Tp Variateur Industriel en u Sur f s Violin-A Cuniere

8/15/2019 Tp Variateur Industriel en u Sur f s Violin-A Cuniere

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MISE EN OETIVRE ET ESSAIS D'TJNENTRAINEMENT A VITESSE VARIABLED'UNE CHARGE VISQUEUSN PAR MACHINN ASYNCHROIYE

Lycée Pierre de Coùbertin à MetuxAlrin CunièreSamuel Viollin

cénie ElectriqueSection e BTS Electrotechniqu€

PREAMBULE:Les entralnements vitesse variable éalisés par machine asynchrone l variateur associé ans a gamme de quelques ilowattssont devenus ourants n milieu ndustriel. ussi, l nous paraît ndispensable, ans e cadre des essais e systèmes, e mettreen oeuvre e q?e d'entraînementDeux stralégies e commande es machines onnent aissance deux amilles e variateurs

.à commande ectorielle e lux

.à commande n U/f .

Cette dernière echnique plus simple du point de vue théorique peut être abordée en TS 2em année dès que les étudiantspossèdent es prérequis uivants

.Machine asynchrone vitesse ariable lirnentée ar un réseau inusoidal.oSchéma

quivalent onophasé u du stator..Principe de a commande n modulation e argeur 'impulsion es onduleurs riphasés.

Les qualités e a commande n U/f sont bien adaptées our 'entrahement e charge résentant n faible couple aux bassesvitesses. n pourra acilement ouver dans os ycées e matériel orrespondant ce q?e de charge.

OBIECTIFS DE L'ESSAI DE SYSTEMELe déroulement e cet essai e système st prél,u ur un cycle de quatre éances e quatre eures.Les étudiants peuvent être en binôme ou en rinôme.

rler séance ldentificationmécanique u banc.Identification électrique de a machine asynchrone.

r2em séance Simulation ur Simulink de a réponse u banc à une ampe e réquence.o3em éance Simulation ur Circuit de 'onduleur riphasé yant our charge a machine

en égime permanent.o4em éance Réglages u variateur t essais n charge.

Objectifs:A I'issue e ce cycle 'étudiant dewa être capable

.d'identifier 'entraînement 'un point de .lre mécanique flottement ec, oefficient eliottement isqueux inertie.

.d'identifier €s ermes u schéma quivalent.

.de préyoir des égimes ransitoires e vitesse u banc en éponse des consignes € yperampe e iéquence

.de prévoir en régime ermanent

rl'allure des ensions omposées ppliquées la machine.l'allure du courant ppelé t sa phase ar apport u ondamental e a tensionsimple.les valeurs e puissance ransmise u otor de a machine.d€ metffe en oeuvre e vadateur raccordement paramétragerde valider expérimentalement es ésultats imulés

DESCRIPTION DU SYSTEME

ChargeLa charge est constituée par une génératrice courant continu débitant sur une charge héostatique e 1.5 kW sous 220 volts.L'€xcitation est séparée t permanente.

Machine asynchroneMachine ormalisée 'une puissance e 1.5 kW ; 380 Volts entre hases.

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VariateurVariateur'une uissâncee 1.5kW( 4 kVA) demarqueCegelecVNITA utilisant ne echnique e commande e?e U/fet pouvant fonctionneren boucleouverte. Cevariatew sera configurépour fonctionn€r dans equadrant du plancouplevitesse.Ce variateurest alimentéà partirdu réseau riphasé400 volts. L'étageonduleurravaille en modulationde largeurd'impulsions.a modulationest obtenue ar la comparaison'uneporteuseriangulaircavec une modulante inusoldaleasynchrone.

Matériel emesure:Appareillagelassique 'une alled'essaise système.Oscilloscopeumériquessocié.Microordinateurquipé es ogiciels esimulationSIMULINKet CIRCUIT .

TRAVAILDEMANDE:

I)PREPARATION:

l-l) Identificâtiondes ermesdu schéma quivalent

Is Rsr OSI l-1-1) Montrer ommentd€ntifier'ensemblees ermes n

réalisantunessai usynchronisme.un essaiotorbloqué.

l-l-2)Proposer n schémaemiseenoeuwede cesessais.

1-2 Identificationmécaniqueu banc

La machinesynchronestalimentéen ensionsinusoidalesOn vouspropose e réaliser e réglagede la chargede façonà travailleraux 2/3 environde la puissance ominalede la

machineafind'éviter'échauffemente a machineorsdesnombreuxégimesransitoires)I-2-l)Montrerqu€ a génératriceébitanturchargehéostatiqueonstituenecharge e ype

visqueuxelleque T6 KlQl-2-2)Proposernemesure es rottementsecs.I-2-3)La charge tant églée emanièrenvariante,ontret ommentdentifierpartird'essaise âché éalisés

pourdeuxvitessesnitialesensiblementifférentese coeflicient erottement isqueuxt e momentd'inertie.

l-3 ) Réglageâriateur:

Lamachinee doit fonctionneruedans e quadrant duplancouple itesse.On souhaitebtenir a meilleureynamiqueemontée nvitesse our a charge.a porteuse era églée 2.9kH2.

.Lacompensation€schutes e ensionésistive era hoisi automatique.

.A partirdes ndicationsonstructeursroposernevaleurd€spar:rmèûesuivantsBitsbo à b8 .RegistresPrOà Pr6 .

2) ESSAISD'IDENTIFICATION

Procéder I'ensembleesessais révus npréparation.

3)SIMULATION

3-1)Simulatione â partieonduleurriphssé

La chargede l,onduleurriphasé erasimulée ourles soisphases e la machine elone schéma quivalentdentifié.Lasimulationse erapour une réquenceixede 50 Hz de a tensiond'alimentâtionmoteur'

.3-l-l) À I'aidedu logicielde simulationCircuit,déhnirun onduleur omrnandé nmodulatioDaturelle vecunefiéquenc€orteuse e2.9kHz

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cdsll5 nz e


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.3-l-2)Releverarsimulation'allureesgrandeursuivantes

.tension omposée23ocourantimpleopuissanceoyenneransmise urotor.

3-2) Simulrtiond'évolutiond€ â vitesse u banc (Poursimplifier,on néglige a résistancelâtoriqueansunpremieremps)

de courant ans a machine. ourcomprendree principeutiliséon peut

ls= r-]2-la:\ôLs'rsb=V r/(il-rrD.+Rt/s)ce:3.11212.R2lsos

Avec a relation3)on obtient:(12+12R2/jgL2aù=YtôLZos

Associéeux elationsl) et (2)onpeuten irer e diagrammeu cercle uivant

La construction ssociée la relation3) forme un triangleectângle. e plus,si V1/fr=cte,e pointM se déplace ur uncercle.A l'examen u diagramme,n observeuepour imiter ecourant lficaces, l faut ixere pointM.A Vl/fs:cte, et Àglissementonné, i on fixela fréquences, e pointM et donc e courants sont ixés.Leprincipede a commandeonsiste oncà lirniter'amplitudee a consigneréquenceèsque a mesure ucourant onneIs:IsmaxParexemple,endantout e démarrage,n mposea longueuru segrnent B donc

La simulationdoit prendreen compte lalimitationécrire d'après eschémaéquivalent

( l )(2)(3)(4 )

d'oir

gos:cte=(os-cros)*pcrs

P(O5-O)=çte

L'écart ntre aconsigneiéquence t avitesse stalors onservé.

Le coupleestégalementonstant: Ce:3p.lDl2.R2/gos

La montée n vit€sseroduisantnediminutionuglissementonduit la diminutionu courants.La commandeeut aisser roître a rampe e consigneléquence i la valeurinaledemandée'estpasatternte.

Vos essourcesimulinksont

*r-|-fiÎMAS

Vl eff Cews ls

ol-aibrairiedesblocsSimulink.oUnbloc"MAS"dont esvariabl€s'enféesont

Vl : valeurefficace e a ension 'alimentationarphase.


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Les variables e sortie sont.Ce : le couple lectromagnétique n égime permanenl ssu du schéma monophasé quivalent..ls : Ie courant tatorique ar phase

Les paramètres e passage ont R5, Lg , R2, L2, p ..Un bloc générateurde consigne réquence

dont a sortie ecopie a valeur de 'entrée onsigne0-10 selon l'état 0/1 de l'entrée de contrôle

p€rmettant e bloquer 'applicâtion e la consigne.Ce bloc impose en particulier une rampeminimale de 120 Hz pour 0.2 secondecorrespondant u réglage éel du variateur.

rUn bloc loi U/f modiliée

générateur econsrgnelrequence

)---}l

l/loi Uifmodifiéedont la sortie adapte a tension d'alimentation duMAS à la consigne e façon à maintenir e fluxd'enhefer onstant our rs:3.6 W à toutes esvltesses

Travâil demandé(on considère e régime permanent tteint our es coumnts t e flux, vis à vis des variations es grandeurs écaniques)

o3-2-l ) Construire e modèle e simulation our satisfaie:.à I'alimentation n U/fde la machine ar a consigne..aux équations écaniques u banc..à la limitation du courant statorique ans ne ourchette ,3 à 6 A pendant e démarrage.

o3-2-2) Simuler t visualiser e, s, ro5,Q pour es deux cas suivants.résistance tâtorique s=o.résistance tatorique s=3.6 O.

o3-2-3 ) En vous aidant des conclusions nspirées ar la lecture du diagramme u cercle simplifié, comrnenterl'influence e s sur Ce et Is et 'influence e a consigne ur Ce et Is dans e cas d'une limentation n U/f constânt.

.3-2-4 ) Modifier e modèle e simulation n utilisant e bloc associé la loi de compensation .I.Simuler t compar€r vec es ésultats récédents.

4 ) ESSAIS DE VALIDATION

Reproduire es essais e démarrage ans es conditions e églages oihcidant vec eux de a simulation t relever es mêmessrandeurs savoir

ola ension omposée 23.ole courant imple l..la vitesse e a machine n onction u temDs.

C J


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ELEMENTS DE CORRECTION

I ) PREPARATION :

l-1 ) identification des ermes du schéma quivâlent

.1-l-l) L'essai u synchronisme ermet 'identifier 'inductance yclique tatorique t a résistance quivalente edissipation es pertes er .

Rss Vm\ ,

vm= {vt -Rs ts osg}2. Rstss inp) ?

2Vm

Kpr= ôP-RsIs'

' , 2t'=ffiars.Ls

L'essai otor bloqué permet de déterminer a résistance otorique et l'inductance de fuites otale rotorique. ( au me de la valeur

de Rpf, celle-ci sera dorénavant négligée) t----------

.l-l -2 ) On propose e schéma uivant

Le moteur à courant conlinu dont on aura changé e sens de I'excitation permettra 'essai à rotor bloqué .

l-2 ) Identilicâtion du banc :

. l-2-l) A excitation onstante n a:

Tem=KI =KE/(R+r) :K2 (CùR+r) =KvO

.l-2-2) La machine courant ontinuétant excitée t à vide, entralnée ar a machine synchrone, n mesure E et Opour en déduke mmédiatement a valeur K. La Mcc étant recablée n moteur on mesure e courant nécessaire ourcommencer toumer. Mesurant e courant e décollage, n en déduit e couple e rottement ec.

.l-2-3 ) Identification es nerties amenées ur 'arbre et du coefficient y.Il faut éaliser eux essais e " lâché . L'essai est effectué la vitesse ominale.L'essai 'est éalisé Dour ne vitesse nitialed'environ a moitié de a vitesse ominale.

lz OsI


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on écrit lTm: JdO/ dt : - T15- Ky.O11

dans ette €lation Tfs est e coupl€ de rottem€nt ec en N.m, Kv est e coefficient e rottement isqueux n N.m/rd/s.Une ois résolue, etteéquation ifférentielle u premier rdredonne 'expression e a vitesse.On obtient

Qm = O irsxp(- kv/)t ) - Tfs/Kv*( l-exp CKv/I)t )

A l'originedes emps n sait que a vitesse stOl pour 'essai et c)2 pour 'essai . Les pentes l'originedes emps al€ntrespectivement l et a2. On démontre ue

Avec 16 courant e décollage:

K y / l : a 1 - a 2 / f l 2 - o - 1

Tfy/Kv=CJlKv ).al+ Ol

Tfs = KId

l-3 ) Réglage ariateur :

Réglage its

b0 sélectionne a grandeur sservie nboucle ermée. Mode asservissement e vitesse bO:lbl sélectionne e R?e de démarrage. anuel avec un bouton oussoir: bl =lb2, b7 ces deux bits sont associés our choisir e ype d'anêt b24 b7=l mode oue ibreb3 permet e compenser a chute e ension e nanière xe ou dépendante u courant ppelé

b3:0 choix du mode automatiqueb4 détermine a grandeur ome 24 : fiéquence mini ou ordre de marche. églage ndifférentb5 sélectionn€ e mode boucle uverte u boucl€ ermée Ici b5: l, fonctionnement nboucle ouv€rteb6 sélectionne e variateur n maîfe ou en esclave. 6:0 mode maîtrebE choisi a grandeur ffichée b8:0 affiche a fréquence.

Réglage egistres

PrO ègle a Iiéquence minirnale. ci N = 0 HzPrl règle a fiéquence maximale. ci 50 HzPr2 Règle a rampe 'accélération On choisit e temps minimum 0.2 seconde our

passer e 0 Hz à FLS fiéquence imite supérieure ci 120 Hz )Pr3 règle e temps de décélération. églage ndifférent ciPr4 limite a valeur du courant e surcharge upporté endant 0 secondes Ici 150Pr5 limite a valeur du courant ormal maximum. ci 105 de n moteurPr6 limite a valeur de a compensation e ension ux aibles itesses. ci le mode

automatique st etenu Rs.Inom=3,6 2,7 x 1.05= 10,2 olts soit 4,6 de UnPr6 = 4,6.

2 ) ESSAIS D'IDENTIFICATION

2-1 ) Identilication des ermes du schéma quivalent

.2- - I ) Essai u svnchronisme

les valeurs mesurées ont tension imple 18 voltscourant imple .14 Apuissance bsorbée ar phase 20 wattspuissance éactive ar phase 439 VARpuissance pparente ar phase 46? VAOn en déduit LS=0.34 H

g5 13.5 O

la résislânce tatorique esurée aut Rs=3.6O

5 5


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.2- l-2 ) Essai otor bloqué

les valeurs mesurées ont :

2-2 ) Identification mécanique du banc :

o2-2-l ) mesure des fottements secs

essaipuissance ar phase P:315 wattspuissance éactive par phâse Q= 410 VAtension imple V: 217 voltscourant imple J=2.4 Avitesse nitiale Ol=l 52.9rd/s

pente aF -l48 rd ls2

On en déduit es valeurs uivantes

tension imple 8 voltscourant imple .76 Apuissance bsorbée ar phase 59 wattspuissance éactive ar phase 81 VARpuissance pparente ar phase 105 VAOn en déduit 12=0.034

R 2 : 4 Q

La valeur du courant e décollage st de 0.6 A dans a machine courart continu.Le coemcient e proportionnalité esuré st K=l.lLe couple de rottements ec esl estimé : Cg5:0.66 N

2-2-2 mesure e I inertie on réalise eux essais e âché partir de points en charge

essaipuissance ar phase P= 295 wattspuissance éactive par phase Q: 254 VA

tension imple V: 78 voltscourant imple J:5.2 Avitesse nitiale {lZ= 7 5.7rdlspente a2: - 75.7 d /s2

coefficient e rottement isqueux Kv = 0.045 Nm/rd.s-lmoment inertie J=0.042 slm2

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3 ) SIMULATION3-1) Simulationde s partieonduleur riphssé:

.3-1-l ) Pourcaractériseres différents constituantsn utilise les ermesdu schémaéquivalentet I'essai en charge.Leglissementalant 2,7o/o,laqtar.titéR2/g est xée à 150Q. La tensiond'alimentationdu variateurest de 3x400 volts. Cettetension redressée ilhée conduit à une tension continuede 538 volts. Chaquegénérateur ontinu est régléà 270 volts. LecoefÏicient de réglagede la tensiondoit êhe réglé à l.En effet cela conduit à un fondamentalpourla tensionsimple de valeurefÏicace 190volts. Cettevaleur est nférieure à celle imposée arI'essaien chargemais on nepeutfaire mieux avec ce ypedeMLI.

données onstructeur MLI naturelleasynchroneans njection de rang rois sur la modulante.Poura simulationCIRCUIT"utilisea mêmemodulation. a simulationstdoncsensée.Onproposee schéma uivant

.1 0

i i ^

o3-l-2)On obtientes éponses uivantes

V ( T ) e n t r _ e l É = F c l n r E a À1 E - :

l S D

- 5 1

ï

{ 0 r l

2 ù ù

D

DE

È é d a _ e L t r è c É ,c ,àdr É : i r€cÉ.5. :àd É: - ? t l . èËeq

cédre ? t è,:,Ê=-

tE-a

- É [

7 0

- 1 t 0

- ; ' l

zoô

la valeur efficacedu courantsimple est de 2.2 Alapuissancemoyenne oumie au rotor est de 223 Wparphase

2 0 0 L t O 2 2 0 1 E - 3

le déphasagentre l et U23 estde -36'la ension omposéeondamentalefficaceUh1s6314 volts

zoo 21 o

I(T) iù,lu,rt ,n': ,: 24

F ( T ) r È E i s t à D u - e 1 5


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3-2 Simulation de la téponse du banc à une consigne de fréquenceon propose e modèle suivant :

COMMANDE EN U/f DE LAMACHINEASYNCHRONE

3-2-2 Les éoonses btenues ont es suivantes

ré istance tatoriq e nulle

1 0

I

6

2

0

ré istance tatoriq e

r s = 3 . 6 o h m

0.4 o./ts

consrgnê

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.3-2-3 ) A partir du schéma quivalent onophasé implifié on peut établû a Ielation uivantev1 : os.[ ((r5.R2/L9-L2.o1.0r5)2(R2.os+(L2+Ls or.rs/L P )t (WP* Qz.a1p 1ll2tDs:L5.Im:Vm/ros

La présence une ésistânce tâtorique on nulle a tendance défluxer a machine et donc à dégrader a valeur du couple.

.3-2-4 ) On propose es modifications uivantes

les éponses btenues ont es suivantes

COMTIIANDE N U f DE LAMACHINE SYNCHRONE

AVEC COTIPENSATION I

rs = 3 .6 ohms e l comP€nsa l ion l

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4 ) Essais e validation

4-l ) Il y a une difïiculté pour mesurer es valeurs efficaces du fondamental de tension et relever cette valeur dans e temps.Nous avons choisi une sonde solée de tension /200 denière aquelle ous avons placé un opérateur valeur efiicace . Lafréquence de coupure du filtre passe bas est placée à lkHz . Cette méthode ne permet pas de mesurer 'amplitude du premierharmonique e tension avec une bonne précision mais elle utilise un matéri€l qui est répandu dans es sections e STIélectrotechnique. e courant été mesuré irectement partir d'une onde solée. 'évolution e a fiéquence st saisie ur asortie dédiée du variateur.

tension omposée fficace ondamentale hleff--4oo oltscourant imple efiicâce mesuré J1:2.5 Adéphasage ntre U23 11 et J1 -36'

puissance esurée ar phase Pt =315W

puissance ransmise u otor : P2:Pl-Po-Pi = 315-20-22,6:272

Les ormes d'ondes btenues ont es suivantes

Courant imple l et ension omposée 23

NOFM I l s i I - - i - lt , i i

, i l i i -I-f -j_--r l-l r r 1

i iOV+ AF2m

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4-2) Réponse u banc à un€ consigne € fréquenc€

La consigne emandée st une ampe de fréquence e valeur 50 Hz pour 0.0833 ec.On obs€rve ur es elevés ne imitationde la pente nécessaire la limitation du courant statorique. En pratique, a montée à 50 Hz se ait en 0.4 seconde nviron aveccompensation I aux basses itesses.On observe e même omportement u système ous Simulink".

Le temps e démarage st de :0.32 seconde vec ,=00.42 seconde vec ,:3.6c,, sans ompensation I

0.31 seconde vec ,:3.60, avec ompensation ID'un point devue pédagogique, e modèle e simulation roposé ui s'appuie ur des hypothèses implificatrices endant nesimulation ccessible nos étudiants, onduitnéanmoins des ordres e grandeur omparables.

Vitesse C).* = 153 d/s

courant imDle zNdiv

vitesse Omax 153 rd,/s

T

:-+t ,

II

Il

- - i - -

I

I

lI

I- - - r ' - i

1 r

l rr i

-,--:- - --:

Il i

i J i . I: / i , I

1 / - -- r - - - - l - - - r ' - -

l L | |l i l ii - 'r- - r-- *-l-

-r l i l. , 1 . . , , , ' ,' . ' 1 . *

t J i i I

i

I

. . . ' .

o'l.

consigne réquence ',* = 50Hz

o l


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ANNEXES Ressources imulink

limitationrampe

offsetpour ivisionpat zerc

générateur e consigne réquence

MOTEUR SYNCHRONECe

out

ouL2l e

MATLABFunction

b J


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ANNEXES Ressources Matlab

LOI MAT.M

funct ion v : lo i_mat (D,R2,L2 , I rS ' ,s ,p ) ;

k : u ( 1 ) ;W u ( 2 ) ;

w s = 2 * p i * 5 * k ;w r : w S - p * W ;phi :224 / 374;A: ( r s*R2,zLS)L2 *ws*wr ;B:R2 ws+(rs lL5)* (L2+I- t ;* r r-C:R2;D:L2+wr;

v : p h i * s q r t ( ( A ^ 2 + B ^ 2 )( C ^ 2 + D ^ 2 );

MAS3 MAT.M

f u n c t i o n y : m a s 3 m a t ( u , r s , l s , L n , R 2 , L 2 , p j;

% d é c l a r a t i o n d e s p a r a m è t r e s d ' e n t r é e d u p r o q r a m r n eV l e f f : u ( 1 ) ;w s : u ( 2 ) ,W u ( 3 ) ;

o " r - a r - r r l r J r r o i s s e n e n tW s : w s / p ;g : 0 . 0 0 0 0 0 1 - +W s - W )W s ;

3 c a l c u l d u c o u r a n t e f f i c a c e p a r p h a s eA .: ( 1 5 * R 2 l g ) - ( l s * L 2 + w s * w s ) - ( 1 s * L m * w s * w s ) -L m * L 2 * w s * w s )

: ( a s * l l * w s ) + ( r s * L m * w s ) + R 2 * 1 s * w s / g ) +L m * R 2 * w s l g )I 1 : V l e f f * s q r t ( ( R 2 l o ) ^ 2 + ( ( L 2 + L m ) * w s ) ^ 2 )s q r t l A ^ 2 + B ^ 2 )o^ r- : l r- r r r ' l r r r^nr rn l o Âl a r r rnm: . rné l - i . r r rê

C : ( L m * l l * w s * w ŝ 2 +( L m * w s * R 2 / g ) ^ 2 ;D : ( R 2 / q )̂ 2 +( ( L 2 + L m )w s )^ 2 ;C e : 3 * ( R 2 / g ) + 1 / W s ) * L /\ ( R 2 / q ) 2 +l L 2 * v r s )2 ) ) * ( I 1 )^ 2 *C / D ;

? cal,cul du vecteur de sort.iey : [ c e , 1 1 ] ;

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