2003_r_simul Variateur de Vitesse

7/30/2019 2003_r_simul Variateur de Vitesse

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Lyce MACHOUK Mohamed, ABDULAHU Agron, FALLOUS Mohamed 2TSEVOILLAUME Brevet de Technicien Suprieur en Electrotechnique 2002-

1. Variateur de vitesse

La machine asynchrone est commande par un variateur de vitesse de 4 kW-OMRON. Le

modle du variateur est le 3G3HV.Cette machine asynchrone sera accouple une machine a courant continu. Un hacheur srie

devra tre ralis afin de pouvoir faire varier le courant inducteur de celle-ci.

Ce hacheur sera intgr dans larmoire du plan de charge.

Ce variateur de vitesse peu fonctionner en 2 commandes diffrentes :

-en U/f

-en commande vectorielle

A laide du logicielle SCHEMAPLIC, on a pu tablir le schma complet de la partie puissance

et commande du variateur. (voir annexe)

On installera dans une armoire lectrique ce variateur de vitesse et on veillera isoler les

parties commande et puissance.

On mettra du cble blind en sortie du variateur.

1.2 Synoptique gnrale :

1.3 Synoptique du variateur :

1


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Redresseur: ici cest un pont de diode triphas qui permet de transformer la tension

alternative en tension continue ondul.

Filtrage : un condensateur de filtrage permettant dliminer les phnomnes dondulationsde tension en sorti du redresseur.

Rcupration : ce systme permet de transformer lnergie mcanique lors du freinage du

moteur en nergie calorifique dans les rsistances de dissipation comme systme de freinage.

Onduleur: ce systme est un pont redresseur tous thyristors qui permettent de transformer la

tension continue en une tension alternative amplitude et frquence variables. On peut ainsi

maintenir le rapport U/f constant.

1.4 Schma du variateur :

Linductance L devra tre ralise, elle permettra de rduire les harmoniques gnrs par le

variateur de vitesse.

On mettra aussi des inductances de lignes afin de rduire encore plus les harmoniques.

Dans larmoire du groupe variateurmoteur asynchrone, on installera le variateur de vitesse et

son module de dissipation( rsistances + dissipateur) ainsi que les inductances.

1.5 Implantation des composants dans larmoire :

Pour la partie puissance on aura :

-1 sectionneur

-1 contacteur

-1 bornier puissance

Pour la partie commande : (commande en 230 V)

-1 porte fusible

-1 bouton poussoir (arrt)

-1 bouton marche clef

-1 inverseur pour la commande marche avant et arrire

-1 potentiomtre pour faire varier la vitesse-1 bornier commande

2

1 4

6

3 7

5

2

98

1 : variateur de vitesse

2 : dissipateur

3 : inductances de lignes triphases

4 : sectionneur

5 : contacteur

6 : porte fusible

7 : inductance (continu)

8 : bornier commande9 : bornier puissance


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1.6 Rfrences des composants de larmoire :

Les composants de puissances seront dimensionns par rapport la tension du rseau et le

courant nominal du moteur.

Sectionneur:

Tension rseau de 400 V triphase, fusible aM de 2A rf sectionneur LS1 D253 A65

Contacteur:

Tension rseau de 400 V triphase, I moteur=8,5 A Ref contacteur LC1 D123 A65

Porte fusible :

Tension 230 V pour la commande, fusible de 1A rf porte fusible Gould 32A-500V

Rsistances de freinage :

Puissance a dissiper P= donc R=

On mettra 4 rsistances en srie de choix Ref

Dissipateur:

Le dissipateur a t surdimensionn afin de pouvoir lutiliser pour dautre type dessai. Pour

nos essais il ny aura quasiment pas besoin de ce dissipateur.

Pour mettre en dfaut le variateur en cas de surchauffe on placera un thermostat sur ledissipateur.

Thermostat

Pour la commande :

Bouton poussoir arrt rf ZB2 PE102

Bouton marche clef rf ZB2 PE101

Inverseur marche avant-arriere rf ZB2 PE101

Potentiomtre rf Bourns 3540S-91-103

Contacteur de porte XCK P 240V-3A

Armoire complte cble :

3


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1.7 Identification du moteur asynchrone :

Plaque signaltique :

P =3 kW

N =1440 tr/min

I =3,5 / 8A

Le moteur asynchrone a pour modle quivalent le schma lectrique suivant :

Pour trouver les valeurs des lments, on effectue 3 essais :(voir cahier dessai)

-un essai en continu pour mesurer la rsistance statorique par phase

-un essai rotor bloqu pour dterminer la rsistance du rotor et la ractance de fuite au rotor

-un essai vide (ou mieux encore, vitesse de synchronisme) pour obtenir les pertes dans le

fer (dans Rfer) et linductance magntisante (L).

Ces essais ont permis de trouver :

Rs =

Rfer= 324

L = 130 m

R = 2,34

L = 14,9 mH

1.8 Rglage du variateur et tudes des performances :

Rglage de base pour le mode vectorielle :

Configuration du mode de contrle n002 1 (contrle vectoriel)

Configuration du courant nominal du moteur n036 70 (en % par rapport au courant a

vide du variateur)

I var=12 A alors pour Imoteur=8.5A on rgle 70%

Configuration du glissement nominal du moteur n106 2

gn = fn -120

Nn

4

fn : frquence du rseau

n : vitesse nominale

N : nombre de ples

L


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gn = 50 -120

41440 gn = 2

Configuration de la rsistance par phase n107 0,65

Configuration du courant a vide du moteur n110 21 (en % par rapport au courant a

vide du variateur)

I var=9.2 A alors pour I moteur=2 A on rgle a 21%

1.9 Performance du variateur :

Pour un fonctionnement a petite vitesse, le moteur asynchrone est capable de fournir le couple

maximal. Pour valider cette performance, on a effectu un essai de la machine asynchrone

accouple a la machine a courant continu. (voir cahier dessai).

On a fait un essai sous courant nominal afin de voir la performance du variateur. Pour lessainous avons fait un essai en court-circuit de la M.C.C.

On peut ainsi affirmer aprs cet essai que le variateur en commande vectorielle est trs bien

adapt pour dlivrer un couple maximal a basse vitesse. Le contrle en U/f nest pas adapt

aux fonctionnements a basse vitesse pour des couples important.

Nous pouvons alors dire que le contrle vectoriel est un mode trs satisfaisant par rapport au

contrle en U/f, mais le fonctionnement du contrle vectoriel reste cependant trs complexe.

2. Ralisation de linductance pour le variateur

Le but de cette inductance est de rduire les harmoniques gnrs par le variateur de vitesse.

Dans la documentation du variateur, le constructeur nous donne la valeur dinductance a

utiliser.

Le constructeur donne les rfrences suivantes :

L = 6,3 mH

I M = 12 A

Tension nominale 800 Vcc

2.1 Dimensionnement de linductance :

On simpose un champ magntique B M de 1,2 T

Calcul dece

N:

ce

N=

M

M

I

B

0

2

=

12104

2,127

ce

N= 159,1 10 3

On calcul ensuite le nombre de spires :

5


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Pour calculer le nombre de spires il faut connatre la surface de fer utiliser, il faut alors

calculer le nombre de plaques a placer dans la fentre du support.

Support : Plaques :

Sachant que lpaisseur dune plaque fait 0,5 mm il faut alors 52 plaques pour remplir la

fentre du support. ( 5,0

26

=52)

S

N=

M

M

B

IL N=

SB

IL

M

M

N = 3

3

10)3226(2,1

12103,6

N= 76 spires

Calcul de lentrefer corrig :

e c =M

M

B

NI

2

0=

2,12

7612104 7

e c = 0,47 mm

Calcul de lentrefer rel :

rc

c

e

e

2

2= 31047,02

47,02200

=0,211

On a alors e c = e (1+ e c ) 0,47 = e (1+ 0,211) e = 0,388 mm (entrefer rel)

Calcul de S cuivre et de S place :

S cuivre = 764

12 k = 76

4

12 2 = 456 mm 2

S place = 13mm 44mm = 572 mm 2

On a donc S place > S cuivre , le bobinage peut alors se faire sans dpassement.

Apres avoir raliser cette inductance, on fait un essai pour mesurer la valeur de linductance.

6

32 mm

26 mm

64mm

32mm


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On doit se rapprocher le plus de la valeur prconise du catalogue OMRONqui prconise une

valeur de 6,3mH.

Aprs avoir fait lessai de mesure (voir cahier dessai), on trouve que linductance ralise apour valeur 7mH.

On viendra mettre en plus de linductance continu des inductances de lignes afin de

diminuer le taux dharmoniques. Le catalogue OMRONprconise des inductances de lignes

triphases de 2,2 mH.

Le choix des inductances se fera sur le catalogue TELEMECANIQUE, on prendra des

inductances triphases de mH.

2.2 Influences de ces inductances :

Aprs avoir fait plusieurs essais du variateur sur le moteur asynchrone tudi, nous pouvonsvoir linfluence de nos inductances. (Voir cahier dessai).

On peut montrer linfluence des inductances sous forme de tableau :

A laide dun analyseur rseau on a pu relever ce tableau de valeur qui nous montre

linfluence des inductances.

Harmonique de

rang

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Sans

inductances en

% de I fond

2,5 14,4 1,8 85,5 1,4 78,4 0,9 6,2 0,8 58,6 0,6 44,6

Inductance CC

en % de I fond

0,9 8,8 0,2 52 0,1 37 0,2 1 0,1 8,5 0,1 6,4

Inductance CA

en % de I fond

1,6 13,3 1,2 69,5 0,6 52,8 0,2 4,1 0,3 17,2 0,6 9,9

Inductance

CC+CA en %de I fond

2 11 0,4 47,6 0,7 24,9 0,3 3,5 0,1 9,1 0,1 6,2

7

Mesure sans inductances :

THD = 140%

P= 0,7 kW 3

S= 0,71 kVA 3

Q= 0,07 kvar

3Cos= 0,99

pF = 0,56

Mesure CC :

THD = 66,6%

P= 0,72 kW 3

S= 0,72 kVA 3

Q= 0,07 kvar

3Cos= 1

pF = 0,83

Mesure CA :

THD = 92,2%

P= 0,7 kW 3

S=0,7 kVA 3

Q= 0,04 kvar

3Cos= 1

pF = 0,74

Mesure CC+CA :

THD = 57,4%

P= 0,74 kW 3

S= 0,74kVA 3

Q= 0,08 kvar

3Cos= 0,99

pF = 0,87


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On peut remarquer ici que leffet des deux inductances connectes nous permettra de rduire

trs considrablement les harmoniques.

On peut remarquer aussi que linductance dite continu a plus dinfluence que les

inductances triphases.La mise en place de ces inductances nous permettent de rduire le taux dondulation (THD)

du courant et aussi davoir un facteur de puissance (pF) trs satisfaisant. Aprs ces plusieurs

relevs, on peut constater que linductance dite continu est celle qui nous rduit le plus a

elle seule le taux dondulation et le facteur de puissance.

On peut alors valider la rduction dharmoniques par nos inductances.

3. Hacheur srie/ Rglage du courant inducteur :

Le hacheur srie doit permettre de rgler le courant dans linducteur du moteur courant

continu accoupl au moteur asynchrone.

La commande du hacheur sera de type 0/5 V, un microcontrleur gnrera le signal PWM et

linarisera le flux dans la machine.

3.1 Etude thorique :

Schma

La diode de roue libre est indispensable.

Allure de la tension et du courant

Lorsque 0 Tt , H est ferm et D est bloque.

On en dduit : Uc(t) = U

Lorsque T Tt , H est ouvert et D est passant

On en dduit : Uc(t) = 0

Pour dterminer lintensit idu courant dans la charge, il faut crire les quations lectriques

du circuit.

On sait que Uc(t) = Ri+ Ldt

di

Donc lorsque 0 Tt , on a : U = Ri+ Ldt

di

Lorsque T Tt , on a : 0 = Ri+ Ldtdi

La rsolution complte de ces quations donne des allures exponentielles pouri(t).

8

L

RD

H

U Uc


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On a trac ci-dessous avec Uc(t), lallure de Ri(t) qui est proportionnelle a i(t).

Uc(t), Ri(t)

Valeurs moyennes

Daprs lallure de Uc(t), on en dduit sa valeur moyenne : Uc moy = U

Pour obtenir I moy crivons lquation lectrique :

Uc(t) = Ri+ Ldt

di

On sait que la tension moyenne aux bornes dune inductance est nulle en rgime priodique.

On en dduit la relation :

Uc moy = R I moy , soit I moy =R

U

3.2 Synoptique du hacheur srie :

Ph

N

9

Pd2

Driver

OP

To

Signal de commande

rgulateur

15 V

TT

0


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Dans cette carte, on trouvera :

- un pont redresseur

-un transistor

- un rgulateur pour lalimentation du driver

- un driver pour la commande du transistor

- un optocoupleur pour une isolation galvanique

- une diode de roue libre pour viter les discontinuits de courant dans linductance

(inducteur)

3.3 Dimensionnement et choix des composants :

Pont redresseur :

La tension redresse en sortie du pont de diode (PD2) est de 230 2 soit 311 V et le courantmaximal passant dans une diode sera de 0.8 A (I Inducteur ).

Choix du PD2 rf Fagor BY229-600 : 1 A- 600V

Choix du condensateur :

On a lallure suivante en sortie du pont redresseur :

Uc

Ud

Ici le temps de dcharge du condensateur sur lallure dessin est T/2.

On cest que pour une capacit on a la relation Q = C U do U=C

Q

Ayant une variation U on obtient U=C

Q

Sachant que Q, la charge, est aussi le produit du courant absorb par le temps t de dcharge,

on aura :

U =

C

It

Etant donn que la dcharge dure quasiment toute une demi priode, soit environ7,5 ms.

10

T/2

2/T


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On peut alors calculer la capacit du condensateur C.

C = U

It

= minmax UU

It

Ici on a I = 0,8 A (courant max dans linducteur).

Sachant que le rgulateur est command pour une tension minimale de 30V on prendra alors

U min = 60V.

La dcharge du condensateur dure 7,5 ms.

Calcul de C :

C =602230

8,0105,7 3

C = 22,6 F Choix C = 22 F

Rgulateur:

Le rgulateur doit nous fournir une tension de 15 V, afin de pouvoir alimenter le driver.

Ce rgulateur une fois choisie, sassurer quil sera command pour une tension minimale en

entre de celui-ci. Il faudra donc dimensionner sa tension minimale dentre, donc

dimensionner le condensateur mettre en sortie du pont redresseur.

Il faut ensuite dimensionner les deux rsistances mettre en sortie du rgulateur afin davoir

15 V pour lalimentation du driver.

Choix du rgulateur :

Le rgulateur doit pouvoir supporter une tension redresse de 230 2 soit 311 V et doit

pouvoir fournir 15 V en sortie.

Le rgulateur choisi sera le VB 408 en botier TO-220 qui est le plus utilis et qui convient le

mieux pour notre utilisation.

Schma :

11


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Ici nous voulons avoir V out= 15 V, on prendra pour la tension de rfrence V ref une tension

typique donne par le constructeur, cest dire V ref= 1,24 V (Voir annexe .).

On peut alors pour dterminer les deux rsistances appliquer le pont diviseur de tension afinde dterminer les deux rsistances.

On a alors le schma suivant :

V ref

A.N :

out

ref

V

V=

21

1

RR

R

+

15

24,1=

21

1

RR

R

+ 1,24R1+1,24R2 = 15R11,24R2 =13,76R1

on a alors un rapport2

1

R

R=

76,13

24,1= 0,09

On choisit alors R1 = et R2 =

Faut-il un dissipateur?

On se place dans le cas le plus dfavorable, cest dire quil faut prendre les valeurs

maximales des grandeurs.

On prendra i = 25 mA.

La tension de sortie Us = 15 V et la tension dentre Ue = 230 2 V

Schma :

Calcul de la puissance :

P = < (Ue-Us) i >

i = cst = IOn peut alors crire que P = I

= I - I Us

12

V

R1

R2

On peut crire que :

V ref= V out

RR

R

+soit

out

ref

V

V=

RR

R

+

VB408

UsUe

i


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Le cas le plus dfavorable donne = 230 2 V

Alors P = (230 2 -15) 25310

P = 7,75 W

On a daprs le document constructeur :

R ambjth . = 60C/W

Alors = R ambjth . P = 60 7,75

= 465C

Et donc j- amb = 465C soit j = 465 + amb

j = 465 + 25 = 490C

j>>150C Un dissipateur est ncessaire

Calcul du dissipateur:

On a ici la relation suivante : (R jcth + R ambcth . ) P =

= 130-35

On a alors R ambcth . =

P

R jcth

= 4,175,7

35130

R ambcth . = 12,1C/W

Choix du dissipateur 11C/W-Type KL194 pour botier TO-220.

Choix du transistor:

Le courant maximal passant dans le transistor est de 0,8A.

Ayant des faibles puissances et travaillant des frquences pas trs leves, nous prendrons

un transistor MOS.Les transistors peuvent trs bien fonctionner faible qua haute frquence.

Mais leur utilisation est surtout utilis haute frquence.Le choix sera alors le transistor MOS IRF840 (voir annexe )

Pour avoir un courant avec le moins doscillations on se placera au minimum a 100 w 0 .

Avec w 0 =

1( =

R

L).

13

wo100wo

R

R


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3.4 Dtermination de R et L :

Nous avons effectu deux essais afin de dterminer la rsistance R de linducteur ainsi que

linductance L.(voir cahier dessai).

Ces essais ont permis de trouver R = 144 et L = 23,5 mH.

On peut ainsi dterminer la frquence minimale dutilisation du transistor pour avoir le moins

doscillation de courant. (Courant quasi constant).

=R

L=

144

5,23 = 163 ms

Soit w 0 =

1= 310163

1

w 0 = 6,13 rad/s

Pour avoir un courant quasi constant, on se placera 100 w 0 soit 613 rad/s ( 100hz) au

minimum de fonctionnement.

Aprs avoir fait un essai (voir cahier dessai) on se placera au alentour de 600hz car a cette

frquence le courant est quasi constant.

On pourrait monter plus haut en frquence mais a partir du kilowatt lutilisation est nuisible

pour lutilisateur. On se limitera donc pour des raisons de confort a une frquence de 600hz.

Pour commander le transistor on a choisit le driver L6353 (voir caractristique en annexe).

Dtermination des lments du driver L6353 :

Schma du driver :

Dtermination des diffrents lments du driver:

1) Mode

Pour avoir un mode non-inverseur, on placera un condensateur entre la borne selectet com.

On prendra C = 100nf.

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2) V ref

On placera un condensateur de 100nf sur lente V ref.

3) Paramtre t delay .

t DELAY = Rext(k) C ext(nF)+ t on

Pour minimiser ce temps on branchera seulement une rsistance entre Delay et V ref. On

prendra R9 = 4,7 k.

On doit avoir alors t DELAY t on (t on =400 ns)

4) Paramtre t DelayMON_ et V CL

La charge de la grille du transistor se fait par rapport R12 et C7.

t DelayMON_ se fixe par rapport au transistor choisit. Ici le transistor est un MOS IRF840.

t DelayMON_ = C iss R (C iss : Capacit interne du transistor).

Ici C iss = 1300 pF on prendra R=100 .

Donc t DelayMON_ = C iss R = 13001210 100 = 0,13 s

Pour tre sur de charger la grille on prendra = 3 C iss R soit t DelayMON_ =0,39 s

On prendra R12 = 4,7 k et C7 = 560 pF.

Paramtre V PROGCLAMP_ :

On a pour formule V PROGCLAMP_ =

6

CLV avec 7V VVCL 11

On prendra V CL = 6V. V PROGCLAMP_ =6

CLV = =6

61V

15


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On a alors daprs ce schma V PROGCLAMP_ = refVRR

R

+ 117

7

ref

PROGCLAMP

V

V_ =

1177RR

R+

=51

1177RR

R+

R7+R11 = 5 R7 R11=4 R7

7

11

R

R= 4 Choix R11 = 33 k et R7 = 8,2 k.

5) Paramtre V onth

On a V proglevon = V onth 17,0 avec 5V 1 onthV 5V et V onth < Vcc-1

A laide de la courbe ci dessous on a pu dterminer les 2 rsistances pour paramtrer

correctement V onth .

On a ainsi R5 = 47 k et R10 = 10 k

Optocoupleur:

Loptocoupleur choisit est le HPCL 2200.Sa commande sera faite en 5V et le courant dlivr

par le microcontrleur sera au moins de 2,5 mA.

Schma :

On a ainsi R8 = 3105,2

5

= 2 k choix R8 = 2,2 k

Pour charger le driver on mettra une resistance R = 100 k entre la borne input et Vss.

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R11

R7 VV

V ref

R8

Inputdriver


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4.Realisation de la carte inducteur.

A laide du logicielle WINTYPONon a pu etablir le typon de la carte inducteur.

Problme rencontr lors de lessai :

Le driver ne commandait pas le transistor :

- Il fallait charger le driver entre input et Vss. Pour cela nous avons mis une rsistance de

100k.

Lallure de la tension aux bornes du transistor netait pas validez car nous navions pas la

tension Vcl a 6V et le Tmon_delay netait pas infrieur a notre calcul.- Nous avons alors chang de condensateur pour diminuer ce temps ( C7=560pF)

- Nous avons recalcul les deux rsistances R11 et R7 afin davoir la tension Vcl voulut.

Aprs avoir fait ces trois modifications, le fonctionnement de la carte est validez.

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