P 6GIN555 PROJET DE SYNTHESE D INGENIERIE - … · L’utilisation de génératrices à combustion est le système le plus simple à utiliser pour alimenter des chalets, par exemple

Université du Québec à Chicoutimi

MODULE D’INGENIERIE PROGRAMME DE GENIE ELECTRIQUE

6GIN555 – PROJET DE SYNTHESE D’INGENIERIE

Rapport final

Gestion de l’énergie électrique sur système éolien

Préparé par

TREMBLAY, FREDERIC BOUCHARD, CHRISTIAN

POIRIER, JONATHAN

Pour

FOFANA, ISSOUF

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI

16 avril 2010

COORDONATEUR : PARADIS, JACQUES CONSEILLER : FOFANA, ISSOUF

Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées

Module d’ingénierie

Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | ii

RESUME

Dans les régions nordiques éloignées, la production d’énergie se fait, dans plusieurs cas, aux dépens de

l’environnement. L’utilisation de génératrices à combustion est le système le plus simple à utiliser pour

alimenter des chalets, par exemple. Un système complémentaire diminuerait les coûts d’entretien, la pollution

générée ainsi que la nuisance sonore causée par le moteur à combustion. L’utilisation d’un système éolien

devient une approche de plus en plus intéressante avec tout le développement et la recherche de système éolien

performant.

Ce projet de conception, subventionné par les entreprises LP, consiste à concevoir un prototype utilisant

une éolienne, un système d’accumulation et une génératrice diesel pouvant fournir une puissance constante à

une petite charge, comme un chalet en territoire éloigné, à une tension nominale de 120Vc.a.. Il s’agit donc de

présenter un système fiable, efficace et le plus économique possible. En d’autres mots, le système de

génération d’énergie électrique autonome sera remplacé par une génératrice à combustion en l’absence de vent

et d’énergie sur le système d’accumulation. Le système doit comprendre une régulation de la vitesse de

rotation de l’aérogénérateur, un système d’acquisition afin de vérifier le comportement du système sur une

longue période, un boîtier de commande dans le but de freiner l’aérogénérateur manuellement dans une

situation d’urgence ou lors de manœuvres d’entretien. Finalement, un simulateur reproduisant les valeurs

mesurées par le système d’acquisition a dû être conçu pour fin de vérification et d’étalonnage du contrôleur.

Une étude comportementale implémentée sur le logiciel SimPower Systems a été réalisée afin de cerner les

différents enjeux auxquels le projet devait faire face. Suite à cette étape, le dimensionnement des composantes

électroniques, la conception et la programmation des instruments de mesures (voltmètre, ampèremètre,

fréquencemètre et la mesure de la vitesse du vent), la programmation de l’affichage ACL, la logique de

programmation, l’interface d’acquisition et le simulateur ont été développés.

La finalité de ce projet présente une lecture des valeurs précise au centième, précision amplement suffisante

pour l’acquisition à long terme et pour les prises de décision du microcontrôleur. Les essais finaux faits en

laboratoire présentent les comportements anticipés par l’étude du système sur MATLAB : Simulink. Le

freinage avec résistance est efficace, ne perturbe pas la charge à alimenter tout en évitant l’entretien fréquent

de l’éolienne. Le système de contrôle, de type évolutif, permettra d’ajouter des équipements dans le futur

(sorties disponibles). Le développement de cette gestion de l’énergie sur un système éolien fut réalisé à faible

coût.



Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | iii

TABLE DES MATIERES 1 Introduction .................................................................................................................................................... 1

2 Présentation du projet ..................................................................................................................................... 2

2.1 Description de l’entreprise ...................................................................................................................... 2

2.2 Description de l’équipe du travail .......................................................................................................... 2

2.3 Problématique et état de l’art reliés au projet ......................................................................................... 2

2.3.1 Aérogénérateur ............................................................................................................................... 3

2.3.2 Électronique de puissance .............................................................................................................. 5

2.3.3 Électronique .................................................................................................................................... 6

2.3.4 Dimensionnement des conducteurs et des protections ................................................................... 7

2.4 Objectifs généraux et spécifiques du projet ............................................................................................ 7

3 Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet .................................................................... 8

3.1 Aspects techniques ................................................................................................................................. 9

3.1.1 Présentation des composantes principales ...................................................................................... 9

3.1.2 Principes d’asservissement proposés ............................................................................................ 13

3.1.3 Résistance de freinage à grande puissance ................................................................................... 15

3.1.4 Essais de l’alternateur en laboratoire ............................................................................................ 16

3.1.5 Analyse comportementale à l’aide du simulateur MATLAB ....................................................... 18

3.2.1 Développement du programme du dsPIC ..................................................................................... 29

3.3 Éléments de conception ........................................................................................................................ 30

3.3.1 Schématique de câblage, unifilaire et schéma de disposition ....................................................... 30

3.3.2 Dimensionnement des composantes physiques ............................................................................ 30

3.3.3 Conception et programmation des différents appareils de mesure ............................................... 40

3.3.4 Logique de contrôle ...................................................................................................................... 53

3.3.5 Conception et programmation de l’affichage à cristaux liquides ................................................. 55

3.3.6 Conception et programmation du simulateur de vérification du contrôleur ................................. 57

3.3.7 Interface d’acquisition et de simulation ........................................................................................ 64

4 Bilan des activités ......................................................................................................................................... 67

4.1 Arrimage formation pratique/universitaire ........................................................................................... 67

4.2 Travail d’équipe .................................................................................................................................... 67

4.3 Respect de l’échéancier ........................................................................................................................ 69

4.4 Analyse et discussion ............................................................................................................................ 70

5 Conclusion et recommandations ................................................................................................................... 73



Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | iv

6 Bibliographie ................................................................................................................................................ 74

6.1 Monographies ....................................................................................................................................... 74

6.2 Notes de cours ...................................................................................................................................... 74

6.3 Chapitres de livre .................................................................................................................................. 74

6.4 Sites web ............................................................................................................................................... 75

Annexe A ............................................................................................................................................................. 76

Annexe B ............................................................................................................................................................. 79



Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | v

LISTE DES FIGURES

Figure 1: Circuit de base d'un redresseur triphasé à diodes ................................................................................... 5 Figure 2 : Circuit de base d'un hacheur série ......................................................................................................... 5 Figure 3: Comportement d’un hacheur série ......................................................................................................... 5 Figure 4 : Circuit de base d'un hacheur série ......................................................................................................... 5 Figure 5: Schéma typique d'une alimentation à découpage en mode dévolteur. ................................................... 6 Figure 6: Schéma d'un amplificateur soustracteur ................................................................................................. 6 Figure 7 : Schéma d'un amplificateur suiveur ....................................................................................................... 6 Figure 8: Puissance générée de l'éolienne selon la vitesse des vents .................................................................. 10 Figure 9: Installation de l'éolienne (9 octobre 2009) ........................................................................................... 14 Figure 10: Tension délivrée de l'alternateur en fonction de sa vitesse de rotation .............................................. 16 Figure 11 : Tension délivrée en fonction de la charge demandée ....................................................................... 16 Figure 12: Fréquence de la tension délivrée en fonction de la vitesse d'entraînement ........................................ 17 Figure 13 : Vue d'ensemble du simulateur «Simulink» ....................................................................................... 18 Figure 14: Programmation de l'aérogénérateur ................................................................................................... 19 Figure 15: Programmation du pont de diodes ..................................................................................................... 20 Figure 16 : Schématique de branchement des batteries ....................................................................................... 21 Figure 17: Programmation des batteries .............................................................................................................. 21 Figure 18: Programmation de la charge de secours ............................................................................................. 21 Figure 19: Programmation du MOSFET ............................................................................................................. 22 Figure 20 : Programmation de la charge de secours ............................................................................................ 22 Figure 21: Exemple de programmation du rapport cyclique ............................................................................... 22 Figure 22: Programmation des charges fictives .................................................................................................. 23 Figure 23 : Programmation du temps d'activation des charges ........................................................................... 23 Figure 24: Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.1-1000W) .................................. 24 Figure 25 : Courants circulant dans le système (conditions 4.5.3.1-1000W) ...................................................... 24 Figure 26 : Courant circulant dans la charge (conditions 4.5.3.1-1000W).......................................................... 24 Figure 27 : Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.1-2000W) ................................. 25 Figure 28 : Courants circulant dans le système (conditions 4.5.3.1-2000W) ...................................................... 25 Figure 29 : Courant circulant dans la charge (conditions 4.5.3.1-2000W).......................................................... 25 Figure 30: Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.2) ............................................... 26 Figure 31 : Courants circulant dans le système (conditions 4.5.3.2) ................................................................... 26 Figure 32 : Courant circulant dans la charge (conditions 4.5.3.2) ....................................................................... 26 Figure 33 : Tension d'une batterie (conditions 4.5.3.2) ....................................................................................... 27 Figure 34 : Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.3) .............................................. 27 Figure 35 : Rapport cyclique du MLI (conditions 4.5.3.3) .................................................................................. 28 Figure 36 : Courant moyen circulant dans la charge de secours (conditions 4.5.3.3) ......................................... 28 Figure 37 : Puissance moyenne dissipée dans la charge de secours (conditions 4.5.3.3) ................................... 28 Figure 38 : Plaquette de développement ............................................................................................................. 29 Figure 39 : Schéma de fonctionnement de la protection ..................................................................................... 32 Figure 40: Schématique et physique du MOSFET de puissance ......................................................................... 33 Figure 41: Montage pour le dimensionnement de la diode de roue libre ............................................................ 34 Figure 42:Comportement du circuit de la charge de secours .............................................................................. 34 Figure 43: Schématique et physique du redresseur triphasé à diodes ................................................................. 35



Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | vi

Figure 44:Puissance dissipe du redresseur en fonction du courant ..................................................................... 36 Figure 45: Température tolérée du redresseur en fonction du courant traversé .................................................. 36 Figure 46: Choix du dissipateur de chaleur ......................................................................................................... 36 Figure 47 : Régulateur de tension 48V- 12V ....................................................................................................... 38 Figure 48 : Système d'alimentation complet ....................................................................................................... 39 Figure 48: Schématique des possibilités de configuration d’entrée/sortie du contrôleur .................................... 40 Figure 50 Schéma de câblage du microcontrôleur .............................................................................................. 41 Figure 51 : Intégration de l'oscillateur système ................................................................................................... 42 Figure 51 : Schéma de câblage de l’anémomètre ................................................................................................ 44 Figure 52: Démonstration du fonctionnement de la détection ............................................................................ 44 Figure 54 : Schéma de câblage du fréquencemètre ............................................................................................. 45 Figure 55: Démonstration du fonctionnement de la détection de la vitesse de rotation du rotor de l’alternateur

.................................................................................................................................................................................. 46 Figure 56 : Courant mesuré versus tension contrôleur avant conversion ............................................................ 46 Figure 57: Courant mesuré versus tension contrôleur après conversion ............................................................. 47 Figure 58: Circuit de conversion de la tension du senseur de courant ................................................................ 48 Figure 59 : Schéma de câblage du circuit adaptateur .......................................................................................... 48 Figure 60 : Tension mesurée sur le pont versus tension contrôleur .................................................................... 49 Figure 61: Schéma de câblage du voltmètre ........................................................................................................ 50 Figure 62 : Schéma pour l'activation d'un relais .................................................................................................. 51 Figure 61:Schéma de câblage du pilotage du MOSFET ..................................................................................... 52 Figure 62: Diagramme du comportement du MLI .............................................................................................. 53 Figure 63 : Logigramme du système global ........................................................................................................ 54 Figure 64: Affichage ACL .................................................................................................................................. 55 Figure 65 : Schéma de branchement du second microcontrôleur pour afficheur ACL ....................................... 56 Figure 66 : Schéma de branchement de l'afficheur ACL ainsi que l'inverseur de tension .................................. 56 Figure 67 : Schéma de câblage du microcontrôleur de simulation ...................................................................... 58 Figure 68 : Schémas de filtrage des sorties hacheurs du simulateur ................................................................... 61 Figure 69 : Schéma de connexion du convertisseur UART ................................................................................ 62 Figure 70: Fonctionnement du prototype ............................................................................................................ 72



Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | vii

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1 : Classement du paysage selon leur rugosité météorologique .............................................................. 4 Tableau 2 : Spécifications techniques de l'éolienne .............................................................................................. 9 Tableau 3: Spécifications techniques de l'alternateur .......................................................................................... 10 Tableau 4: Avantages et inconvénients des deux contrôleurs envisagés ............................................................. 11 Tableau 5: Spécifications des batteries ................................................................................................................ 12 Tableau 6 : Spécifications de l'onduleur .............................................................................................................. 12 Tableau 7: Résultats et décisions préliminaires suite au premier essai ............................................................... 15 Tableau 8: Spécifications techniques du MOSFET ............................................................................................. 33 Tableau 9: Spécifications de la diode de roue libre ............................................................................................. 35 Tableau 10 : Spécifications du redresseur en pont triphasé à diodes .................................................................. 35 Tableau 11 : Sensibilité des équipements branchés sur le 5V ............................................................................. 37 Tableau 12: Bilan de puissance de l'alimentation 5V .......................................................................................... 37 Tableau 13: Sensibilité des équipements branchés sur le 12V ............................................................................ 38 Tableau 14 : Bilan de puissance de l'alimentation 12V ....................................................................................... 38 Tableau 14 : Tableau des types d’entrée/sortie ................................................................................................... 40 Tableau 15: Liste des entrées/sorties du microcontrôleur ................................................................................... 42 Tableau 17 : Valeurs stockées dans le tableau du calculateur ............................................................................. 57 Tableau 18 : Liste des entrées/sorties du microcontrôleur de simulation ............................................................ 59 Tableau 19 : Tableau des dépenses ..................................................................................................................... 71



Gestion de l’énergie électrique sur système éolien P a g e | 1

1 INTRODUCTION

Dans les régions nordiques éloignées, la production d’énergie se fait, dans plusieurs cas, aux dépens de

l’environnement. L’utilisation de génératrices à combustion est le système le plus simple à utiliser pour

alimenter des chalets, par exemple. Étant donné que les génératrices entraînées par un moteur à combustion

demandent beaucoup d’entretien (réparations et remplissage de carburant) et polluent avec leur gaz

d’échappement, l’utilisation d’un système complémentaire diminuera ces coûts d’entretien, la pollution

générée ainsi que la nuisance sonore causée par le moteur. L’utilisation d’une éolienne devient une approche

de plus en plus intéressante avec tout le développement et la recherche de système éolien performant.

Ce projet de conception consiste à concevoir un prototype utilisant une éolienne, un système

d’accumulation et une génératrice diesel pouvant fournir une puissance à une petite charge, comme un chalet

en territoire éloigné, à une tension nominale de 120Vc.a..

Ce système à concevoir, subventionné par les entreprises LP, englobe différents domaines d’ingénierie

électrique soit, l’énergie, l’électronique de puissance, l’électronique ainsi que le traitement du signal. Ce

rapport présentera tout le cheminement et les stratégies afin d’obtenir un système fiable et efficace et le plus

économique possible.

Ce document présentera tout d’abord, un survol des principes techniques et des documents essentiels à la

bonne compréhension des phénomènes en jeu. Suivra ensuite la présentation des objectifs reliés à cette

synthèse d’ingénierie. Par la suite, la présentation des aspects techniques sera abordée. Elle comprend la

présentation des principales composantes soit l’aérogénérateur, le contrôleur, l’onduleur, les batteries,

l’analyse sur les essais effectués et l’analyse comportementale du système global à l’aide du logiciel

«Simulink». Ensuite, suivront les éléments de conception où le dimensionnement des composantes

électroniques, la conception et la programmation des instruments de mesures (voltmètre, ampèremètre,

fréquencemètre et la mesure de la vitesse du vent), la programmation de l’affichage ACL, la logique de

programmation, l’interface d’acquisition et le simulateur seront présentés. Une partie du rapport sera réservée

au bilan des activités afin de faire ressortir les compétences acquises dans le développement du projet,

d’illustrer l’échéancier et de présenter l’analyse des résultats obtenus. Finalement, un bilan des objectifs qui

ont été atteints ainsi que les recommandations nécessaires à un travail ultérieur seront traitées dans la

conclusion de ce document.

La finalité de ce projet présente une lecture des valeurs précise au centième, précision amplement suffisante

pour l’acquisition à long terme et pour les prises de décision du microcontrôleur. Les essais finaux faits en

laboratoire présentent les comportements anticipés par l’étude du système sur MATLAB : Simulink. Le




freinage avec résistance est efficace, ne perturbe pas la charge à alimenter tout en évitant l’entretien fréquent

de l’éolienne. Le système de contrôle, de type évolutif, permettra d’ajouter des équipements dans le futur

(sorties disponibles). Le développement de cette gestion de l’énergie sur un système éolien fut réalisé dans le

budget prédéfini de 2500$. En fait, un surplus de 330$ est toujours disponible pour modifications futures.

2 PRESENTATION DU PROJET

2.1 Description de l’entreprise

Les Entreprises L.P est une entreprise en grande partie forestière qui œuvre dans le domaine de la voirie.

Outre la forêt, celle-ci, étant entrepreneur général, se spécialise dans l’excavation, terrassement, aménagement

paysager chez le grand public. Étant donné que beaucoup de travaux dans des secteurs très éloignés, des camps

de travailleurs mobiles sont amenés sur les chantiers. L’essence étant rare et très chère, il est dans l’avantage

de la compagnie de créer sa propre énergie sur place pour alimenter les camps. De ce fait, un secteur de

recherche et développement s’est ajouté aux Entreprises L.P. Et de là est apparu le présent projet de

conception.

2.2 Description de l’équipe du travail

L’équipe de cette synthèse d’ingénierie est constituée de Jonathan Poirier, Christian Bouchard et Frédéric

Tremblay. Ce projet a été réalisé sous la supervision de M. Luc Poirier, propriétaire des entreprises LP et

promoteur du projet. Le travail et la conception ont été développés à l’aide de notre conseiller de l’Université

du Québec À Chicoutimi, M. Issouf Fofana.

2.3 Problématique et état de l’art reliés au projet

En général, ce projet utilise les concepts d’électronique de puissance pour effectuer la conception du

chargeur à batterie, du pilotage de la résistance de freinage et de l’interface entre le simulateur et le contrôleur

principal. De plus, les concepts techniques de filtrage seront utilisés pour réaliser les instruments de mesure

permettant le contrôle du système éolien. Il est à noter que ces choix technologiques seront expliqués plus loin

dans le document. Des normes sont également à vérifier en ce qui a trait au dimensionnement des câbles et de

l’installation de la protection. Finalement, les spécifications techniques et le manuel du contrôleur seront

importants afin de réaliser la programmation et la communication pour le système d’acquisition et pour le

simulateur. Avant tout, l’aérogénérateur doit être choisi selon les besoins et le budget, le point suivant présente

un aperçu des éléments à prendre en compte.




2.3.1 Aérogénérateur

En premier lieu, une recherche bibliographique exhaustive a été abordée afin de saisir les concepts

fondamentaux de la génération d’énergie électrique à l’aide d’un aérogénérateur. Plusieurs documents ont été

utiles pour cette prise de conscience. Il est à souligner que la source d’informations la plus importante a été le

site «Techniques de l’ingénieur» où les documents suivants ont été recueillis :

La monographie «Wind power in power systems» de Wiley fut un ouvrage également intéressant dans cette

recherche. La somme de ces documents a permis de déceler que les éoliennes tripales ont un meilleur

rendement pour une vitesse de rotation plus faible. Il est compromis entre l’efficacité aérodynamique du rotor,

le poids, la dynamique de la structure ainsi que le coût. Par le fait même, l’utilisation d’un alternateur

synchrone triphasé à aimants permanents à pôles saillants fournit une puissance intéressante sans tenir compte

d’un multiplicateur de vitesse étant donnée une génération d’énergie possible à basse vitesse (aux alentours de

400 RPM). Il s’agit donc d’un système à attaque directe, système où des développements technologiques sont

prévisibles. Malgré son poids plus important à comparer à un générateur synchrone à électro-aimants ou à un

générateur asynchrone, pour une basse puissance d’environ 1 kW, ce type de générateur respecte bien les

besoins demandés. En effet, il génère à n’importe quelle fréquence et, pour une unité autonome, cette

fréquence a peu d’importance puisque son rôle sera de charger des batteries. Il en résulte un contrôle de la

génératrice moins compliqué étant donné qu’il n’y a pas d’asservissement de l’excitation de la génératrice.

Dans le document «Énergie éolienne pour la fourniture d’électricité» issu du site «Techniques de

l’ingénieur», il a été possible de vérifier les sites éoliens les plus intéressants. En effet, le tableau 1 montre la

rugosité du sol (α), facteur essentiel pour calculer la hauteur requise du mât où sera fixée l’éolienne. Ce facteur

est ensuite utilisé dans la formule

xx ref

ref

hV V h

α⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠

où

est la vitesse du vent la hauteur xV est la vitesse du vent à la hauteur de référence

est le coefficient de rugosité

x

ref

V à

α

En sachant que la puissance délivrée par une éolienne est régie par la formule de Betz :

3max 0.37P AV= où

est la surface perpendiculaire au ventV est la vitesse du ventA

1. Aérogénérateurs électriques

2. Énergie éolienne pour la fourniture d’électricité

3. Éolienne

4. Générateurs d’énergie renouvelable




Il est évident que la puissance varie selon la rugosité de l’air et que plus ce coefficient est élevé, plus la

hauteur du mât sera petite pour obtenir une puissance maximale. En d’autres mots, sur un plan d’eau, le mât

n’aura pas besoin d’être haut pour obtenir une grande variation de la puissance délivrée.

Tableau 1 : Classement du paysage selon leur rugosité météorologique

Terrain Classe de rugosité α

Plans d'eau (lacs, fjords, mer) 0 0,07 Surfaces de sable lisses 0 0,07 Surfaces de neige lisses 0 0,07

Sol lisse et nu 0 0,07 Pistes et taxiways d'aéroport 1 0,15

Zone aéroportuaire avec peu de bâtiments et d'arbres, 1 0,15 Terrain agricole avec très peu de constructions, d'arbres,

etc. Terrain agricole d'allure ouverte 1 0,15 Terrain agricole d'allure fermée 2 0,22

Beaucoup d'arbres et de buissons 2 0,22 Lignes d'arbres brise-vent 3 0,3

Banlieue 3 0,3 Forêt, ville 4 0,4




2.3.2 Électronique de puissance

Les notes de cours d’électronique de puissance de M. Mohand Ouhrouche ont été utiles au dimensionnement

du pont de diode ainsi qu’au hacheur de la charge de secours. Tout d’abord, les équations régissant le

comportement d’un pont triphasé à diodes indiquées ci-dessous ont permis de calculer la tension inverse aux

bornes des diodes et le courant les traversant.

00

3 2 ; ; 23

cccc ll Dmoy Dinv ll

IV E I V Eπ

= = =

Quant au hacheur, l’équation suivante sera utile pour définir le fonctionnement du MOSFET permettant de

hacher une tension continue dans le but de piloter la résistance de secours.

, 0 k 1o moy sE kE avec= ≤ ≤

Figure 4 : Circuit de base d'un hacheur

série

Figure 1: Circuit de base d'un redresseur triphasé à

diodes

Figure 3: Comportement d’un hacheur série

Figure 2 : Circuit de base d'un hacheur

série




Le principe de l’alimentation à découpage sera utilisé lors de l’interfaçage du simulateur et du contrôleur,

étant deux dsPIC distincts. L’équation d’une alimentation à découpage en mode dévolteur régit le

fonctionnement d’une tension hachée par un interrupteur en une tension continue avec peu d’oscillation.

02

0

18V

V kV LCf

ρ −= =

2.3.3 Électronique

Des circuits d’amplification et des filtres passe-bas seront nécessaires dans l’acquisition de mesure afin

d’avoir une bonne gamme de mesure et un signal avec un minimum de bruit. C'est pourquoi l’utilisation des

concepts vus en électronique II sera nécessaire. Les notes de cours à M. Hung Tien Bui font donc partie de la

bibliographie.

Les composantes d’un filtre passe-bas passif (filtre RC) sont calculées à l’aide d’une seule formule soit :

12coupuref

RCπ= .

Les différents circuits d’amplification de base utilisés sont :

:

1. le montage suiveur dans le but d’isoler la source au récepteur du signal

2. le montage soustracteur dans le but de diminuer l’«offset» du signal

UQ = (UE2-UE1) * RG / R

Figure 7 : Schéma d'un

amplificateur suiveur

Figure 6: Schéma d'un amplificateur

soustracteur

Figure 5: Schéma typique d'une alimentation

à découpage en mode dévolteur.




2.3.4 Dimensionnement des conducteurs et des protections

Afin d’être conforme selon le code d’électricité du Canada, une recherche dans le volume «Code canadien

d’électricité 2007» a été réalisée pour le dimensionnement des câbles et des protections contre les surintensités

et les surcharges. Les articles utilisés seront cités dans la partie conception des câbles et de la protection contre

les surintensités.

2.4 Objectifs généraux et spécifiques du projet

Ce projet de conception consiste à concevoir un prototype utilisant une éolienne, un système

d’accumulation et une génératrice diesel pouvant fournir une puissance à une petite charge, comme un chalet

en territoire éloigné, à une tension nominale de 120Vc.a. Il s’agit donc de développer un système de génération

d’énergie électrique autonome qui sera remplacé par une génératrice à combustion en l’absence de vent et

d’énergie sur le système d’accumulation de charges.

Explicitement, le système doit comprendre une régulation de la vitesse de rotation de l’aérogénérateur

lorsque la vitesse de vent est excessive afin de ne pas endommager l’éolienne. Elle doit comprendre un

système d’acquisition afin de vérifier le comportement du système sur une longue période, soit 30 jours. De

plus, un boîtier de commande doit être installé dans le but de freiner l’aérogénérateur manuellement dans une

situation d’urgence ou lors de manœuvres d’entretien. Finalement, un simulateur reproduisant les valeurs

mesurées par le système d’acquisition doit être conçu pour fin de vérification et d’étalonnage du contrôleur.

Ces objectifs sont les mêmes que ceux précités dans le plan de travail, écrit à la phase de démarrage du

projet.




3 ASPECTS TECHNIQUES ET ÉLÉMENTS DE CONCEPTION RELATIFS AU PROJET

Ce point a pour but de présenter brièvement les différentes tâches faites depuis le début de ce projet de

conception. Suite à cette courte description, une présentation complète de la méthodologie et des tâches

effectuées sera abordée.

Suite à la remise du plan de projet, plusieurs heures ont été utilisés sur une recherche bibliographique plus

approfondie afin d’éclaircir les différents concepts sur la génération d’énergie à partir d’un système éolien. Le

nombre de pales à utiliser, l’étude du gisement éolien, le choix de l’alternateur à utiliser, l’utilisation ou non

d’un multiplicateur de vitesse ont été des critères importants à évaluer afin de cerner la puissance nominale et

le type d’alternateur pour le prototype.

Une fois l’alternateur choisi, l’achat du prototype (éolienne complète incluant le générateur, le moyeu et les

pales) a été fait et une recherche de matériel a été réalisée afin d’ajouter l’instrumentation voulue sur le

prototype. Tous les détails de ces achats sont présentés au tableau des dépenses.

À la réception du générateur, des tests préliminaires sur la rive de la rivière «Ashuapmushuan» ont été

réalisés afin de vérifier le comportement de l’éolienne sans contrôle et de vérifier les hypothèses soumises pour

l’asservissement de l’éolienne à sa capacité de puissance maximale. Des tests en laboratoire au local P2-2020

ont également réalisé afin d’observer le comportement du générateur entraîné à différente vitesse. Des courbes

de mesures en fonction de la vitesse seront illustrées dans ce rapport au point 3.1.4.

La présentation du système global incluant le générateur, l’électronique de puissance, les batteries, la charge

de secours, le contrôle et tout le dimensionnement de ces composantes seront présentés dans la partie 3.3.2 du

présent rapport. La justification des types de composante y sera également expliquée.

Dans le but de vérifier le comportement du système global, un simulateur sous le logiciel «Simulink» a été

implanté. Le développement de cette tâche et les observations s’y rattachant seront présentés au point 3.15.

La programmation de l’acquisition des valeurs venant des instruments de mesure sur dsPIC comme

l’ampèremètre, le fréquencemètre / tachymètre, l’anémomètre et le voltmètre ont été réalisés. Les schémas

électriques ainsi que le principe de programmation seront soumis au point 3.3.3.

La logique de contrôle qui est programmée dans le contrôleur a été effectuée. Plus précisément, un

logigramme et un schéma de blocs fonction seront exposés avec les explications s’y rattachant au point 3.3.4.




Suite à ces étapes, un essai dans le laboratoire P2-2020 à la fin décembre a permis de vérifier le

fonctionnement du contrôleur et des éléments de mesure. Ces essais ont permis de constater le bon

fonctionnement de la plupart des éléments raccordés.

L’élaboration d’une interface d’acquisition en Visual Basic a été abordée afin d’effectuer l’acquisition de

données à une fréquence prédéterminée via une communication RS232 avec le microcontrôleur. Elle sera

expliquée au point 3.3.7. Également, un écran ACL permet de lire les valeurs mesurées en temps réel. Cet

affichage, abordé au point 3.3.5, sera fixé sur le boîtier de raccordement.

Finalement, le développement du simulateur reproduisant la tension du pont CC, le courant circulant dans le

pont CC, la vitesse de rotation du générateur ainsi que le vent afin de vérifier le bon fonctionnement du dsPIC

a été exécuté. Ce simulateur, exécuté avec un autre dsPIC, l’interface entre le simulateur et le contrôleur seront

expliqués au point 3.3.6.

3.1 Aspects techniques

3.1.1 Présentation des composantes principales

3.1.1.1 ÉOLIENNE

Suite aux paramètres fixés lors de la recherche bibliographique, la consultation du site «ebay» a permis de

dénicher l’éolienne qui comble les besoins d’un prototype de basse puissance. Plus précisément, le fournisseur

«Wind max» a présenté une éolienne de 1 kW générant une tension nominale de 48 V. Le type d’alternateur est

en fait une machine synchrone à aimants permanents et l’éolienne est constituée de trois pales fixées à

intervalle de 120º. Le tableau suivant montre les spécifications techniques fournies par le fournisseur.

Tableau 2 : Spécifications techniques de l'éolienne

Paramètres Valeurs Tension délivrée 48 Vdc

Alternateur Triphasé avec aimant permanent (Aimant au néodynium)

Puissance nominale 1000 W Vitesse de rotation nominale 400 RPM

Vitesse de vent nominale 9 m/s ou 32.4 km/h Vitesse de vent minimale 2 m/s ou 7,2 km/h

Pales 3 pales par système Matériau des pales Fibre de verre renforcée Diamètre de pale 2.7 m




Plus précisément, l’alternateur présente les spécifications suivantes :

Tableau 3: Spécifications techniques de l'alternateur

Compagnie Yangzhou shenzhou Nom du produit SWG Wind-driven generator

Vitesse de rotation nominale 400 RPM Vitesse de rotation maximale 500 RPM

Tension nominale 34 Vac 48 Vdc

Nombre de pôles 10 Poids net 34 kg

Degré de protection IP54 Connexion interne Étoile

Puissance nominale 1000 W Puissance maximale 1500 W

Fréquence 50 Hz Courant nominal 21 A Degré d’isolation B

Standard GB/T10760.1-2003 Numéro de série 080204

La puissance générée selon la vitesse du vent est montrée sur le site du fournisseur par la courbe suivante.

Il est possible de remarquer selon cette figure que la puissance maximale (1500W) est atteinte pour une vitesse

des vents de 12 m/s (43,2 km/h) et que la puissance diminue au franchissement de cette limite. Il serait donc

intéressant d’instaurer un système de contrôle pouvant limiter la vitesse de rotation de l’alternateur à une

vitesse des vents équivalente à 12 m/s, lorsque les vents sont suffisants. Le point «Principes d’asservissement

proposés» amènera quelques techniques qui pourraient limiter cette vitesse de rotation.

Figure 8: Puissance générée de l'éolienne selon la vitesse des vents




3.1.1.2 CONTROLEUR

Deux types de contrôleurs ont été envisagés :

1. l’automate

2. le microcontrôleur

Un automate économique a d’abord été envisagé. Il s’agit de l’automate Click fourni par «Automation

Direct». La deuxième éventualité était le microcontrôleur dsPIC. Le tableau suivant énumère les avantages et

inconvénients de chacun des contrôleurs.

Tableau 4: Avantages et inconvénients des deux contrôleurs envisagés

Contrôleur Avantages Inconvénients

Automate Click Facilité de programmation Facilité de branchement

Manque de rapidité (temps de rafraîchissement : 2 ms)

Coût élevé (139$ de base) Besoin de module complémentaire Carte haute vitesse pour encodeur

inexistante (pour ce modèle) Encombrement important

dsPIC30F4011

Rapide (temps de rafraîchissement : 200 ns)

Consommation réduite Bas prix (10$) Pas besoin de module

complémentaire Gestion possible de l’électronique

de puissance Gratuité des logiciels de

programmation

Complexité de programmation Branchement complexe

L’automate Click de base n’offrait pas suffisamment d’entrées et sorties (analogiques et discrètes) et l’achat

de module d’entrées et sorties entraînait des coûts supplémentaires. De plus, le modèle ciblé n’offrait pas de

carte haute vitesse pour encodeur et l’utilisation de ce détecteur de vitesse est essentielle à la protection du

système éolien. L’achat d’un modèle d’automate de plus haut de gamme aurait été possible, mais il engendre

des coûts encore plus élevés.

Le dsPIC montre beaucoup d’avantages par rapport à l’unité de contrôle programmable malgré sa plus

grande complexité de programmation et de branchement. Ce système n’a pas besoin de modules

complémentaires par le fait qu’il possède un nombre d’entrées et sorties analogiques et discrètes suffisant. De

plus, des sorties MLI (Modulation par Largeur d’Impulsion) sont disponibles sur ce modèle de PIC. C’est

pourquoi le microcontrôleur a été retenu pour effectuer l’asservissement de puissance de l’éolienne.




3.1.1.3 BATTERIES

Dans le but d’accumuler l’énergie fournie par la génératrice à aimants permanents, un ensemble de batteries

est utilisé. Étant donné que la tension fournie par la génératrice est de 34Vac et que le redresseur fournit une

tension de 48Vdc, 4 batteries d’une tension nominale de 12V seront connectées en série. Étant donné que ces

batteries seront grandement sollicitées en l’absence de vent, ces accumulateurs devront être de type «décharge

profonde». Afin d’avoir une autonomie considérable sans toutefois avoir un coût d’achat élevé, une capacité de

100 A/h par batterie est choisie.

Tableau 5: Spécifications des batteries

Marque Motomaster Nautilus

Numéro de modèle IO2799-4

Tension nominale 14.4 V

Courant d’appel 730 A

Capacité de réserve 100 A/h

3.1.1.4 ONDULEUR

Ce dispositif permet de produire une tension alternative de 120 Vc.a. à partir de la tension nominale des

batteries de 48V. Il doit fonctionner sur une certaine plage de tension d’entrée étant donné que le potentiel

délivré par les batteries varie selon leur état de charge. De plus, la puissance à fournir a été fixée à 2500W,

puissance requise pour un chauffage d’appoint, des lumières et quelques appareils électriques. Le tableau

suivant présente les spécifications de l’onduleur choisi, soit un ATSIU-2500P/48-120.

Tableau 6 : Spécifications de l'onduleur

Puissance maximale en service continu 2500W Puissance crête 5000W Rendement >92% Tension d’entrée nominale 48Vc.c. Plage de tension d’entrée 40-60Vc.c. Tension de sortie 120Vc.a. ±5% Fréquence de la tension de sortie 60Hz ±2% Onde de la tension de sortie «Semi-pure sin wave (SPS)» Courant de fuite <0.15A Limite de sous-tension d’entrée 40Vc.c. ±1% Limite de surtension d’entrée 60Vc.c. ±1%




3.1.2 Principes d’asservissement proposés

3.1.2.1 HYPOTHESES

Afin d’augmenter l’efficacité de l’éolienne, 5 principes de fonctionnement ont été pensés. Tout d’abord, le

premier principe était d’effacer l’éolienne du vent. Pour ce faire, deux techniques ont été soumises :

1. asservir la vitesse de rotation des pales par la modification de la trajectoire de la queue par un vérin

électrique

2. asservir la vitesse de rotation des pales par la rotation de la tête avec un servomoteur fixé sur le pivot

entre l’alternateur et le mât

3. asservir la vitesse de rotation des pales l’inclinaison horizontale de l’alternateur et des pales par le

biais d’un vérin électrique

Deux autres solutions sont possibles :

4. Freiner l’éolienne en augmentant considérablement la charge avec un banc de résistance

5. Installer un frein mécanique directement sur l’arbre de l’alternateur




3.1.2.2 PRISE DE CONSCIENCE SUITE A DES TESTS PRELIMINAIRES

Installation de l’éolienne

Le 8 et 9 octobre, la préparation à des

tests préliminaires a été amorcée. En fait,

l’éolienne a été installée sur un mat

d’environ 10 pieds haubané à 120º. La

hauteur était suffisante étant donné que le

site se situait face à la rivière

«Ashuapmushuan» et le terrain sur l’autre

rive se trouvait à être un champ

d’agriculture. Selon l’équation citée au

point III.1, la hauteur du mât n’aurait pas

modifié grandement la vitesse du vent

présente donc elle n’aurait pas modifié la

puissance admissible. La photo suivante montre l’installation du prototype.

Résultats obtenus

La journée du 10 octobre, les vents étaient de 15 à 20 km/h, vitesse suffisante à la génération d’énergie,

selon les spécifications données par le fournisseur. En effet, le générateur, à vide, donnait sans problème la

tension nominale de 48Vll. Une charge triphasée de 300 W, disponible à ce moment, connectée à l’alternateur

n’influençait pas la tension nominale.

Suite à ces connexions, l’essai de l’effacement du vent par la modification de la trajectoire de la queue a été

expérimenté. Les résultats ne furent pas concluants puisque l’éolienne avait tendance à tourner sur elle-même

et, par conséquent, elle ne fournissait plus de tension. Il en était de même pour la rotation de la fixation de

l’alternateur.

Il a été remarqué que l’éolienne avait tendance à s’emballer et à ne plus générer de tension lorsque la

charge n’était pas présente. Ceci est causé par le décrochage des pales à une certaine vitesse.

Décisions prises suite à ces tests

Le principe de l’effacement du vent par la modification de la trajectoire de la queue n’a pas donné les

résultats escomptés alors ce type d’asservissement a été mis de côté. Le principe de l’effacement du vent par la

mise à l'horizontale de l’alternateur et des pales requiert un vérin électrique puissant qui consomme beaucoup

d’énergie puisque le poids du système éolien est supérieur à 100 lbs. Étant donné qu’il s’agit d’une unité

Figure 9: Installation de l'éolienne (9 octobre 2009)




autonome de génération d’énergie, il n’est pas avantageux que cette dernière consomme une quantité non

négligeable de puissance. De plus, il sera important de vérifier la charge continuellement afin que l’alternateur

ne s’emballe pas. La possibilité d’une résistance à grande puissance est toujours envisagée. Le frein mécanique

à maintenant est écarté par la complexité de l’assemblage.

Tableau 7: Résultats et décisions préliminaires suite au premier essai

Principe d’asservissement Observations ou décision préliminaires

Effacement du vent par la

modification de la trajectoire de la

queue

Perte de contrôle de la rotation du pivot

Génération d’énergie cessante

Effacement du vent par la rotation du

pivot du générateur

Solution toujours envisageable

Effacement du vent par l’inclinaison

horizontale de l’alternateur

Consommation d’énergie trop grande par

l’actionneur électrique

Augmentation de la charge en

utilisant une résistance

Solution toujours envisageable

Freinage mécanique sur l’arbre de

l’alternateur

Complexité de l’assemblage

3.1.3 Résistance de freinage à grande puissance

Suite aux essais du 9 octobre, l’implantation d’un système de freinage avec une résistance est adoptée.

L’installation d’un système de pilotage de « MOSFET » permet de hacher la tension continue aux bornes de la

résistance de freinage. Cette dite résistance sert de charge supplémentaire applicable à tout moment sur le

système pour un freinage de l’éolienne. Le but de contrôler l’ouverture du « MOSFET » permet d’augmenter

ou de diminuer la tension moyenne, jouant ainsi directement sur la puissance de la charge. Le procédé pour

hacher la tension de grille du « MOSFET » est la modulation par largeur d’impulsion. En variant le rapport

cyclique, de 0 à 1, l’activation de la grille se fait sur une courte ou longue durée sur une même période.

( )2cckV

PR

=

Un contact de relais sera câblé en parallèle avec le MOSFET dans le but d’activer directement la

résistance en cas de défaillance du contrôleur.




3.1.4 Essais de l’alternateur en laboratoire

Le 15 et 16 octobre, des essais de l’alternateur en laboratoire ont été effectués. Le générateur a été couplé

avec les moteurs à courant continu disponible au local P2-2020. Il a donc été possible d’observer le

comportement de l’alternateur à aimants permanents à différentes vitesses et à différentes charges.

3.1.4.1 OBSERVATIONS

La figure suivante montre la tension en fonction de la vitesse d’entraînement de l’alternateur.

Figure 10: Tension délivrée de l'alternateur en fonction de sa vitesse de rotation

Il est possible de remarquer que la tension délivrée varie linéairement avec la vitesse d’entraînement du

moteur et, pour la vitesse de rotation nominale, soit 400RPM, la tension à vide est de Vac. La prochaine figure

montre la tension délivrée en fonction de la charge.

Figure 11 : Tension délivrée en fonction de la charge demandée

0

10

20

30

40

50

60

70

0 100 200 300 400 500 600 700

Tension dé

livrée (Vac)

Vitesse de rotation (RPM)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 100 200 300 400 500 600

Tension dé

livrée (V)

Charge (W)




Cette deuxième figure démontre que la tension du générateur a tendance à diminuer à l’augmentation de

la charge. Ce comportement est dû à l’absence du contrôle du courant d’excitation de la génératrice puisque

l’excitation est fixe et fournie par les aimants. Par conséquent, la tension délivrée dépend de la charge

demandée.

Cette dernière figure montre la relation entre la fréquence de la tension générée et la vitesse d’entraînement

de l’alternateur lorsque ce dernier est à vide.

Figure 12: Fréquence de la tension délivrée en fonction de la vitesse d'entraînement

Il est possible de remarquer que la fréquence varie linéairement avec la vitesse de rotation. Ce

comportement est attendu étant donné qu’il s’agit d’une génératrice synchrone.

3.1.4.2 DISCUSSIONS

Suite aux essais effectués en laboratoire, il a été retenu que l’utilisation d’un encodeur pour l’acquisition

peut être remplacée par la conception d’un fréquencemètre. Cette astuce évite donc d’ouvrir le boîtier de

l’alternateur étant donné que l’encodeur doit être installé directement sur l’arbre principal de la génératrice.

Les impacts premiers d’une telle installation était qu’il fallait ouvrir le boitier de l’alternateur et d’installer des

balais supplémentaires sur l’installation déjà existante pour le retour de l’information. L’ouverture du boitier

pourrait provoquer un problème d’étanchéité et de bris mécanique et l’installation de balais supplémentaires

proches des balais de puissance occasionnerait peut-être des interférences ou bruits sur la ligne faussant ainsi

les données reçues. La conception du fréquencemètre sera exposée de façon exhaustive au point V.3.3 de ce

présent rapport.

0

10

20

30

40

50

60

0 100 200 300 400 500 600 700

Fréq

uence de

la te

nsion

Vitesse de rotation (RPM)




3.1.5 Analyse comportementale à l’aide du simulateur MATLAB

Le logiciel «Simulink» sera un excellent outil afin de vérifier le dimensionnement des composantes

d’électronique de puissance partant de la génératrice jusqu’à la charge. Il sera également utile pour l’analyse

comportementale du système entier. En effet, il sera possible d’observer tensions, courants et puissances de

l’alternateur et des composantes à la modification de la vitesse de rotation de la génératrice ainsi que

l’augmentation ou la diminution de la charge. Le simulateur comprend l’ensemble turbine-alternateur, le pont

de diodes triphasé, le pilotage du MOSFET, la charge de secours, les batteries et un ensemble de charges

fictives. Tous ces éléments permettront de vérifier l’utilité de différents ajouts de composantes comme par

exemple des filtres à la sortie des redresseurs, des ajouts de régulateur de tension ou courant, etc.

3.1.5.1 VUE D’ENSEMBLE DU SYSTEME DEVELOPPE

Figure 13 : Vue d'ensemble du simulateur «Simulink»




3.1.5.2 COMPOSANTES

Éolienne

L’alternateur à aimants permanents a été

modélisé avec une source triphasée variable. Ce

type de bloc permet de varier la tension durant la

simulation, représentant la variation de la vitesse

de rotation. Cette relation a été démontrée à la

figure 6 du point IV.4 de la méthodologie

utilisée. La programmation de ce bloc se réalise

selon trois paramètres nominaux : la tension

phase-phase nominale, le déphasage et la

fréquence. Par la suite, la variation d’amplitude

est modélisée par une fonction rampe où la pente

est paramétrée en pu/s et le temps variation

(temps de départ et temps final). C’est à

l’utilisateur à paramétrer cette variation selon le

comportement voulu.

Figure 14: Programmation de l'aérogénérateur




Pont de diode

Le pont de diode triphasé est simplement modélisé

avec un pont universel où l’électronique de puissance

spécifiée est des diodes et le nombre de bras du pont

est 2 pour un pont monophasé ou 3 pour un pont

triphasé. Les autres valeurs demandées ont été

inscrites par défaut.

Figure 15: Programmation du pont de diodes




Banc de batteries

Le banc de batteries a été construit par le modèle de

batterie fourni par «Simulink/SimPower Systems». Ce

modèle permet l’acquisition de l’état de la charge, du

courant délivré par les batteries et de la tension aux bornes

de chacune des batteries. Les paramètres utilisés dans ce

simulateur est le type de batterie qui est «Lead-Acid», la

tension nominale à 12V par batteries, la capacité à 100Ah

et l’état initial de charge qui est inscrit avant le démarrage

du simulateur selon le comportement voulu.

Charge de secours

L’implantation de la charge de secours a

été réalisée à l’aide d’un MOSFET câblé sur

une résistance de 3.5Ω en série avec une

inductance de 33μH, modèle de la résistance

haute puissance achetée. Les paramètres du

transistor à implanter sont la résistance Ron

égale à 12,9mΩ, valeur du MOSFET réel

acheté. Les autres paramètres ont été

programmés à 0 étant donné l’absence de ces

grandeurs sur la fiche technique du MOSFET.

Un disjoncteur câblé en parallèle avec le

MOSFET est piloté par un signal du

contrôleur qui sera ajouté prochainement dans

le simulateur. Un générateur d’impulsion est

Figure 16 : Schématique de branchement des

batteries

Figure 17: Programmation des batteries

Figure 18: Programmation de la charge de secours




câblé sur la grille du MOSFET. Le rapport cyclique est modélisé par un générateur de signal où un rapport

cyclique de 0% représente la valeur «-1» à injecter dans le générateur d’impulsion et un rapport cyclique de

100% équivaut à la valeur «1» à injecter dans le générateur d’impulsion. Une diode de roue libre est connectée

en parallèle afin de permettre la décharge de l’inductance à l’ouverture du transistor. Les figures suivantes

illustrent la programmation des composantes discutées dans ce paragraphe.

Figure 19: Programmation du MOSFET

Figure 20 : Programmation de la charge de secours

Figure 21: Exemple de programmation du rapport cyclique




Charges fictives Deux blocs sont utilisés pour simuler la charge fictive, soit

un sous-système de temporisateurs activant les charges à un

instant donné et un sous-système de charges résistives où

chacune est alimentée par un disjoncteur. Ces disjoncteurs

seront pilotés par un signal venant du sous-système de

temporisateurs. Il y a quatre charges disponibles : 250W, 500W,

750W, 1000W.

Le bloc temporisateur est composé de 4 temporisateurs

programmés avec des temps de délai déterminé par l’utilisateur du

simulateur. Ce dernier a le choix d’activer une seule charge ou

d’activer les quatre charges à des temps différents dans une même

simulation. La fréquence d’échantillonnage utilisé par le

simulateur doit être spécifiée dans la programmation du temps

d’activation des charges. La figure de droite montre la fenêtre de

programmation du temps d’activation des charges fictives.

Essais

Cette partie présente les essais selon les différentes éventualités possibles. C’est-à-dire qu’il y aura une

simulation pour:

1. Essai en charge, éolienne pleine puissance et batteries pleines (SOC=100%)

2. Essais en charge, éolienne pleine puissance et batteries vides (SOC=10%)

3. Essai éolienne pleine puissance et charge de secours

Figure 23 : Programmation du temps

d'activation des charges

Figure 22: Programmation des charges

fictives




Essais en charge, éolienne pleine puissance et batteries pleines (SOC=100%)

Charge de 1000W

Figure 24: Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.1-1000W)

Figure 25 : Courants circulant dans le système (conditions 4.5.3.1-1000W)

Figure 26 : Courant circulant dans la charge (conditions 4.5.3.1-1000W)

Dans ce cas, la charge n’est alimentée que par les batteries étant donné que leur tension est supérieure à la

tension du pont DC. Donc, le courant délivré par l’éolienne ne sert qu’à alimenter la charge. Tant q u’au

courant de charge, il est parfaitement lisse à sa valeur nominale étant donné que la tension de la charge est

celle des batteries. Il est alors évident que pour une charge inférieure à 1000W, ce sera encore les batteries qui

fourniront la puissance à la charge. Dans le même ordre d’idée, si l’éolienne ne fonctionne pas à sa pleine

capacité, ce sera également les batteries qui fourniront la puissance et, par conséquent, le système aura ce

même comportement à l’exception de la décharge des batteries plus rapide.

0.65 0.655 0.66 0.665 0.67 0.675 0.6842

44

46

48

50

52Tension redressée

Temps(s)

Tens

ion(

V)

Tension du pont DCTension de la charge

1.095 1.1 1.105 1.11 1.115

1214

16

1820

22

Courant redressé

Temps(s)

Cou

rant

(A)

Courant entre pont et batteriesCourant entre batteries et chargeCourant délivrée par les batteries

0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 120

21

22

23

24

Courant de charge

Temps(s)

Cou

rant

(A)




Charge de 2000W

Figure 27 : Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.1-2000W)

Figure 28 : Courants circulant dans le système (conditions 4.5.3.1-2000W)

Figure 29 : Courant circulant dans la charge (conditions 4.5.3.1-2000W)

Comme dans le cas précédent, la charge n’est alimentée que par les batteries. Le courant délivré par

l’éolienne aura tendance à augmenter afin de compenser la décharge plus rapide des batteries étant donné que

le courant fourni à la charge est d’environ 45A, soit le double d’une charge de 1000W.

0.81 0.815 0.82 0.825 0.8342

44

46

48

50

52

Tension redressée

Temps(s)

Tens

ion(

V)


1.825 1.83 1.835 1.84 1.845 1.85

10

20

30

40

Courant redressé

Temps(s)

Cou

rant

(A)


1.52 1.54 1.56 1.58 1.6 1.62 1.64 1.66 1.68 1.7 1.72

40

42

44

46

48Courant de charge

Temps(s)

Cou

rant

(A)




Essais en charge, éolienne pleine puissance et batteries vides (SOC=10%)

Charge de 1000W

Figure 30: Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.2)

Figure 31 : Courants circulant dans le système (conditions 4.5.3.2)

Figure 32 : Courant circulant dans la charge (conditions 4.5.3.2)

0.825 0.83 0.835 0.84 0.845 0.85 0.855

38

40

42

44

46

48Tension redressée

Temps(s)

Tens

ion(

V)


0.87 0.875 0.88 0.885

-100

0

100

Courant redressé

Temps(s)

Cou

rant

(A)


0.71 0.72 0.73 0.74 0.75 0.76 0.77

15.5

16

16.5

17

17.5Courant de charge

Temps(s)

Cou

rant

(A)




Figure 33 : Tension d'une batterie (conditions 4.5.3.2)

Dans ces conditions, il est possible de remarquer que les batteries ne fournissent plus la puissance et qu’il

s’agit de l’éolienne qui tente de la fournir. Étant donné que la source utilisée pour simuler l’éolienne peut

fournir une puissance infinie, le courant entre le pont et les batteries possède une valeur crête supérieure à

200A. En réalité, la génératrice à aimant permanent ne fournira pas plus de 1500W pour un court laps de

temps. Par conséquent, lorsque les batteries sont vides, l’éolienne ne pourra fournir une puissance à la charge

et aux batteries. C’est à ce moment que la génératrice auxiliaire sera utile. Dans un tout autre ordre d’idées, il

est observable que la tension et le courant de charge possèdent une caractéristique ondulatoire. Par conséquent,

lorsque les batteries sont faibles et qu’il y une demande puissance à la charge, la tension et le courant se

retrouvent avec un renflement étant donné qu’il s’agit du pont DC qui fournit la puissance. Toutefois, il est très

faible, voire même négligeable, avec ses 1.2% sur la tension et le courant. Il n’est donc pas nécessaire

d’ajouter un filtre (inductance-condensateur) à la sortie du redresseur pour lisser courant et tension. Le

comportement se trouve à être le même pour une charge plus faible.

En absence de charge, le comportement du système est semblable à l’exception de l’absence du courant de

charge. La puissance générée par l’éolienne est directement transmise aux batteries.

Essai éolienne pleine puissance et charge de secours

Figure 34 : Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.3)

1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18

9.3

9.4

9.5

9.6

Tension de la batterie 1

Temps(s)

Tens

ion(

V)

0.69 0.7 0.71 0.72 0.73 0.7440

45

50

Tension redressée

Temps(s)

Tens

ion(

V)





Figure 35 : Rapport cyclique du MLI (conditions 4.5.3.3)

Figure 36 : Courant moyen circulant dans la charge de secours (conditions 4.5.3.3)

Figure 37 : Puissance moyenne dissipée dans la charge de secours (conditions 4.5.3.3)

Bien que la tension délivrée par l’éolienne soit constante durant cet essai, elle aura tendance à diminuer à

l’augmentation de la charge. Par conséquent, la tension du pont DC sera appelée à diminuer à l’augmentation

du rapport cyclique. La puissance moyenne de la charge de secours est proportionnelle au rapport cyclique,

comme le démontre la figure précédente. Elle atteint, dans ce cas, une puissance de 600W.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-0.5

0

0.5

1

1.5Rapport cyclique

Temps(s)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

5

10

15Courant moyen charge de secours

Temps(s)

Cou

rant

(A)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

200

400

600

800Puissance moyenne charge de secours

Temps(s)

Pui

ssan

ce(W

)




Sommaire des essais sur simulateur

Suite à ces essais sur simulateur MATLAB : Simulink, il a été possible de constater que l’ajout de filtre à la

sortie du redresseur afin de lisser le courant et la tension n’est pas nécessaire étant donné que les batteries font

l’interface entre le générateur et la charge. En d’autres mots, les batteries fournissent la puissance à la charge et

l’éolienne fournit la puissance aux batteries. Donc si l’éolienne n’est pas à sa pleine capacité, les batteries se

déchargeront plus rapidement. Si ces dernières sont vides, la génératrice sera incapable de fournir la puissance

demandée par la charge et celle demandée par les batteries. Alors, l’ajout d’une source d’énergie auxiliaire

permettra de fournir une puissance à la charge malgré l’absence de vent.

3.2.1 Développement du programme du dsPIC

La méthode choisie pour l’asservissement de l’éolienne

se fera à partir d’un microcontrôleur dsPIC de Microchip.

Celui-ci est amené sous la forme d’une puce électronique

multibroche pouvant facilement s’interfacer sur une plaque

à circuit imprimé. Le nombre de broches varie selon le

nombre d’entrées/sorties requis pour faire l’interfaçage des

différents éléments de mesure et d’opération. Étant donné

le nombre élevé de pattes de branchement sur le

contrôleur, une plaquette de développement, montré à la

figure 4, comprenant deux emplacements a été achetée.

L’intérêt d’une telle carte est qu’elle englobe les différents

éléments de connexion avec la puce, facilitant ainsi les

manipulations et les branchements. Il est possible

d’installer deux contrôleurs différents sur cette même carte.

Avec cette particularité, il est possible de diviser la charge sur deux puces. Celui de gauche peut servir surtout

pour la gestion de moteur, car il possède des sorties de type MLI. Le second peut servir surtout pour des

applications de type général. Il y a plusieurs façons de définir l’état des entrées/sorties. Chaque patte peut être

configurée comme étant une entrée analogique, discrète, interruption ou sortie moteur. Ceci rehausse le

nombre de possibilité de fonctionnement et de branchement. Des boutons, un potentiomètre et une

thermistance sont soudés directement sur la plaquette de montage, permettant ainsi de faire quelques essais

rapidement sans brancher d’éléments externes. De plus, sur cette plaque, un afficheur à cristaux liquide est

installé. Celui-ci permet d’afficher des paramètres préétablis dans la programmation. Finalement, des ports de

communication sont mis à la disposition de l’utilisateur pour permettre les différents transferts de données

séries entre d’autres périphériques. Une autre particularité de ce contrôleur est le langage de programmation. Il

se présente sous la forme du langage « C ». La plupart du temps, le type de programmation se fait sous la

Figure 38 : Plaquette de développement




forme de code assembleur, plus complexe et moins connu par la plupart des utilisateurs. Le langage « C », au

premier coup d’œil, est plus facile et convivial à programmer.

3.3 Éléments de conception

3.3.1 Schématique de câblage, unifilaire et schéma de disposition

Tout d’abord, la schématique de câblage global présenté dans l’annexe A comprend toutes les composantes

du système final :

• Onduleur

• Disjoncteurs

• Diodes

• Relais

Le dimensionnement de toutes ces composantes sera présenté dans les points suivants.

Un unifilaire de tous les éléments ainsi qu’une schématique de câblage «contrôle» sont également fournis

dans l’annexe A.

3.3.2 Dimensionnement des composantes physiques

3.3.2.1 DIMENSIONNEMENT DES CABLES

Premièrement, le dimensionnement des câbles d’alimentation est une partie très importante pour le meilleur

transfert de puissance possible ainsi que pour une sécurité optimale. En effet, les câbles mal dimensionnés

chauffent et limitent le passage du courant, un peu comme une résistance.

L’équation suivante est formulée avec la valeur de la puissance maximale de charge et sa tension

correspondante. Ces paramètres ont été calculés dans le pire des cas pour que les câbles puissent soutenir ces

situations. À une telle puissance, la tension minimale sera de 56V. La tension minimale est prise pour donner

un courant maximal. Le courant délivré par l’alternateur à aimants permanents est calculé selon la relation de

courant d’un redresseur en pont triphasé à diodes.

,max ,1500 226.8 ; 21.88

56 3occ s eff occWI A I I A

V= = = =

• Éolienne

• Pont de diodes triphasé

• Résistance à grande puissance pilotée

• Banc de batteries




Selon l’article 28-106 du code canadien de l’électricité, "les conducteurs de dérivation alimentant un

moteur utilisé en service continu doivent avoir un courant admissible d’au moins 125% du courant nominal à

pleine charge du moteur".

Câble d’alimentation du pont triphasé

1.25 21.88 27.35A× =

Selon le tableau 2 ou le tableau 4: #10/3 type RW90 Cu ou #8/3 Al RW90 (prendre le moins cher)

Ce câble a un courant admissible de 30A

Câble de distribution de la tension continue

1.25 26.8 33.50A× = :

#8/3 type RW90 Cu ou #6/3 Al RW90


Câble d’alimentation de la résistance

1500 20.73.5

1.25 20.7 25.9

PI AR

A A

= = =

× =

#10/3 type RW90 Cu ou #8/3 Al RW90


3.3.2.2 DIMENSIONNEMENT DES PROTECTIONS

Selon l’article 14-104 du code canadien de l’électricité, "le courant nominal ou réglage des dispositifs de

protection contre les surintensités ne doit pas être supérieur au courant admissible des conducteurs ou de

l‘appareillage qu’il protège".

Dans la dérivation de courant continu, les conducteurs sont de #8 en cuivre. Ces conducteurs ont un courant

admissible de 40A.

Les dispositifs de protection ont été finalement placés du côté du pont en courant continu, car, en cas de

défaut, l’éolienne aurait été délestée de toutes charges et de tout contrôle. Cela peut être très dangereux lors de

vents violents, car celle-ci ne rencontrerait aucune résistance.




Par la suite, un système de protection enclenchant une résistance de 3.5ohms a été conçu. Étant donné que

ce système est développé pour la protection du système global, ce contrôle est entièrement électromécanique.

Les conditions suivantes doivent être respectées sinon le relais d’urgence est enclenché :

• Le système électronique fonctionne correctement

• L’arrêt d’urgence n’est pas enclenché

• Le bouton JOG du frein n’est pas en fonction

• Le disjoncteur est à l’état ON

*Voir schéma trifilaire pour l’utilisation du relais.

Figure 39 : Schéma de fonctionnement de la protection

3.3.2.3 DIMENSIONNEMENT DE LA RESISTANCE DE FREINAGE

,max

2 2

60

60 3.61000

dcV V

VRP W

=

= = = Ω

Selon les résistances disponibles sur le marché, une résistance de 3.5 ohms à 1000W était disponible. Donc

en freinage, cette résistance est la meilleure, car elle prend toute la puissance que le générateur peut fournir.




3.3.2.4 CHOIX DU MOSFET DE PUISSANCE

Résistance est de 3.5Ω , 1000 W

max 6060 17.143.5

E VdcVI A

=

= =Ω

En théorie, le MOSFET devrait pouvoir supporter environ 17.14A qui est le courant maximal délivré par

l’alternateur. Le MOSFET devra être «surface mount» pour des raisons d’ergonomie et de fiabilité. Celui

disponible sur le marché et le plus petit est un IXFN180N25T bien que ses spécifications techniques sont

largement supérieures à celles requises.

Tableau 8: Spécifications techniques du MOSFET

Paramètre

s

Valeurs

Vdss 250 V

ID (25ºC) 155 A

Rds(ON) ≤12,9mΩ

tr≤ 200ns ≤ 200ns

3.3.2.5 DIMENSIONNEMENT DE LA DIODE DE ROUE LIBRE DE LA CHARGE DE SECOURS

Le logiciel «Simulink/SimPower Systems» a été utilisé afin de vérifier le courant passant dans la diode de

roue libre connectée en parallèle avec le MOSFET. Étant donné qu’il s’agit de phénomènes transitoires, ce

logiciel a permis de résoudre ce dimensionnement. La figure suivante montre le montage du circuit reproduit

fidèlement dans le logiciel en question. La programmation sera expliquée dans la partie V.4.5 du document.

Figure 40: Schématique et physique du

MOSFET de puissance




Figure 41: Montage pour le dimensionnement de la diode de roue libre

Le courant dans la diode est le plus élevé lorsque le rapport cyclique du MLI est à 50%. En effet, le

rapport cyclique est à 0%, le courant dans la diode est nul et si le rapport cyclique est à 100%, la charge reste

toujours alimentée donc il n’y aura aucun courant dans la diode de roue libre. La figure suivante montre les

tensions et courants présents dans ce circuit à un rapport cyclique de 50%.

Figure 42:Comportement du circuit de la charge de secours

Suite à des calculs de traitement de signal, le courant maximal et moyen traversant la diode sont

, ,max3.4010 ; 11.1319diode moy diodeI A I A= =

0.1 0.1001 0.1002 0.1003 0.1004 0.1005-0.5

00.5

11.5Entrée MLI du MOSFET

Sig

nal

Temps(s)

0.1 0.1001 0.1002 0.1003 0.1004 0.1005-50

050

Tension aux bornes de la charge

Tens

ion(

V)

Temps(s)

0.1 0.1001 0.1002 0.1003 0.1004 0.10050

1020

Courant de la charge

Cou

rant

(A)

Temps(s)

0.1 0.1001 0.1002 0.1003 0.1004 0.10050

1020

Courant dans la diode

Cou

rant

(A)

Temps(s)




La tension maximale inverse sur la diode est de 56V, dans le pire des cas. Donc, la diode disponible est une

12FLR100 dont les spécifications techniques sont les suivantes.

Tableau 9: Spécifications de la diode de roue libre

Paramètres Valeurs IF(AV) 12 A VRRM 1000 V

3.3.2.6 REDRESSEUR EN PONT TRIPHASE A DIODES AVEC SON DISSIPATEUR DE CHALEUR

Redresseur triphasé

Les paramètres minimums à considérer pour le dimensionnement d’un pont de diode triphasé sont la

tension inverse aux bornes des diodes et le courant traversant les diodes.

Tension inverse = 35LLE V= Courant dans chaque diode= 0 28.3 9.433 3

ccI A= =

Le pont triphasé disponible sur le marché satisfaisant ce dimensionnement est le VUO80-08NO1- ND.

Tableau 10 : Spécifications du redresseur en pont triphasé à diodes

Paramètres Valeurs

Idavm 82 A

Vrrm 800 V

Figure 43: Schématique et physique du redresseur

triphasé à diodes




Dissipateur de chaleur

Selon la dissipation de chaleur provoquée par le redresseur triphasé illustré à la figure suivante, il est

possible de remarquer que la puissance dissipée dans le pont est de 50W à 30A. À 30A, le pont peut opérer à

une température de 130oC

Selon la figure de droite, le dissipateur de chaleur requis

pour le redresseur triphasé est un 421A digikey 345-1047-ND.

Avec ce type de dissipateur, lors d’une perte de puissance de

50W, il y a augmentation de 550C par rapport à la température

ambiante. Par exemple, dans les pires cas au Québec, s’il fait

400C à l’extérieur, le redresseur sera à une température de

950C. Il n’y aura pas de problème, car celui-ci, à 30A, peut

opérer à une température de 1300C

3.3.2.7 DIMENSIONNEMENT DES DIODES DE PUISSANCE

Les diodes ont été calibrées selon le courant admissible maximal dans les câbles qui est de 40A. Les diodes

choisies sont du 1N1184A où le courant admissible est de 40A et la tension inverse maximale est de 100V.

Cette tension est amplement suffisante pour une tension maximale du système qui est de 56V.

Figure 44:Puissance dissipe du redresseur en fonction du courant

Figure 45: Température tolérée du

redresseur en fonction du courant traversé

Figure 46: Choix du dissipateur de chaleur




3.3.2.8 DIMENSIONNEMENT DE L’ALIMENTATION 5V ET 12V

Étude de sensibilité des équipements

Dans le but de choisir les alimentations à découpage afin d’alimenter les équipements dont la tension

d’alimentation est de 12V et 5V, une analyse de sensibilité de l’alimentation des équipements ainsi qu’une

analyse des puissances consommées doivent être réalisées.

Alimentation 5V

Tout d’abord, le tableau suivant démontre l’analyse de sensibilité des équipements alimentés au 5V.

Tableau 11 : Sensibilité des équipements branchés sur le 5V

Équipements Sensibilité

dsPIC30F4013 4.5 à 5.5V

Ampli op OPA4251 -15 à 15V

Ampèremètre CSLH3A45 4.5 à 10.5V

Limite de fonctionnement 4.5 à 5.5V

Par la suite, un bilan de puissance consommée est présenté au tableau ci-dessous.

Tableau 12: Bilan de puissance de l'alimentation 5V

Équipements Puissance consommée

dsPIC30F4013 2*1.5W = 3W

Ampli op OPA4251 50mW

Ampèremètre CSLH3A45 55mW

Optocoupleur 4N33 250mW

Puissance consommée totale 3.4W

Par conséquent, l’alimentation 5V doit être capable de fournir 3.4W avec une plage de tension de sortie

inférieure à la limite spécifiée dans le premier tableau soit, 4.5 à 5.5V. L’alimentation choisie est le KA7805

qui peut recevoir entre 7 et 20V, fourni une puissance maximale de 15W et a une plage de tension de sortie de

4.75 à 5.25V dans les pires conditions de fonctionnement. Ces valeurs répondent à celles spécifiées ci-haut.




Alimentation 12V

Tableau 13: Sensibilité des équipements branchés sur le 12V

Équipements Sensibilité

Pilotage du MOSFET TC4420 4.5 à 18V

Optocoupleur TLP2200 4.5 à 20V

Relais LY2 11.4 à 12.6V

Relais Z1051ND 10.8V à 13.2V

Alimentation 5V 7V à 20V

Limite de fonctionnement 11.4 à 12.6V

Le tableau suivant présente le bilan de puissance consommée des équipements branchés sur 12V.

Tableau 14 : Bilan de puissance de l'alimentation 12V

Équipements Puissance consommée

Pilotage du MOSFET TC4420 730mW

Optocoupleur TLP2200 25mW

Relais LY2 0,9W

Relais Z1051ND 1,9W*2=3.8W

Alimentation 5V 3.4W

Puissance consommée totale 8.9W

Remarques : le multiplicateur 2 est présent pour illustrer l’ajout d’un troisième contacteur pour l’onduleur.

Suite à ces analyses, l’alimentation 12V doit être dimensionnée pour fournir une puissance minimale de 9W

dans une plage de tension de sortie inférieure à celle spécifiée dans la limite

de fonctionnement (11.4 à 12.6V). L’alimentation choisir est une

alimentation à découpage LW020B871 qui peut fournir une puissance de

20W dans une plage de tension de sortie de 11.64 à 12.36V. Ces

spécifications satisfont celles demandées ci-haut.

Figure 47 : Régulateur de

tension 48V- 12V




Système d’alimentation globale

Pour assurer un branchement efficace de toute l’électronique comprise dans le système, un circuit

d’alimentation complet a été conçu. Celui-ci comprend les différentes tensions nécessaires au bon

fonctionnement des éléments. Ce circuit sera alimenté directement à partir du banc de batteries 48v et

abaissera la tension en deux niveaux distincts, soit 12v et 5v. Ces deux tensions de sorties sont réalisées avec

une alimentation à découpage 48v-12v (Lucent LW020B81) et un régulateur de tension 12v-5v (LM2940).

Aussi, il est à noter que l’électronique du système de mesure comprend des tensions analogiques. Cette tension

de référence est créée à partir de la tension 5v présente sur le circuit d’alimentation. De plus, un système de

filtration capacitif doit être installé sur chaque pièce pour filtrer les oscillations possible de tension. Chaque

condensateur a été dimensionné selon la fiche technique de chaque fabricant. La protection est composée d’un

fusible et d’une diode Zener pour limiter le courant de court-circuit ou les surtensions pouvant survenir sur le

système. La figure suivante présente le circuit d’alimentation complet.

Figure 48 : Système d'alimentation complet




3.3.3 Conception et programmation des différents appareils de mesure

3.3.3.1 IMPLANTATION DU MICROCONTROLEUR ET SES DIVERSES ENTREES/SORTIES

Le microcontrôleur offre une panoplie de configuration au niveau des entrées/sorties. Il est donc possible,

selon une programmation, d’activer les broches de celui-ci en entrée ou en sortie. De plus, il est même possible

de les convertir en traitement numérique ou analogique. Il est possible d’apercevoir les possibilités de

configuration ci-dessous.

Figure 49: Schématique des possibilités de configuration d’entrée/sortie du contrôleur

Voici une description des types d’entrées/sorties disponible sur le contrôleur.

Tableau 15 : Tableau des types d’entrée/sortie

Nom Type d’entrée/sortie RAx/RBx/RCx/RDx/REx/RFx Entrée/sortie discrète ANx Entrée analogique OSCx Entrée de l’oscillateur système INTx Entrée d’interruption OCx Sortie « output compare » SD01/SK01 Lien SPI pour envoi des données à l’affichage UA2xX Réception et transmission de données externes Vdd/Gnd Tension et masse du système




Pour le projet, voici la disposition des broches choisies et leur fonction.

Figure 50 Schéma de câblage du microcontrôleur

L e projet comporte un bon nombre d’entrée / sortie. Le tableau suivant présente la liste complète des

différents éléments à raccorder au microcontrôleur.




Tableau 16: Liste des entrées/sorties du microcontrôleur

Description Type Broche Nom des entrées/sortiesActivation relais onduleur Sortie discrète 7 RB5

Démarrage de la génératrice Sortie discrète 30 RF0 Relais 3 Sortie discrète 29 RF1

Libre Sortie discrète 5 RB3 DEL 1 Sortie discrète 10 RB8 DEL 2 Sortie discrète 38 RB9 DEL 3 Sortie discrète 37 RB10 DEL 4 Sortie discrète 36 RB11 DEL 5 Sortie discrète 35 RB12

Encodeur vitesse du vent Entrée discrète 17 INT0 Encodeur vitesse de rotation du rotor Entrée discrète 23 INT1

Bouton changement de page de l’afficheur Entrée discrète 34 RD0 Bouton 2 Entrée discrète 33 RD1 Bouton 3 Entrée discrète 18 RD9

Tension pont courant continu Entrée analogique 2 AN0 Courant pont courant continu Entrée analogique 3 AN1

Potentiomètre Entrée analogique 4 AN2 Libre Entrée analogique 5 AN3 Libre Entrée analogique 6 AN4

Sortie MLI Sortie analogique 19 OC4 Interface d’entrée pour réception de données Entrée Uart 28 UA2RX Interface d’entrée pour transmission de données Sortie Uart 27 UA2TX

L’oscillateur système sert à déterminer la vitesse d’opération du microcontrôleur. Il est composé d’un

cristal préréglé à une fréquence fixe de 7.3728 MHz. Il est possible de voir ci-dessous la configuration de son

schéma de câblage.

Figure 51 : Intégration de l'oscillateur système

La filtration se fait à l’aide de condensateur dimensionné à partir de la fiche technique du fabricant. Chaque

entrée de tension possède son condensateur pour limiter les fluctuations de tension. Aussi, un bouton de mise à

zéro est installé pour remettre le système à ses conditions initiales.




3.3.3.2 CONCEPTION ET PROGRAMMATION DE L’ANEMOMETRE

Le but premier de l’intégration de l’anémomètre avec le contrôleur est de ressortir les valeurs minimales et

maximales de pulsation pouvant être transmises par cet encodeur. Les limitations de l’appareil de mesure sont

de 120 miles/heure, soit 200 km/heure. Cela représente donc des impulsions maximales de 50 pulses/sec, soit

50 Hz. Cette contrainte ne présente aucun problème pour le microcontrôleur, car celui-ci présente une grande

vitesse d’exécution.

Premièrement, il faut connaître la fréquence du cristal. Ce cristal sera le principal facteur influent sur la

vitesse du contrôleur. Cette fréquence sera directement liée au temps du temporisateur #4 et 5. Ce

temporisateur servira, selon une période prédéfinie, à comparer le temps entre deux impulsions.

Chaque pulse reçu par l’encodeur installé dans l’anémomètre déclenchera une interruption spontanée dans le

programme. Cette interruption a comme impact de transférer la routine d’exécution principale à une sous-

routine d’interruption permettant le traitement des impulsions. Une fois ce traitement terminé, le programme

retourne à routine habituelle.

Le rôle de la sous-routine est d’effectuer quelques opérations mathématiques qui déterminent le nombre de

cycles entre deux impulsions. La méthode utilisée pour déterminer le nombre de cycles est d’utiliser deux

temporisateurs en cascade. La fonction d’un temporisateur est d’incrémenter une valeur stockée dans un

registre à chaque cycle d’horloge. À chaque impulsion, la valeur du registre du temporisateur est comparée à la

valeur du registre précédent, ce qui donne directement le nombre de cycles d’horloge entre deux impulsions.

Avec cet intervalle, une conversion déterminera directement la vitesse du vent. Cette conversion est citée ci-

dessous :

Vitesse du vent (m/s) = 1.111 * Fréquence système / nombre d’oscillations système entre deux

impulsions de l’anémomètre

Constante : 12.5 / 4 / 4 * 1 1000

1 1 * * 1.11113600 1

miles h km h km s h mHz s m

Hz Hz h s km−= ⇒ = ⇒ =

Fréquence système : Fréquence du cristal * PLLx8/4 = 7.3728 * 8 /4= 14.74Mhz = 67ns

Intervalle de temps entre deux impulsions : Valeur deuxième impulsion - valeur première impulsion

(données sans unité)




Les figures suivantes démontrent le fonctionnement de la détection de la vitesse du vent ainsi que le schéma

de câblage de l’anémomètre.

3.3.3.3 CONCEPTION ET PROGRAMMATION DU FREQUENCEMETRE

L’installation d’un fréquencemètre sur le système permet de connaitre exactement la vitesse du rotor à

tout instant. L’éolienne étant conçue pour tourner à une vitesse maximale de 500 rotations par minute, il est

donc essentiel de mesurer cette vitesse, limitant ainsi les bris matériels qui peuvent être créés si cette vitesse

est dépassée par quelconque événement. L’appareil de mesure conçu qui sera connecté au contrôleur est

composé d’un redresseur mono-alternance, de diodes Zener et résistances, limitant la tension et courant injecté

sur la diode de l’optocoupleur, et d’un coupleur optique se chargeant d’interface entre la tension alternative et

la tension continue nécessaire à la mesure du microcontrôleur. Une onde carrée à fréquence variable sera

assurée par un transistor qui agit comme un commutateur. Ce signal sera traité par le microcontrôleur.

Conception du fréquencemètre

Le principe utilisé pour ce système se base sur la fréquence de l’onde générée par l’éolienne, sachant

qu’elle est directement proportionnelle à la vitesse de rotation du rotor. Plus précisément, à chaque passage à

zéro de la tension sinusoïdale, une onde carrée à fréquence égale et à une amplitude de 5V est créée. Par la

suite, le microcontrôleur compte le temps entre deux pulses, résultat de la vitesse de rotation. Selon une liste

très étendue de diode Zener disponible pour le prototypage du fréquencemètre, le choix s’est arrêté sur une

diode Zener de 68V comme filtre de surtension et une diode de 20v, pour éliminer toute tension inférieure

causant des erreurs de lecture. Les calculs seront faits à partir de cette valeur.

Figure 53: Démonstration du fonctionnement de la détection

de la vitesse des vents

Figure 52 : Schéma de câblage de l’anémomètre




Calcul de la résistance de protection minimale pour la diode de l’optocoupleur (4N33) :

Selon les caractéristiques de la diode de l’optocoupleur, Vdiode= 1.2V et If = 80mA. Pour rester dans les

limites acceptables d’opération, prenons If = 30mA pour le dimensionnement de R.

20 1.2630 800

0.030zener diode

diodef

V VR

I− −

= = = ≈ Ω

Calcul de la résistance et du condensateur pour le filtre passe-bas :

Pour éviter les erreurs de lecture de tension, un filtre passe-bas composé d’une résistance et d’un

condensateur à la sortie du système de mesure a été installé. Ce circuit R-C a été dimensionné selon une valeur

de résistance prise par défaut et une fréquence maximale d’opération voulue, soit 100Hz. La valeur de la

résistance choisie est 10kΩ. Le calcul s’est effectué comme suit : 1 1 1

159 1502 2 2 *10 *100

f C nF nFRC Rf kπ π π

= ⇒ = = = ≈

Figure 54 : Schéma de câblage du fréquencemètre

Programmation du fréquencemètre

Le calcul de la vitesse de rotation se fait de la même manière que la mesure de la vitesse du vent

précédemment montré. Une deuxième routine d’interruption est utilisée pour calculer cette vitesse. Chaque

pulse reçu par le circuit déclenche, lui aussi, une interruption spontanée. Cette interruption a comme impact de

transférer la routine d’exécution principale à une sous-routine d’interruption permettant le traitement des

impulsions. Une fois ce traitement terminé, le programme retourne à routine habituelle.

Le rôle de la sous-routine est d’effectuer quelques opérations mathématiques qui déterminent le nombre de

cycles entre deux impulsions. La méthode des deux temporisateurs est utilisée pour déterminer le nombre de

cycles. À chaque impulsion, la valeur du registre du temporisateur est comparée à la valeur du registre

précédent, ce qui donne directement le nombre de cycles d’horloge entre deux impulsions. Avec cet intervalle,

une conversion déterminera directement la vitesse de rotation de l’alternateur.




= =120 120

12 10nb de pôle

Voici l’équation de base qui détermine la vitesse de rotation du rotor de l’alternateur :

120( /min)r

fN rot

p=

Avec cette équation, il est possible d’instaurer la formule suivante dans le microcontrôleur :

Vitesse du rotor (RPM) = 12 * Fréquence système / nombre d’oscillation système entre deux

impulsions de l’anémomètre

Constante :

Fréquence système : Fréquence du cristal * PLLx8/4 = 7.3728 * 8 /4= 14.74Mhz = 1/67ns

Intervalle de temps entre deux impulsions : Valeur deuxième impulsion - valeur première impulsion

(données sans unité)

Figure 55: Démonstration du fonctionnement de la détection de la vitesse de rotation du rotor de l’alternateur

3.3.3.4 CONCEPTION ET PROGRAMMATION DE L’AMPEREMETRE

Conception de l’ampèremètre

L’installation d’un senseur de courant sur le pont à

courant continu permet de mesurer le courant qui

circule. Avec cette mesure, il sera possible de calculer

la puissance consommée par la charge et les batteries.

La méthode utilisée pour mesurer ce courant est

d’installer un senseur à effet hall. Ce senseur de marque

« Honeywell CSLH3A45» peut mesurer un courant

maximal de ±45A et présente une sensibilité de

20mV/A. Sa tension de sortie est de 0-5V avec un point

central de 2.5V, présentant un courant de 0 A. Figure 56 : Courant mesuré versus tension

contrôleur avant conversion




Étant donné que la sensibilité est basse, posant

problème de précision lors de petites fluctuations de

courant, et que le courant négatif n’est pas nécessaire

pour ce présent projet, un circuit adaptatif doit être

conçu. Il est donc impératif d’installer un circuit

d’adaptation qui a la principale fonction de soustraire

la tension centrale de 2.5 V pour retirer les courants

négatifs non désirés et d’amplifier la tension de sortie

par 5 pour augmenter le degré de précision et la sensibilité à 100mV/A.

Pour régler ce problème, des amplificateurs opérationnels (OPA4251) ont été utilisés. Pour soustraire la

tension de 2.5V et amplifier le signal par un gain de 5, la solution proposée est d’installer un ampli

opérationnel soustracteur/amplificateur. Avec un jeu de résistance approprié, il est possible de soustraire une

tension et par le fait même d’amplifier un signal avec un gain déterminé. L’équation de l’amplificateur

soustracteur avec amplification se définit comme suit :

UQ = (UE2-UE1) * RG / R

Selon cette équation, les résistances choisies sont celles-ci

Diviseur de tension pour le 2.5v à soustraire (UE1) : 2 x 100 kOhms 100

5 * 2.5100 100

kV V

k kΩ

=Ω+ Ω

Soustracteur et amplificateur : 2 x 3kOhms (R) et 2 x 15 kOhms (RG)

Ces valeurs élevées de résistances ont été choisies pour limiter le courant circulant dans chaque

circuit. Des amplificateurs suiveurs (non-inverseurs) ont été installés entre chaque tension d’entrée UE1 et

UE2 pour l’adaptation d’impédance. Ils présentent un gain positif de 1. Ceux-ci sont installés pour ne pas nuire

aux valeurs calculées de résistances pour l’amplificateur soustracteur. Aussi, un amplificateur suiveur a été

installé la sortie de système de conversion pour ne pas nuire à l’impédance d’entrée vue par le microcontrôleur.

Il est possible d’apercevoir le circuit de conversion complet et le schéma de câblage ci-dessous.

Figure 57: Courant mesuré versus tension contrôleur après

conversion




Figure 58: Circuit de conversion de la tension du senseur de courant

Figure 59 : Schéma de câblage du circuit adaptateur

Programmation de l’ampèremètre

L’entrée du microcontrôleur reçoit la valeur analogique de tension 0-5V et la convertie en valeur

numérique avec une résolution de 12 bits, soit un équivalent de 0 - 212 ou 0 - 4095. Selon la valeur mesurée et

stockée dans un registre, le contrôleur calcule la valeur du courant équivalent. L’équation est présentée ci-

dessous :

*5 *10

4095valeur du régistre

Courant mesuré V=

Cette équation représente la fraction de la tension maximale mesurable, soit 5V, et multipliée par 10 pour la

conversion de la tension en courant.




3.3.3.5 CONCEPTION ET PROGRAMMATION DU VOLTMETRE

Conception du voltmètre

Le voltmètre est aussi un élément essentiel lors du

calcul de puissance consommée par la charge sur le

pont courant continu. La méthode utilisée pour

mesurer la tension sur le bus est un diviseur de tension

résistif simple. Il suffisait donc de trouver des valeurs

de résistance idéales pour ne pas dépasser le seuil

maximal tolérable par l’entrée du microcontrôleur,

soit environ 5.2 V. Pour une tension mesurable

maximale sur le pont de 60 V, il fallait trouver un

ratio de résistance d’environ 1/12.

Pour la conception d’un tel système, un diviseur de tension a été utilisé. Pour trouver un ratio de résistance

équivalent qui totalisera 12, il fallait utiliser un jeu de résistances adéquat. L’équation du diviseur de tension se

définit comme suit :

Diviseur de tension pour obtenir un ratio de 12 (environ) : 1 x 47kOhms et 1 x 4.3kOhms

4.3 4711.93 12

47k k

kΩ+ Ω

= ≈Ω

Exemple de tension mesurable (tension de pont c. c. de 57.6V)

57.6 /11.93 4.83V V=

De plus, l’utilisation de résistances avec valeur ohmique élevée est suggérée pour diminuer le courant

circulant dans un tel circuit. Aussi, l’utilisation de deux diodes avec point central en parallèle avec la sortie du

diviseur de tension permet de limiter la tension de sortie à 5V. En prenant de telles précautions, si une

surtension survient sur le pont c. c., le diviseur de tension saturerait au alentour de cette tension, limitant ainsi

les bris occasionnés aux bornes du microcontrôleur. De plus, le système est couplé à un amplificateur

opérationnel connecté en suiveur servant à ne pas modifier l’impédance d’entrée vue par le microcontrôleur. Il

est possible d’apercevoir le schéma de câblage ci-dessous.

Figure 60 : Tension mesurée sur le pont versus tension

contrôleur




Programmation du voltmètre

Une seconde entrée du microcontrôleur reçoit la valeur analogique de tension 0-5V et la convertie en

valeur numérique avec une résolution de 12 bits, soit un équivalent de 0 - 212 ou 0 - 4095. Selon la valeur

mesurée et stockée dans un registre, le contrôleur calcule la valeur du courant équivalent. L’équation est

présentée ci-dessous :

Tension *5 *11.93

4095valeur du régistre

mesurée V=

Cette équation représente la fraction de la tension maximale mesurable, soit 5V, et multiplié par 11.93 pour

la conversion de la tension mesurée du contrôleur en tension mesurée du pont courant continu.

3.3.3.6 CONCEPTION DES SORTIES RELAIS

Des sorties relais sont installées pour activer/désactiver des éléments externes au système de contrôle. Ces

éléments sont le démarrage de la génératrice, l’activation de l’onduleur, etc. Un relais est un élément

électromagnétique qui ferme ou ouvre un contact lorsque la bobine est alimentée demande un courant et une

tension dont le microcontrôleur ne peut fournir. Il faut donc un circuit d’interfaçage pour adapter ceux-ci. Ce

circuit se comporte d’un Mosfet et d’une diode de roule libre étant donné que le relais se présente comme une

Figure 61: Schéma de câblage du

voltmètre




inductance. Le tout peut être alimenté à la tension désirée selon les caractéristiques du relais choisi. Le circuit

est présenté ci-dessous.

Figure 62 : Schéma pour l'activation d'un relais

3.3.3.7 CONCEPTION ET PROGRAMMATION DU PILOTAGE DU MOSFET

Conception du pilotage du mosfet

Pour la conception du système de pilotage, un photo coupleur haute vitesse (TLP2200) pour isoler le

système du microcontrôleur et un pilote de « MOSFET » (TC4420) ont été utilisés. L’utilisation de pièces

haute vitesse est utilisée, car la fréquence de fonctionnement du système tourne aux alentours des 30kHz. Cette

fréquence a été choisie pour limiter la nuisance sonore du système et la puissance dissipée par le « MOSFET ».

Le choix des différents condensateurs sur le circuit a été choisi selon le manufacturier pour filtrer les tensions

d’alimentation. La résistance de 300 ohms à l’entrée du photo coupleur a été dimensionnée selon le courant

maximal admissible dans la diode de celui-ci, soit 5mA. La tension de sortie du contrôleur étant de 5V, la

résistance minimale est de 3/ 5 / 5 10 100R V I x −= = = Ω . La tension d’alimentation du pilote de « MOSFET »

est de 12V, car cette tension est la valeur minimale de fonctionnement de la grille du « MOSFET ». Il est

possible d’apercevoir le schéma de câblage ci-dessous.




Figure 63:Schéma de câblage du pilotage du MOSFET

Programmation du pilotage du mosfet

Le microcontrôleur comporte plusieurs sorties de type « output compare (OCx) » conçu pour ce type

d’application. Pour déterminer la fréquence à laquelle le « MLI » devra fonctionner, un temporisateur dédié est

utilisé. Sa période est réglée par rapport à la fréquence choisie. À chaque fois que le temporisateur (TMR)

atteint sa valeur maximale, une interruption est provoquée et la valeur du rapport cyclique (OCxRS) (valeur

entre 0 et 1) est mise à jour. Si cette valeur est constante, le temps de conduction reste inchangé. Si cette valeur

change, le temps de conduction est mise à jour à chaque interruption.

Période du temporisateur choisie pour une fréquence de 30kHz :

Fréquence MLI = Fréquence système / nombre de cycle pour déterminer la période du temporisateur

Nb. de cycle = 14.74 MHz / 30000 Hz = 491.33

Donc le temporisateur aura une durée de 491.33 cycles. Cette valeur équivaut donc a 32.9 μs, soit une

fréquence de 30kHz. La figure suivante démontre le comportement d’un tel système.




Figure 64: Diagramme du comportement du MLI

3.3.4 Logique de contrôle La mise en marche du système s’effectue en retirant l’arrêt d’urgence. Par la suite, le microprocesseur

commence la prise de mesure pour connaître la situation du procédé. Lors de présence de charge, les batteries

doivent être capables de fournir à la demande. Premièrement, la présence de vent est vérifiée. Si le vent souffle

convenablement, le contrôleur met la séquence de charge de batterie en marche. Ensuite, s’il y a présence de

charge, la prise de mesure est recommencée afin de toujours être en connaissance de l’environnement afin

d’agir s’il survient un changement.

Dans l’hypothèse de fort vent et qu’aucune charge n’est présente et les batteries sont pleines, il est important

de ne pas laisser l’éolienne tourner à vide, car celle-ci risque de s’emballer. Dans ce cas, une charge variable

est ajoutée par pulsation de la résistance de 1KW.

Ensuite, en l’absence de vent, l’état des batteries doit être constamment vérifié pour éviter la perte

d’alimentation. Lorsque les batteries seront vides, il sera important d’enclencher le relais de protection de

l’onduleur afin de séparer la génératrice de l’onduleur. Par la suite, le microprocesseur démarre la séquence de

démarrage du système de secours.




Cette logique est présentée dans le logigramme présenté à la page suivante.

Figure 65 : Logigramme du système global




3.3.5 Conception et programmation de l’affichage à cristaux liquides

3.3.5.1 CONCEPTION DU CIRCUIT DE BRANCHEMENT DE L’AFFICHAGE ACL

Le but de l’installation d’un affichage à cristaux liquides

directement sur la façade du boitier de contrôle est d’informer

l’opérateur de toutes les informations pertinentes du système de

génération d’énergie. Il est possible entre autres d’apercevoir sur

celui-ci des données comme la tension et le courant du pont c. c. en

volt et en ampère ainsi que la vitesse du vent en mètre par seconde

et la vitesse du rotor en rotation par minute. De plus, il sera

possible d’apercevoir la puissance générée par l’éolienne en watt

ainsi que les kilowattheures fournis jusqu’à maintenant. L’afficheur

utilisé (MDL-16465) dispose de quatre lignes horizontales

comprenant seize caractères chacune et d’un rétro-éclairage à diodes électroluminescentes. Quatre

informations seront affichées simultanément et l’opérateur pourra changer de page d’affichage à l’aide d’un

bouton poussoir.

Pour commander l’affichage de celui-ci, un second microcontrôleur dédié (dsPIC30f12) de plus petite taille

(18 broches) est utilisé. Une des raisons pour lequel l’installation d’une deuxième puce pour l’affichage a été

pensée est que le microcontrôleur principal dispose déjà d’un nombre élevé d’entrées/sorties utilisées, ce qui

rend plus complexe la connexion de l’affichage ACL. Celui demande sept broches pour son branchement.

Celles-ci se composent essentiellement de quatre broches pour les données, une broche (RS) pour la sélection

du registre, une broche (E) pour entrée/sortie activée ainsi que R/W pour sélectionner le mode écriture ou

lecture des registres. Aussi, il est possible de régler le contraste ainsi que l’intensité du rétro éclairage. Ceci est

possible grâce à l’installation de potentiomètre de 10kΩ en série avec l’alimentation. Une des particularités de

l’alimentation principale de l’afficheur est qu’il nécessite une tension négative de -5v, ce qui pose problème

dans des circuits disposant seulement de tensions positives. Pour remédier à la situation, une puce (TC7660)

qui inverse la tension d’entrée a été implantée. Pour l’affichage des caractères, les données se transigent

parallèlement sur un bus à 4 bits. L’information envoyée du microcontrôleur principal se fait de façon série par

protocole SPI, une technologie propriétaire à la compagnie Microchips sur les broches SDI1 et SCK1. Le

second contrôleur se charge de convertir ces données série en données parallèles sur les broches à cet effet.

Figure 66: Affichage ACL




Figure 67 : Schéma de branchement du second microcontrôleur pour afficheur ACL

Figure 68 : Schéma de branchement de l'afficheur ACL ainsi que l'inverseur de tension

3.3.5.2 PROGRAMMATION DE L’AFFICHEUR ACL

L’afficheur ACL est compatible avec des caractères de type ASCII. Ceci signifie donc qu’il faut convertir

toutes les données traitées dans le microcontrôleur à ce type de valeur. Tout se fait automatiquement si la

variable est bien déclarée dans la routine de code principale. Quand une variable est traitée en ASCII, il faut la

déclarer comme une variable « char » dans le code. Aussi, l’afficheur doit recevoir les données caractère par

caractère avec sa position spécifique, ce qui oblige à faire une conversion des valeurs traitées normalement sur

16 bits et de séparer chaque chiffre un à un et de les stocker dans un tableau. Ce tableau sert à mettre les

valeurs des centièmes jusqu'aux centaines en 'char'. Le calculateur prend la valeur à traiter et la divise par 10 et

il garde la retenu, avec la retenu, il additionne 0x30 pour le mettre en 'char'. Il redivise la valeur par 10 et il

recommence. Il faut s'assurer que la valeur entrée dans ce calculateur est multipliée par 1000, pour éliminer

toute virgule dans le traitement. La virgule sera rajoutée manuellement pour l’affichage.

Voici un exemple d’une transformation par le calculateur.

Valeur à traiter : 250.38 t/min

La valeur est multipliée par 1000 = 2503800




Tableau 17 : Valeurs stockées dans le tableau du calculateur

Emplacement dans le tableau Valeur stockée dans le tableau 0 (millième) 0 1 (centième) 8 2 (dixième) 3

3 (unité) 0 4 (dizaine) 5 5 (centaine) 2

Comme il a été dit précédemment, l’affichage doit recevoir ses données avec sa propre position. Ce type

d’afficheur comporte donc 64 positions. La routine d’affichage envoie à répétition chaque lettre ou chiffre avec sa

position.

Exemple d’écriture de la vitesse du vent sur la ligne 1 (caractères 0 à 15):

HEX2ASCII(vitesse); //Appeler la routine du calculateur pour la conversion des données

DisplayData[0] = 'V'; //Écrire la lettre « V » dans la position 0 de l’afficheur ACL

DisplayData[1] = 'e'; //Même chose que précedement, écriture de la « e » en 1 et ainsi de suite

DisplayData[2] = 'n';

DisplayData[3] = 't';

DisplayData[4] = ':';

DisplayData[5] = ' ';

DisplayData[6] = ' ';

DisplayData[7] = adhundreds; //Prendre la valeur des centaines dans le tableau du calculateur de conversion

DisplayData[8] = adtens; //Prendre la valeur des dizaines dans le tableau du calculateur de conversion

DisplayData[9] = adones; //Prendre la valeur des unités dans le tableau du calculateur de conversion

DisplayData[10] = ','; //Écriture de la virgule pour l’affichage de la donnée correctement

DisplayData[11] = adtenths; //Prendre la valeur des dixièmes dans le tableau du calculateur de conversion

DisplayData[12] = adhundredths; //Prendre la valeur des centièmes dans le tableau

DisplayData[13] = 'm';

DisplayData[14] = '/';

DisplayData[15] = 's';

3.3.6 Conception et programmation du simulateur de vérification du contrôleur

Le but premier de créer un simulateur pour le présent projet est de pouvoir tester tout le programme instauré

dans le microcontrôleur principal. Ici, il est question de toutes les entrées discrètes destinées aux mesurages

des différents éléments sur le système éolien et de voir si le contrôle programmé fonctionne bien. Le

simulateur retransmet un signal identique qu’un équipement de mesure enverrait au microcontrôleur. Le




microcontrôleur se rend compte d’absolument rien et il peut faire toutes ses routines normalement. Ceci permet

donc de faire des essais en atelier avant l’installation finale et de trouver des problèmes de conception à

l’intérieur du code.

3.3.6.1 SIGNAUX DES INSTRUMENTS DE MESURE SIMULES

Le simulateur à été créé directement à l’intérieur d’un troisième microcontrôleur dédié seulement à envoyer

un signal similaire à un appareil de mesure physique. Le simulateur a été désigné pour simuler quatre types de

signaux : les signaux reçus de l’anémomètre, du fréquencemètre, du voltmètre et de l’ampèremètre. Les sorties

discrètes du troisième contrôleur sont câblées directement dans les entrées mesure du microcontrôleur

principales.

Signaux de l’ampèremètre et du fréquencemètre

Les signaux de l’anémomètre et du fréquencemètre à la sortie du simulateur se comportent un peu de la

même façon que les instruments de mesure. Un signal à fréquence variable avec amplitude maximale de 5v et

avec un rapport cyclique fixe de 50 %. Le microcontrôleur comporte plusieurs sorties de type « output

compare (OCx) » conçu pour ce type d’application, la même chose utilisée précédemment pour le pilotage du

MOSFET. Pour modifier la fréquence à laquelle chaque sortie « MLI » fonctionnera, deux temporisateurs sont

utilisés, un pour chaque sortie. Sa période totale est réglée par rapport à la fréquence choisie. À chaque fois

que le temporisateur (TMR) atteint sa valeur maximale, une interruption est provoquée et la valeur du rapport

cyclique (OCxRS), toujours fixé 50 % de la valeur de la période totale est mise à jour. Il faut donc faire le

raisonnement inverse comme présenter plus haut pour le calcul de valeur de période totale à instaurer dans le

contrôleur pour une valeur de vitesse de vent ou de vitesse de rotor prédéterminer par l’interface opérateur.

Figure 69 : Schéma de câblage du microcontrôleur de simulation




Tableau 18 : Liste des entrées/sorties du microcontrôleur de simulation

Description Type Broche Nom des entrées/sortiesSimulation de l’anémomètre Sortie analogique 22 OC3

Simulation du fréquencemètre Sortie analogique 19 OC4 Simulation du voltmètre Sortie PWM 37 PWM1H

Simulation de l’ampèremètre Sortie PWM 35 PWM2H

Exemple de calcul pour trouver la période totale de la sortie vitesse du vent et

fréquencemètre.

Vitesse du vent envoyée par l’interface :15.25 m/s

9 9

1 1 ( ) 4248

/1.111*256*67 10 15.25 /1.111*256*67 10*50% 2124

PRx période totalevitesse du vent x x

OCxRS PRx

− −= = ≈

= ≈

256 : coefficient multiplicateur pour une plus grande plage du temporisateur. À chaque 256 cycles, le

temporisateur compte de 1

67x10-9 : temps de cycle du microcontrôleur

1.111 : conversion de m/s en hertz

Vitesse du rotor à simuler : 250 rpm

9 9

1 1 ( ) 2798

/12*256*67 10 250 /12*256*67 10*50% 1399

PRx période totalevitesse du rotor x x

OCxRS PRx

− −= = ≈

= =

12 : conversion de r/min en hertz

Signaux du voltmètre et ampèremètre

En ce qui a trait à la simulation des signaux envoyés des voltmètre et ampèremètre, il fallait faire en sorte

que les sorties simulent une tension variable, ces appareils de mesure envoyant une tension de 0-5v selon la

mesure. Le microcontrôleur simulateur ne comporte pas de sortie analogique. Donc il fallait trouver une autre

alternative pour réaliser un tel signal. La façon la plus simple trouve est de faire des ses sorties des hacheurs de

tension avec une tension moyenne équivalente à la valeur voulue. Une des particularités du microcontrôleur

choisi est qu’il possède des sorties « PWM » matérielles («hardware»). Ce qui simplifie grandement le

traitement interne du code. Il suffit donc de choisir une valeur de période fixe pour toutes les sorties MLI et de

faire varier le rapport cyclique pour varier la tension moyenne. Une fréquence de 300 kHz a été choisie. Ce

choix sera expliqué un peu plus tard. PTPER représente la période du signal et PDC la valeur du rapport

cyclique multiplier par la période. Le microcontrôleur comporte 3 sorties PWM avec partie haute ou basse




pour chaque sortie, ce qui signifie que la portion du rapport cyclique est normale ou inverser selon le cas. Pour

le présent simulateur, les sorties hautes seront utilisées.

9 9

1 1 ( PWM) 50

*67 10 300000*67 10PTPER période

fréquence x x− −= = ≈

Exemple de tension de sortie du voltmètre.

Valeur à simuler 54V = 3.53V (voir conversion dans section voltmètre)

* *2 3.53*50*2 ( PWM) 72

min 4.92voltage PTPER

PDC kvoltage no ale

= = ≈

Exemple de tension de sortie de l’ampèremètre.

Valeur à simuler 5.50A = 2.61V (voir conversion dans section ampèremètre)

* *2 2.61*50*2 ( PWM) 53

min 4.92voltage PTPER

PDC kvoltage no ale

= = ≈

Ce système à première vue fonctionne. Si la sortie est mesurée avec un multimètre numérique, il indique

bel et bien la tension voulue. Cependant, l’entrée du microcontrôleur principale ne voit pas cette tension

comme une tension moyenne, car il acquisitionne la tension sur ses entrées à haute vitesse. Il fallait donc

trouver une alternative pour filtrer le signal pour voir une belle tension analogique. Le dsPIC voit deux valeurs

avec ce signal haché, un « 0V » ou un « 5V » et non pas la tension simulée. La conception d’un circuit

composé d’un condensateur et d’une inductance était donc indispensable. Pour limiter la grosseur de

l’inductance et les valeurs disponibles sur le marché, une fréquence de 300 kHz a été choisie. Avec une

inductance de 100 µH et en se fixant une ondulation de tension maximale ρV de 1 %, il était possible de trouver

la valeur de condensateur à installer dans ce circuit. Avec l’équation d’une alimentation à découpage en mode

dévolteur, il est possible de calculer le condensateur.

02

0

18V

V kV LCf

ρ −= =

Avec un rapport cyclique de 0.5, représentant le pire des cas.




Figure 70 : Schémas de filtrage des sorties hacheurs du simulateur

3.3.6.2 CONCEPTION ET PROGRAMMATION DE L’INTERFACE DE COMMUNICATION ENTRE LE

MICROCONTROLEUR ET L’ORDINATEUR

Conception de l’interface de communication

Dans le but de faire un lien de communication entre les microcontrôleurs et l’ordinateur servant d’interface

opérateur, un système d’interconnexion entre ces différents éléments a été créé. Ce système se sert de

l’interface RS-232 disponible sur la plupart des ordinateurs. C’est un protocole de type série qui peut

transmettre et recevoir des données dans le même câble. Le type de données transigé sur ce câble est composé

essentiellement de caractères « ASCII » compatibles avec la plupart des logiciels de programmation. Pour

assurer la communication entre les microcontrôleurs, il faut une puce qui convertit un signal TTL à un signal

série RS-232 (MAX232). Elle se branche directement sur le bus série SPI, technologie propriétaire de la

compagnie Microchip. Le microcontrôleur principal envoie des données et le microcontrôleur servant de

simulateur reçoit des données. Donc, il faut faire les branchements adéquats pour permettre à l’information de

se rendre à sa destination et vice-versa. Voici le branchement à effectuer pour l’interfaçage.

6 2

1 0.50.01 0.7 1

8*100 10 * *300000c F F

x Cμ μ−

−= ⇒ = ≈




Figure 71 : Schéma de connexion du convertisseur UART

Programmation de l’interface de réception des données du microcontrôleur de simulation

Le simulateur, pour fonctionner, doit recevoir des informations pertinentes pour les convertir en signaux

pour les retransmettre au microcontrôleur principal quand c’est nécessaire. Les informations qu’il doit recevoir

sont la vitesse du vent, la vitesse du rotor, la tension et le courant du bus courant continu. La façon retenue

pour la transmission des données est un long mot comprenant 24 caractères de long. Ce mot représente toutes

les données décrites précédemment, collées ensemble. Chaque composante comporte une précision de 5

caractères de large sans la virgule, pour la facilité de traitement. Les autres caractères servent pour la

vérification de la véracité de la donnée. Le simulateur reçoit donc ces caractères en série. Il place chaque

caractère dans un tableau pour faciliter la recherche et le traitement des données par la suite.

Exemple d’une série de caractères reçue :

Le simulateur se charge ensuite d’envoyer la valeur reçue à partir du tableau directement dans les formules

pour le traitement futur. Il ne faut pas oublier de diviser cette valeur reçue par 100 pour faire réapparaitre la

virgule dans la donnée.




Programmation de l’interface de transmission des données du microcontrôleur principal

L’interface opérateur doit recevoir des données pertinentes venant du microcontrôleur principal. Le seul

problème dans la transmission de données est que le bus d’envoi de données séries est déjà occupé par les

données transmises à l’affichage à cristaux liquide, soit quatre lignes de 20 caractères en continu. La manière

retenue pour contrer ce problème est l’envoi d’une cinquième ligne contenant les informations désirées par

l’interface opérateur. L’afficheur ACL voit cette 5e ligne de manière complètement transparente.

Exemple d’une série de caractères envoyée

:

Il ne reste plus qu’à l’interface opérateur de traiter la dernière ligne adéquatement pour l’affichage et le

traitement de ces données.




3.3.7 Interface d’acquisition et de simulation

3.3.7.1 COMMUNICATION ET TRAITEMENT DES DONNEES

L’interface a deux fonctions distinctes. L’une sert à l’acquisition de données et l’autre fait office de

simulateur. En ce qui a trait à l’acquisition de données, le microcontrôleur envoie, selon le protocole expliqué

précédemment dans le document, quatre variables importantes pour l’étude et la compréhension de

l’environnement du système. Ces variables sont : la vitesse du vent, vitesse du rotor de l’alternateur, tension

DC et le courant.

3.3.7.2 ACQUISITION

Afin de recueillir toutes les données correctement, le microcontrôleur envoie une série de 25 caractères

avec un code au début de la chaîne. À l’aide de Visual Basic, les données importantes sont sélectionnées à

leurs places précises dans la chaîne et par la suite elles sont affichées sur l’interface. Ces données sont par la

suite enregistrées dans un fichier Excel pour des fins de consultation future, pour tracer les courbes de

puissance, de vent, etc. Le temps d’acquisition est choisi par l’opérateur. Les problèmes rencontrés sont que le

microcontrôleur envoie les données à une vitesse de 9600 bauds

9600 25 384

caractèrescaractères

Secondes Secondes

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ =

Afin de ne pas ralentir l’ordinateur, une vitesse d’acquisition de 1 seconde par rafraichissement est

sélectionnée. Dans la programmation, si la tension est par exemple dans les caractères 21 à 25, il est primordial

d’être synchronisé entre l’envoi et la réception. Cependant, ce synchronisme est quasi impossible et dépend de

beaucoup trop de facteur. Pour contrer ce problème, un code de début et de fin de la chaîne est envoyé. Si

Visual Basic ne repère pas ce code au début et à la fin, il n’affiche rien et passe au tour suivant. Cette méthode

s’est vue très efficace et donne de très bons résultats.

3.3.7.3 SIMULATION

La partie simulation de l’interface est très utile pour imposer les valeurs désirées au microcontrôleur dans le

but de vérifier les séquences de contrôle. La méthode utilisée est semblable à la réception (acquisition), mais

en envoi cette fois-ci. Une chaîne de 25 caractères est envoyée avec un code de début et de fin. Les valeurs

sont multipliées par mille afin d’enlever toutes dixième ou centième d’unité étant donné que la programmation

du contrôleur s’est construite ainsi.




3.3.7.4 DEMONSTRATION DU FONCTIONNEMENT

Tout d’abord, à l’ouverture de l’exécutable, la première chose à faire avant tout est d’entrer le numéro du

port de communication (COM).

Par la suite, l’opérateur devra faire un choix entre quelque temps d’acquisition




Quand le temps d’acquisition est choisi, un bouton démarrer se met alors visible. Après le démarrage, les

données sont automatiquement sauvegardées dans un classeur (.xls) et il est possible d’interagir avec le

microcontrôleur.

Les curseurs horizontaux permettent d’augmenter graduellement les valeurs désirées et ainsi donner un

semblant de naturel.




4 BILAN DES ACTIVITES

4.1 Arrimage formation pratique/universitaire

Dans le développement d’un tel système de production d’énergie électrique, plusieurs domaines de

l’ingénierie électrique sont impliqués. Dans l’élaboration de l’étude comportementale du système et dans le

dimensionnement des composantes de puissance, le cours «Électronique de puissance» et «Électrotechnique I

et II» ont été utiles pour la compréhension des phénomènes transitoire et permanent reliés au fonctionnement

du système (machine à aimant permanent, redresseur et onduleur) et pour la conception de ce dernier. Le cours

«Transport et exploitation de l’énergie électrique» a fourni une excellente base dans la réalisation du projet

puisqu’il s’agit d’un système de production d’énergie électrique à partir d’un système éolien où plusieurs

notions ont été couvertes dans ce cours.

Étant donné que le contrôleur choisi est un dsPIC, une bonne connaissance des phénomènes électroniques

expliqués dans les cours «Électronique I et II» a été essentielle. En fait, le filtrage, la conception des

instruments de mesure et le pilotage du MOSFET ont été conçus à partir des notions fournies dans ces deux

cours. De plus, le cours «Introduction aux ordinateurs» a été utile dans la configuration du contrôleur puisqu’il

a été programmé en langage C. Les bases de programmation ont été vues dans ce cours. La communication

entre le contrôleur et l’interface d’acquisition a été conçue en se basant sur les concepts appris dans le cours de

«Système à microprocesseurs».

Finalement, l’expérience acquise lors des stages en entreprise a permis de développer le système selon une

méthodologie adéquate afin d’élaborer le projet dans les règles de l’art.

4.2 Travail d’équipe

Frédéric

Mon intégration à mon équipe de travail immédiate, soit mes coéquipiers Jonathan et Christian, a été très

facile puisque nous avions couramment travaillé ensemble dans le cadre des différents cours du baccalauréat.

Par conséquent, la division des tâches s’est faite par elle-même étant donné que nous avons chacun nos forces

et faiblesses. Pour ma part, une grande partie de mon travail a été de faire les recherches et de développer le

simulateur sur SimPower System. Le reste de mes tâches a été de participer aux essais et à l’élaboration du

système de contrôle. La division des tâches a été sommairement équivalente tout le long du développement du

projet. La participation des techniciens de laboratoire de l’UQAC a permis de réaliser des essais primordiaux

pour l’évolution du projet dans le local P2-2020 et permis de profiter des conseils dans le développement du

système de contrôle. Cette participation fait donc partie intégrante de l’expérience du travail d’équipe entre les




concepteurs et les techniciens. Cette expérience a été très enrichissante du point de vue «relation» dans une

équipe de travail. Aucune difficulté ou grave mésentente entre les membres de l’équipe a été relevée étant

donné que nous somme habitués de travailler ensemble. Les points de vue de chaque membre ont toujours été

considérés dans l’évolution de ce projet de conception et cela a permis de mener à sa finalité dans les délais

requis.

Christian

Depuis quatre années passées au baccalauréat, les travaux d’équipe se sont multipliés. Que ce soit des

devoirs, rapports de laboratoire ou bien de l’étude, il arrivait souvent qu’ils soient effectués à plusieurs

étudiants. C’est avec le temps que je me suis battis des techniques pour rendre le travail d’équipe efficace.

Étant donné que le projet de conception que j’ai décidé de prendre devait se faire à trois étudiants, c’était

encore une fois une façon d’améliorer mes expériences et compétences au niveau du travail d’équipe.

La relation avec mes coéquipiers était déjà bien établie. C’est à quelques reprises que j’effectuais des

travaux d’équipe avec eux. Je connaissais déjà leur façon de fonctionner. C’est toujours embêtant de

commencer dans une nouvelle équipe. Quand on connait bien les personnes, c’est plus rassurant.

Dans l’équipe, j’étais responsable de concevoir les principaux systèmes électroniques de mesure et la

programmation du microcontrôleur. Étant des systèmes complexes dans leurs ensembles, je devais me tourner

vers eux à l’occasion pour demander conseil et approbation de leur part. C’est un travail d’équipe et il était

dans mon devoir de toujours leur demander leur avis lors de grosse décision. La plupart du temps, le projet

s’effectuait dans les locaux de l’université. Il y avait toujours plein de gens à ma disposition lorsque j’avais des

questions. Que se soit des amis, techniciens de laboratoire, ingénieurs ou bien conseiller, il avait au moins une

personne qui pouvait répondre à mes interrogations. En fait, il est possible de constater qu’on fait partie d’une

plus grande équipe qu’on peut le penser. Il est possible de comparer cela à une grande entreprise avec des gens

de différents domaines. Toute cette aide que j’ai eue m’a permis d’acquérir de nombreuses connaissances

techniques et de me créer un cercle de contact. Tous ces gens possèdent leurs propres expériences personnelles

et c’est en les côtoyant qu’on en bénéficie.

Il arrive parfois dans toute équipe qu’une discorde arrive. C’est souvent le cas quand une idée personnelle

ne parvient pas à convaincre les autres coéquipiers. Il ne faut pas s’entêter avec cela et écouter ce que les

autres membres ont à dire. En gros, tout s’est très bien déroulé et je suis très satisfait de l’équipe avec qui j’ai

travaillé. À trois, nous avons pu trouver de très belles solutions à la problématique qui nous avait été soumise.




Jonathan

Le projet de conception effectué n’aurait jamais été celui qu’il est en ce moment sans le travail d’équipe.

L’équipe de travail est constituée de 3 étudiants en ingénierie, un technicien en travaux pratiques de

l’université, un journalier de l’entreprise ainsi que du promoteur du projet. Les rôles effectués au sein de

l’équipe de travail ont été de travailler conjointement à la conception de l’ingénierie avec les deux autres

étudiants. De plus, il a été très important de spécifier et d’assister à la conception et de la fabrication

mécanique et électrique des différents équipements.

La coordination de l’équipe de travail fut une grande difficulté rencontrée. En effet, les employés de

l’entreprise, étant très occupés, ont eu des difficultés à respecter les délais donnés par les autres membres de

l’équipe. Afin de surmonter ses problèmes, les différents délais donnés ont été changés de façon à accommoder

les deux parties.

En terminant, le projet n’aurait jamais été aussi bien réussi avec une personne seule qu’avec une équipe.

L’entraide des différents membres, le partage de connaissance font la magie du travail d’équipe. Le point de

vue d’une personne avec un grand bagage théorique est important, mais celui de quelqu’un de pratique est tout

aussi important et nécessaire et vient compléter un bon projet.

4.3 Respect de l’échéancier

L’échéancier a eu des modifications majeures étant donné l’ampleur des tâches à réaliser et le temps à

allouer aux autres cours suivis durant les deux sessions attitrées au projet. Tout d’abord, les calculs pour le

dimensionnement des pièces ont été projetés sur une période de deux semaines. Toutefois, ces calculs ont été

étalonnés sur plus de 3 mois puisque le projet s’est déroulé en plusieurs phases et les pièces n’ont pas toutes

été choisies au même moment. Le développement de l’analyse comportementale s’est échelonné sur 3 mois au

lieu de 2 semaines, période projetée dans le plan de travail. En effet, les caprices du logiciel «Simulink» ainsi

que la recherche sur le comportement d’un générateur synchrone à aimant permanent explique ce temps plus

long. Les autres tâches effectuées dans ce projet ont été légèrement plus longues que celle évaluées dans le

plan de travail, soit pour la conception des plans électriques, la programmation du contrôleur, la réalisation de

l’interface opérateur et du simulateur. Il n’est pas toujours évident d’évaluer la longueur des tâches lorsque le

projet se déroule durant les sessions où des cours sont également à l’horaire des étudiants.




4.4 Analyse et discussion

Le but de ce projet était de concevoir un système de génération d’énergie électrique avec une éolienne

couplée sur une génératrice à combustion. La conception des composantes a été réalisée à partir des notions

vues en classe ainsi que les recherches bibliographiques. Le logiciel MATLAB : Simulink a permis de

confirmer le dimensionnement des pièces et d’analyser le comportement du système global. Le projet

comprenait le développement des instruments de mesure utilisés pour le contrôle de la vitesse du rotor dans

des conditions atmosphériques anormales. De plus, les grandeurs mesurées sont utilisées pour effectuer de

l’acquisition sur plusieurs jours dans le but d’analyser le comportement du système sur une échelle de temps.

Cette interface d’acquisition a été conçue avec une communication série RS232, communication compatible

avec le contrôleur du système (dsPIC). Un simulateur réalisé avec un deuxième dsPIC a permis de vérifier le

fonctionnement de la séquence de contrôle du simulateur en évitant d’installer l’éolienne à l’extérieur ou en

soufflerie. Ce simulateur sera également utile pour l’étalonnage du système si une modification est à réaliser.

La plaquette de contrôle a été développée dans le but d’étalonner le microcontrôleur à l’installation de

l’éolienne. La vitesse de freinage peut être plus rapide ou plus lente que celle définie par défaut selon

l’emplacement de l’éolienne. La lecture de la tension et du courant a été ajustée afin de pallier le manque

d’expertise en interfaçage de puces électroniques. Par conséquent, les erreurs de mesure sont corrigées dans la

programmation du microcontrôleur. Malgré cela, le senseur de courant présente une sensibilité qui varie de

15mV à 22mV, pouvant provoquer des erreurs de lecture. Les lectures analogiques ont été interfacées par un

convertisseur analogique/numérique de 12 bits représentant 4096 valeurs pour une tension lue de 0 à 5V. Cela

présente donc une précision de l’ordre du centième, précision acceptable pour l’acquisition et la prise de

décision dans la programmation du contrôleur. Quant à l’anémomètre et le fréquencemètre, l’erreur de lecture

se situe au niveau du cristal du dsPIC étant donné que ce dernier définit la fréquence fixe de fonctionnement de

l’acquisition. Une fréquence qui fluctue entrainerait des imprécisions sur la prise de mesure. Toutefois, le

cristal présente une très grande précision avec ses 30 ppm. En général, toute fluctuation de température amène

des imprécisions sur tous équipements électroniques, cependant, ces erreurs sont tolérables étant donné que les

valeurs sont utilisées sur des prises de décision se basant seulement sur valeurs arrondies à l’unité.

Le système de contrôle est de type évolutif. En effet, ce système a été réalisé dans le but de pouvoir installer

d’autres équipements tels que relais, boutons, éléments de mesure.

Ce projet, financé par les entreprises LP, avait un budget total de 2500$. Le tableau suivant illustre toutes

les dépenses encourues. Le mandat était de réaliser ce projet dans le budget prévu. Le manque d’expérience

dans l’achat de matériel pour un projet a provoqué quelques achats inutiles gonflant le prix total d’environ

10%. Tout de même, le budget alloué a été respecté.




Tableau 19 : Tableau des dépenses

Items Quantité Coût par unité Livraison Taxes Coût final Éolienne 1 745,83 344,17 0,00 1090,00

Anémomètre numérique 1 33,96 0,00 1,51 35,47 Contrôleur 2 8,52 8,00 7,56 32,60

Anémomètre éolienne 1 59,40 6,31 0,00 65,71 Pont triphasé 1 30,65 0,00 30,65

Lecteur de courant (Effet Hall) 1 9,96 0,00 9,96 Diode 1N1184A 2 6,97 0,00 13,94

Dissipateur de chaleur pour diode 2 2,10 11,00 0,00 15,20 Résistance 3.5 ohms 1000W 1 61,27 8,00 0,00 69,27

Mosfet 1 24,08 24,08 Optocoupleur 4 1,12 4,48

Relais sécurité 12Vdc 1 18,00 8,00 0,00 26,00 Onduleur 48/120 1 218,70 32,40 251.10

Rail montage 6' 1,51 1,16 10,21 Passe-fils 12' 4,07 6,29 55,13

Disjoncteur 40A 1 34,00 16,12 50,12 Contact auxiliaire brk 1 43,49 compris ld 43,49 Quincaillerie autre LD n-d 47.75 compris ld 47,75

Quincaillerie n-d 304.44 comprise 304,44 Quincaillerie Adisson n-d 77,10 10,30 87,40 Quincaillerie Adisson n-d 15,94 2,06 18,00

Commande #4 Digikey n-d 52,55 8,00 3,03 63,58 Commande #5 Digikey n-d 56,06 8,00 3,20 67,26

Total 2483,26

Montant restant 335.26

Les résultats de ce projet de conception sont résumés par les essais effectués afin de confirmer le bon

fonctionnement du prototype. Plus précisément, le générateur de l’éolienne couplé sur le moteur à courant

continu a été entraîné à différentes vitesses et la vitesse du vent fût simulée afin de provoquer les situations de

fonctionnement anormales. Lors de ces essais, il a été possible de recueillir les données transmises par les

différents appareils de mesure et de tracer les courbes correspondantes. La figure suivante a été réalisée en

simulant différentes valeurs de vitesse de vent.




Figure 72: Fonctionnement du prototype

Lorsque la vitesse du vent atteint une certaine valeur critique (25 m/s) donnée par le fabricant, le système

tombe en mode freinage et la vitesse du rotor diminue considérablement prouvant l’efficacité de la résistance

de freinage. Conséquemment, le courant fourni aux batteries diminue. De plus, il est intéressant de remarquer

que la tension continue reste presque toujours constante, peu importe la perturbation. Ces derniers essais ont

permis de confirmer le bon fonctionnement des différentes étapes du projet soit la conception, la

programmation, l’interfaçage ainsi que le système d’acquisition. Par ailleurs, ces résultats pratiques reflètent

bien l’analyse comportementale réalisée sur MATLAB : Simulink au début du projet.

26,83

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Temps (s)

Vale

urs

des

donn

ées

(p.u

)

vent (m/s)rotor (rpm)Tension (V)Courant (A)




5 CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS

Finalement, le projet de conception consistait à concevoir un prototype utilisant une éolienne et un système

d’accumulation pouvant fournir une puissance à une petite charge à une tension nominale de 120Vc.a. Il

s’agissait donc de développer un système de génération d’énergie électrique autonome qui sera remplacé par

une génératrice à combustion en l’absence de vent et d’énergie sur le système d’accumulation. Le système

devait comprendre une régulation de la vitesse de rotation de l’aérogénérateur, un système d’acquisition afin

de vérifier le comportement du système sur une longue période, un boîtier de commande dans le but de freiner

l’aérogénérateur manuellement dans une situation d’urgence ou lors de manœuvres d’entretien. Finalement, un

simulateur reproduisant les valeurs mesurées par le système d’acquisition a dû être conçu pour fin de

vérification et d’étalonnage du contrôleur. Toutefois, dû au manque de temps, le module électronique

permettant le démarrage de la génératrice à combustion commandé par le contrôleur n’a pas été conçu. Le

contrôleur a tout de même été programmé ainsi que l’électronique conçue en vue de l’installation de la

génératrice à combustion.

Ensuite, les résultats des essais en laboratoire confirment le bon fonctionnement du système global. En

effet, l’analyse comportementale à l’aide du logiciel performant SimPower Systems présente les mêmes

comportements sous les différentes situations possibles. L’utilisation de la résistance de freinage a été une

alternative très intéressante, peu couteuse, et fiable pour diminuer la vitesse de rotation de l’éolienne lors de

vent trop fort ou au besoin. En effet, un frein mécanique aurait occasionné un entretien plus fréquent et des

coûts plus élevés.

D’autre part, l’étude d’avant projet fut d’une grande utilité. Cela à permis de mieux comprendre les

différents principes relatifs au projet. Cependant, une telle étude ne reste pas infaillible. L’expérimentation, les

essais en laboratoire, l’application des différents principes restent un passage obligé à la réalisation d’un projet

de conception. À la fin de l’étude, plusieurs résultats furent gardés et d’autre non. Souvent ils ont été rejetés

pour des raisons économiques. Un système de freinage impliquant trois inductances connectées en Y a été

étudié, mais rejeté. Ce système permettrait de réduire les dimensions et ne dégagerait aucune chaleur. Dans la

prochaine phase du projet, ce système sera testé.

Par ailleurs, le travail qui reste à faire est d’installer une génératrice en harmonie avec le système. Les

principes sont en partie faits, mais restent à être testés. De plus, les contraintes climatiques ont fait retarder

l’installation permanente du projet et devront être reportées au printemps. De ce fait, les tests dans

l’environnement réel peuvent différer de ceux effectués en laboratoire, donc un étalonnage du contrôleur devra

être fait.




6 BIBLIOGRAPHIE

6.1 Monographies

6.2 Notes de cours

6.3 Chapitres de livre

1. Slemon G.R, Straughen A. 1980. Electric Machines. Philippines : Addison-Wesley Publishing Company

Inc, 575 p.

2. Mukund R. Patel.1999. Wind and solar power systems.USA : CRC Press LLC.351 p.

3. Ackermann T. 2005. Wind Power in power systems. Angleterre : John Wiley & Sons Ltd. 961 p.

4. Wildi, T. 2005. Électrotechnique. 4e édition. Laval : Édition SK. 1215p.

5. CSA. 2002. Code canadien de l’électricité. Toronto : Association canadienne de normalisation. 597p.

1. Ouhrouche M. 2009. Notes de cours Électrotechnique II. Module d'ingénierie, Université du Québec à

Chicoutimi

2. Ouhrouche M. 2009. Notes de cours Électronique de puissance. Module d'ingénierie, Université du Québec

à Chicoutimi

3. Fofana I. 2008. Notes de cours Transport et exploitation de l'énergie. Module d'ingénierie, Université du

Québec à Chicoutimi

4. Bui H.T. 2008. Notes de cours Électronique II. Module d'ingénierie, Université du Québec à Chicoutimi

1. Multon B., Roboam X., Dakyo B., Nichita C., Gergaud O., Ben Hamed H. Aérogénérateurs électriques. IN

Techniques de l’ingénieur. Paris : Techniques de l’ingénieur. No vol. D3960

2. Noël, J-M. Énergie éolienne pour la fourniture d’électricité. IN Techniques de l’ingénieur. Paris :

Techniques de l’ingénieur. No vol. BE8585

3. Rapin M., Leconte P. Éolienne. IN Techniques de l’ingénieur. Paris : Techniques de l’ingénieur. No vol.

B4640v2




6.4 Sites web

1. DIGIKEY. Digi-Key Canada. [En ligne]. [http://parts.digikey.ca/]. Consulté le 23 septembre 2009

2. APPLIED MAGNET. Magnet 4 Less. [En ligne]. [http://www.magnet4less.com/index.php?cPath=8].

Consulté le 23 septembre 2009

3. INSPEED. Inspeed wind sensor, hand held wind meter, anemometer, storm chaser, weather instruments.

[En ligne]. [http://www.inspeed.com/]. Consulté le 23 septembre 2009

4. AUTOMATIONDIRECT. Automation Direct. [En ligne]. [http://www.automationdirect.com/]. Consulté le

23 septembre 2009




ANNEXE A










ANNEXE B













Documents

P 6GIN555 PROJET DE SYNTHESE D INGENIERIE - … · L’utilisation de génératrices à combustion est le système le plus simple à utiliser pour alimenter des chalets, par exemple