3.2. Présentation de la boite de résistances
A l’intérieur de l’atelier, existe une boite de résistances de puissance variable ventilée en fonction du courant absorbé. C’est un ensemble de résistances dont la variation se fait de manière croissante par échelons, jusqu’à la valeur maximale de la charge que la génératrice peut supporter.
En effet, Lorsque la génératrice débite sur cette charge résistive, apparaît sur son arbre un effort résistant tendant à la ralentir. C’est cet effort de freinage qui est ramené sur l’arbre du moteur de traction à travers un arbre à cardan que nous utiliserons pour en faire une image du couple que l’essieu exerce sur le moteur en ligne.
Par ailleurs, sur ce banc d’essai, un seul moteur sera essayé ; lors des essais, nous n’utiliserons donc que le quart de la puissance de la génératrice lorsqu’elle est accouplée au moteur de traction.
Et donc, La résistance doit être installée de manière à ne pas endommager les composants avoisinants par sa dissipation calorifique.
Une attention particulière doit être apportée à toute manipulation près de la résistance, du fait de la présence d’une tension élevée et du dégagement de chaleur (température de la résistance supérieure à 70°C).
La résistance doit être câblée en série avec une protection thermique calibrée au courant efficace de la résistance pour éviter les risques d’incendie pouvant être provoqués par un dysfonctionnement du transistor de freinage ou un court-circuit.
Elle doit être montée à l’extérieur de l’armoire, au dessus ou au plus près.
Figure 34 : compile des résistances en parallèles Gridex U
C’est un ensemble de dix résistances de type Gridex U, d’une valeur ohmique maximale de 2.35 ohms et d’une puissance maximale de 50KW divisée en blocs, sur dix échelons.
Pour nos essais, Nous utiliserons juste une partie(le quart) de la puissance maximale de la Génératrice qui est de 120 KW au maximum ;(Les caractéristiques mécaniques de la cuve seront données en annexe).Le choix des résistances se fera en fonction de la courbe de puissance de la génératrice, donnée en annexe. Nous choisirons donc une résistance élevée au démarrage (1.9ohms) pour limiter le courant, puis la diminuer à une valeur désirée au régime permanent (1.7ohms).
3.3. Simulation du groupe
3.3.1. Eléments du groupe
Figure 35 : simulation du groupe moteur-générateur
En effet, le groupe proposé forme un variateur complet de vitesse. Il est composé de deux convertisseurs statiques, ayant chacun un générateur d’impulsions, connectés au moteur de traction et à la génératrice principale. Le principe de régulation adopté est celui du PID numérique, dont la conception et le calcul des paramètres sera expliqué ci après.
Lorsque le moteur de traction est sous tension, celui-ci entraine la GP, qui à son tour impose un couple constant opposé au couple moteur. En effet ce couple s’obtient par une valeur donnée du courant d’excitation, imposé par le pont mixte, dont l’angle d’amorçage dépend de celui du pont triphasé, pour contrôler ce dernier : c’est la limitation courant.
La simulation proposée ci haut nous permet d’observer les paramètres du système, pour une valeur de la vitesse choisie aux conditions nominales. Elle a été réalisée avec le logiciel simulink et contient principalement :
Deux convertisseurs statiques l’un composé de six thyristors sur trois bras, et l’autre de deux diodes et deux thyristors.
Un générateur d’impulsions pour le pont triphasé
Figure 36 : générateur d’impulsions triphasées
Ce bloc comprend les trois entrées tension de synchronisation, et une entrée de commande ; quant aux sorties, nous distinguons la sortie impulsionnelle, l’image des six signaux de commande, et les différentes tensions aux bornes de chaque semi-conducteur. Il permet de commander le pont triphasé.
n générateur d’impulsions pour le pont mixte
Figure 37 : générateur d’impulsions monophasées
Comme le premier générateur, il fournit les tensions de commande au pont mixte, permettant de varier le courant d’excitation, et ainsi contrôler le couple moteur. Il comprend un générateur d’impulsion, les entrées de synchronisation, et les deux sorties pour la commande.
Un bloc pour le contrôle et la commande
Figure 38 : bloc de contrôle-commande
Ce bloc est le cœur du groupe ; il capture la vitesse sur l’arbre moteur, la numérise et la compare avec le signal de référence, puis génère le signal de commande qui sera véhiculé aux deux générateurs d’impulsions. En effet, il est constitué d’un régulateur PID numérique dont le calcul des paramètres s’est effectué comme suite.
Calcul des paramètres du correcteur Kp, Ki, Kd
La structure du correcteur PID numérique étant fixée (parallèle), tout comme en correction analogique avec la méthode de Ziegler-Nichols, nous devons déterminer les valeurs des coefficients Kp, Ki, Kd et kd. Pour le choix de ces coefficients, nous avons adopté la méthode de TAKAHASHI.
Cette méthode s’appuie sur l’analyse du comportement du système échantillonné, quand il est soumis à plusieurs tests. Pour réaliser ces tests, nous avons réalisé la boucle suivante, qui représente l’essai de pompage pour la méthode de Ziegler-Nichols, vu que les valeurs des coefficients sont identiques, au temps de stabilisation près.
Figure 39 : essai de pompage
Pour réaliser cet essai, nous avons de part les données fournies par le constructeur et les équations électromécaniques citées au chapitre1, modélisé le moteur de traction, comme une fonction de transfert, ayant une perturbation constante. Celle ci est :
Figure 40 : diagramme bloc simplifié du moteur de traction
A partir d’une entrée en échelon, on part de la valeur du gain proportionnel k = 0 et on l’augmente progressivement jusqu’à la valeur k = k0 qui correspond à la limite de la zone de stabilité c’est-à-dire, à l’apparition d’un régime auto-oscillant.Ce gain k0 correspond à la marge de gain et le régime auto-oscillant s’effectue à la période T0. Les grandeurs k0 et T0 sont les seuls paramètres nécessaires pour régler le correcteur ; dans notre cas, on a noté T0 =0.15s, pour k0=0.3.Le calcul des paramètres de correction s’obtient alors avec le tableau suivant :
Tableau 4: paramètres PID par la méthode de TAKAHASHI
Nous obtenons donc kp=0.18, Ki=2.4 et kd=0.00337.Ces valeurs sont les trois paramètres inclus dans le bloc de contrôle-commande, pour la régulation.
Avec ces valeurs, nous avons donc injecté un échelon de vitesse, et une perturbation après sa stabilisation. La figure suivante nous montre la réponse du système lorsque l’entrée est un échelon de 500 tours par minute.
Figure 41 : réponse en vitesse du système à une perturbation
Un convertisseur de l’angle d’amorçage
Figure 42 : convertisseur d’angle
En fait, cet adaptateur est juste une fonction mathématique qui nous permet, à chaque fois que la tension motrice change, de varier le courant d’excitation, de telle manière que le couple développé reste toujours constant. En effet :
La tension moyenne du moteur étant :
La force électromotrice étant égal à : .
Le couple électromagnétique ramené sur l’arbre du MT-GP est :
La vitesse de rotation sur l’arbre du moteur est égale :
Calcul de k’:
La vitesse de rotation sur l’arbre est alors égale à :
Avec ,nous obtenons
La tension d’excitation de l’inducteur de la Gp est:
,Avec.
Le flux magnétique dans le régime linéaire étant égale à :
Or ,posons Et
, D’où ,et
donc Et
Le résultat du couple serait donc :
Or le moteur étant accouplé à la génératrice, la vitesse est donc identique ; nous pouvons donc inclure l’équation (1) dans (2).
Nous aurons.Tout en sachant que pour limiter la vitesse, et pour limiter le couple.
Pour que ce dernier soit constant, le courant devrait l’être, et le produit des cosinus devrait rester constant : c’est le rôle de l’adaptateur.
Le moteur de traction (en rouge), et La génératrice principale(en bleu), dont les paramètres choisis sont exactement ceux donnés par le constructeur.
Nous avons donc interconnecté les blocs cités ci haut, et les résultats des caractéristiques du moteur de traction sont donnés sur les figures ci-après.
3.3.2. Paramètres électromécaniques, à la vitesse nominale
Tension moteur
Figure 43 : Allure de la tension
La figure ci-dessus obtenue nous permet d’observer l’allure de la tension, qui nous renseigne aussi sur les intervalles de conduction des thyristors utilisés dans le montage. Grace à la courbe obtenue nous voyons que la valeur moyenne de la tension de sortie est d’environ 402V.
Vitesse de rotation
Figure 44 : Allure de la vitesse
La vitesse mesurée sur l’arbre du moteur devra respecter les caractéristiques nominales du moteur de traction (Nn=3100 tr /min soit 324 rad/s). La figure obtenue ci-dessus nous permet d’observer l’oscillation de la vitesse autour de sa valeur nominale, au régime établi. Celle ci est :,mais exhaustive au calculs théoriques.
Couple moteur
Figure 45 : Allure du Couple moteur
En travaillant dans les conditions nominales du moteur traction, la figure ci-dessus nous permet d’observer le couple moyen ramené sur l’arbre du MT-GP oscille autour de 731Nm, valeur peu supérieure au couple nominal imposé. Certes nous avons quelques problèmes du point de vue vibration de ce couple (inférieur à 1Nm), mais ceux-ci sont jugées inoffensifs pour la machine.
Courant moteur
Figure 46: Allure du courant
La Figure ci-dessus nous permet de visualiser la valeur moyenne du courant qui est de 602A.L’oscillation de ce dernier est acceptable, vu que le taux d’ondulation (3%) est nettement faible, ce qui montre que l’inductance de lissage a été bien dimensionnée.
Tensions gâchettes et synchronisation pour le pont triphasé
Figure 47 : allure des impulsions de commande du PD3
La première courbe représente les allures des différentes tensions composés, déphasées de 120° l’une par rapport à l’autre. Nous observerons sur les figures suivantes représentés ci-dessus les différents ordres de commandes des gâchettes des thyristors, T/6 l’une après l’autre. La durée d’une impulsion ne dépassant pas les 40µs.
Paramètres du pont mixte et courant d’excitation génératrice principale
Figure 48: caractéristiques du convertisseur mixte
Les deux premières courbes ci-dessus représentent les différents ordres de commandes des gâchettes des thyristors, tous amorcés chaque T/2.La courbe ci contre représente l’allure de la tension avec les différents intervalles de conduction des thyristors décalés d’un angle d’amorçage. Et la dernière courbe représente l’allure du courant d’excitation de la GP oscillant autour de 10A.
Conclusion
Tout au long de ce chapitre écoulé, nous avons présenté le dimensionnement de la quasi-totalité des équipements de puissance que nous avons choisit pour l’installation, présenté le schéma électrique que nous avons proposé pour ce banc d’essai, et une simulation de tout le groupe pour s’assurer de la fonctionnalité du banc.
