configuration entrées analogiques
3
18
12.19
Tension système
48V
31
Le menu protection moteur
Maintenant, c’est à vous de jouer et d’améliorer l’histoire de ce variateur et de ce karting
électrique.
- Etude thermique du moteur (capteur de température…)
- Etude de la protection moteur en mesure le courant thermique.
- Changement de poulie au niveau du moteur en fonction des configurations de courses
- …
32
QUESTIONS SUR LE KARTING À MOTEUR DC
CORRIGÉ
1) Donner les 4 équations d’un moteur DC et les équations de la puissance électrique et mécaniques:
um = R i + L
di
+ kω
dt
(1.1)
Cm = k c i
dω
J
= C m − Cc
dt
(1.2)
(1.3)
Où um et i sont respectivement la tension et le courant induit, R et L sont la résistance et l’inductance
de l’induit, k est la constante de la force contre électromotrice, ω et θ sont la vitesse et la position
angulaire, J et F sont l’inertie et le coefficient de frottement visqueux, Cc est le couple de charge et Cm
le couple moteur.
Pelec = U m ⋅ I m
Pmeca = C m ⋅ ω
(1.4)
2) Pourquoi un moteur DC chauffe ?
A cause de la résistance du moteur (ici 40.10-3 ohms), une faible valeur mais les courants sont
important. Les pertes par effet joules sont :
Pperte = R ⋅ I 2m
(1.5)
P démarrage = R ⋅ 300 2 = 3600 W
P nominale = R ⋅ 120 2 = 576 W
3) Que ce passe t’il si on branche directement le moteur DC sur les batteries ?
Au démarrage la vitesse est nulle ω=0 rad/s
Id m= ( U − k ⋅ ω) ⋅
1
48
=(
) = 1200 A
R
40 ⋅ 10 −3
Ce courant dure seulement pendant le démarrage (un court instant), mais ne pourra pas être
supporté par le moteur (étincelle entre le balai et le collecteur). Donc, il faudra mettre un rhéostat de
démarrage ou un variateur qui va limiter ce courant de démarrage.
4) De quoi est constitué un variateur pour machines DC ?
Un hacheur en pont qui permet de faire varier la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur
et de réguler le courant de celui-ci.
33
5) Quelle est l’utilité de mettre un réducteur de 0,3 de vitesse au niveau du karting qui limite
la vitesse a 42km/h ?
Le réducteur permet d’augmenter le couple moteur mais diminu la vitesse maximale. En effet, on
peu considérer que le rendement du réducteur est de 100% donc la puissance est la même en entrée
et en sortie. Donc si la vitesse est divisée par 0,3 le couple sera multiplié par 0,3 comme le montre la
figure ci contre.
Couple meca=16,6N.m
Couple=5 N.m
P
absorbée
batterie
Moteur
N˜ 3500 tr.mn-1
48V.40A=
1920 W
Putile=5.366rad/s
=1856W
Réducteur
Dm/Da
24/80
Nroue =1050 tr.mn
-
1
Pme ca=16,6.110rad/s
=1856W
Roue φ =25 cm
N roue
1
⋅
2 ⋅ π ⋅ rroue 60
force resistante (N)
Vitesse
linéaire
(m/s)
fig 2 : bilan de puissance de la transmission
6) Lorsque le couple moteur augmente alors le temps d’accélération diminue. Pour augmenter le
couple accélérateur que peut on faire au niveau de la programmation du variateur.
Diminuer le paramétrage du temps d’accélération du variateur, mais surtout augmenter le courant
max de la régulation de courtant.
7) Pourquoi ne peut on pas programmer 300A constament au variateur ?
Car le moteur ne peut supporter ce courant plus de 2 minutes, et les transistors du MOSFET plus de
30 secondes.
8) Pourquoi lorsqu’on programme le variateur avec un temps d’accélération de 10 secondes,
le courant de démarrage est-il faible ?
Im=
dω
1
dω
Cm
+ Cr ) ⋅
= (J
donc si l’accélération
est faible alors Idemarrage sera faible.
dt
k
dt
K
9) Pourquoi les transistors MOSFET chauffe ?
2
Pperte transistor = R DSon ⋅ I drain
+ pertecommutation
avec
Idrain=Imoteur
Donc, le variateur chauffe.
10) Pourquoi lorsqu’on freine et lorsque le courant est négatif, le moteur chauffe ?
Perte par effet joule (chaleur) = RI²
Les pertes sont quadratiques par rapport au courant, donc il y a des pertes dans la machine DC
qu’elle soit motrice ou génératrice.
11) Pourquoi lorsqu’on programme le variateur a 300A, le fusible de 200A ne fond pas ?
Le fusible est à accompagnement moteur (AM), donc il est temporisé. De plus, le courant programmé
est une saturation donc il faudrait connaître le courtant sur un long terme (10 secondes).
12) Comment le variateur détermine la vitesse du moteur. Sans capteur de vitesse ?
34
En mesurant la tension U moteur et son courtant I en permanence, le variateur détermine la vitesse
avec l’équation suivante :
ω(rad / s) =
E U − R.I
=
k
k
Il peut donc minimiser la vitesse à une certaine valeur par programmation.
13) Comment le relais thermique détecte qu’il faut couper l’alimentation du moteur avant qu’il soit
détruit par la chaleur ?
Par l’intermédiaire d’une bilame qui se courbe en fonction de la chaleur et coupe l’alimentation du
relais qui alimente la partie puissance du variateur.
14) Comment le variateur détecte le courant de défaut thermique ?
Le variateur mesure en permanence le courant, et calcul par l’intermédiaire d’un microcontrôleur
l’échauffement thermique. De plus, il minimise le courant max en fonction du courant thermique
pour que la motorisation fonctionne toujours mais avec des accélérations plus faibles. Ce qui permet
au karting de rentrer au stand.
15) Comment le variateur peut sur la même sortie commander un relais 24V et 48V par un
simple parentage de celui-ci ?
La sortie est hachée (hacheur série) et elle peut donc alimenter plusieurs types de bobinages.
D’ailleurs, pour économiser l’énergie, il y a une tension brève à 24V pour coller le relais puis la
tension diminue à 16 V ce qui minimise le courant de maintient du relais.
16) Quelle est l’utilité de la LED du variateur ?
Elle clignote en fonction des défauts et permet de savoir comment modifier le paramétrage du
variateur en fonction de la charge mécanique, des types de batteries, des sollicitations demandées
au moteur…
Il serait intéressant d’avoir un microcontrôleur qui compte ce clignotement pour traduire ceux-ci sur
un écran LCD…
35
Questions sur le Karting à moteur DC
Non corrigé
Pour vérifier que vous avez bien compris la motorisation répondre aux questions suivantes
Au challenge E-kart, il y a une épreuve de
rapidité sur 50m avec un départ arrêté.
On sait que la position ou le déplacement
est l’intégration de la vitesse.
Le couple moteur, la vitesse et la position
sont représenté sur la figure suivante.
θ deplacement (m)
U (V)
Imoteur (A)
48V
50 m
300A
50 A
t RE
t acc=s
t dec=6s
Temps (s)
-82
La poulie du moteur est de 24 dents, donc l’inertie sera de 0.28 kg.m2
1) Dans un premier temps, nous allons déterminer le couple de démarrage du moteur Cm
pour le courant maximum de 300 A que peut supporter le moteur pendant 2 minutes.
2) Calculer le temps de démarrage approximativement du moteur avec une charge de 9 N.m
3) Calculer le déplacement pendant ce temps démarrage.
4) Après le démarrage le moteur est à vitesse constante à 3000 tr.min, calculer la vitesse
linéaire en régime établi de vitesse, et le temps pour parcourir les 50m
5) En combien de temps le karting aura t il parcouru les 50 m.
6) Refaire les calculs précédents avec une poulie de 32 dents, inertie, tacc, vitesse en régime
établi, temps pour parcourir les 50 m
Conclusions : Serait-il intéressant pour cette épreuve de 50 m de changer la poulie Dm ?
(justifier en comparant les couples et l’inertie). Si oui, Quelles nombres de dents pourrait-on
mettre sur cette poulie ?
36
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