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 Etude transmission

Etude moteur E-teck Didacticiel V1 Millipak SEVCON 

 

Génie I.U.T G.E.I.I Soissons Promotion 2008/2009

Electrique Reveret Gautier, Lenglain Mathieu, Gaspard Phil Mr Sivert

Informatique fichiers : e-kart\sevcon\didacticiel_V1.doc 03.23.76.40.10Industrielle Arnaud.sivert@u-picardie.fr 22/03/2009

www.i.u.t-aisne.fr www.e-kart.fr

 

  

UNIVERSITE DE PICARDIE JULES VERNE INSTITUT UNIVERSITAIRE DE TECHNOLOGIE DE L’AISNE

DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE 13, Avenue François Mitterrand, 02880 CUFFIES

: 03 23 76 40 10 : 03 23 76 40 15 : arnaud.sivert@u-picardie.fr  

 

 

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Cette étude doit permettre aux étudiants de GEII de  comprendre  comment  fonctionne  le variateur de vitesse SEVCON. De plus, il devra aider à la mise en oeuvre de ce variateur pour commander un karting électrique pour d’autres équipes.  Le variateur millipack 4 Q est conçu pour commander des moteurs DC pour des systèmes élévateurs (transpalette électrique, voiture de golf, chariots…). Donc, la documentation constructeur utilise le vocabulaire de ces systèmes tel que :

‐ Tiller : poussoir Timon ou bras d’un transpalette ‐ Belly : Poussoir anti écrasement (coup du béliers) qui permet après action de ce

poussoir en marche arrière de faire avancer le transpalette en avant pendant 2 s pour éviter l’écrasement.

‐ FS1 : (foot Switch accélérateur) ce fin de course permet au karting de ne pas démarrer si FS1 est actionné donc que la pédale est en accélération lors de la mise en route du variateur. Le variateur se mettra en défaut par sécurité.

Nous allons voir les possibilités de ce variateur sur un véhicule correspondant à un karting électrique. I Caractéristiques électriques du variateur pour moteur DC

‐ Hacheur en pont 4 quadrants 48 V avec transistor MOSFET pouvant fournir 325 A pendant 1 minute et 130 A en nominal. Donc le variateur peut commander des moteurs de 6 KW (48V.130A=6240 W) avec une fréquence de hachage de 16 KHz.

‐ Les transistors MOSFET ont pour référence STP80NF10FP peuvent supporter une tension de 100V et des courants de pointe ????

‐ L’électronique du variateur est alimenté par du 24 ou 48 V (fusible 10 A). ‐ L’accélération est commandée par un potentiomètre 5 kΩ (PB6 de chez Curtis) ou par

un module par effet hall propre à SEVCON. ‐ Le freinage électrique peut être commandé par un potentiomètre 5 kΩ ou par un

Switch ‐ Le variateur peut commander 2 contacteurs séparément qui peuvent consommer 2 A

avec 4 A en pointe. Les entrées du variateur sont à logique négative pour des raisons évidentes de sécurité. Donc, si les entrées ne sont pas raccordées à « 0 », elles seront considérés activées par le variateur. De même, s’il y a une erreur de contact sur le potentiomètre (résistance infinie d’ohms) le variateur se met en défaut. Pour toutes ces raisons, il faut faire le câblage et choisir la configuration du variateur en premier lieu. Ces variateurs ne sont pas dépannables car coulée dans une résine spéciale pour améliorer le refroidissement et l'étanchéité du variateur. En cas de panne il faut procéder à un échange standard du variateur. II) rappel sur le fonctionnement des 4 quadrants d’une motorisation III) rappel sur le hacheur en pont

3

IV) Calibrage du variateur Le variateur est programmé par le logiciel PC pack avec une liaison série entre le PC et le variateur ce qui permet de calibrer de nombreux variateur avec une seule unité de programmation. Ce logiciel PC pack2 permet de configurer le variateur et de lire ou de modifier de nombreux paramètre. installer PC pack2 en utilisant le code « Sevcon-engineering » que l’on retrouve dans la version du logiciel. Attention, il y a plusieurs versions. Puis dans le menu Tools\option\protocol choisir dans access level : « type8 » ce qui permet accéder à tous les menus. Brancher la liaison série, vérifier le port COM dans le menu OPTION\connection. Puis, appuyer sur F8 (connections au variateur) puis tous les paramètres du variateur s’affichent. A la fin du dossier tous les menus sont présentés

4

La première chose à faire est de définir les configurations des entrées sorties. Puis de réaliser le câblage du variateur. En effet, - les broches B2 à B7 sont des entrées numériques. - les broches B8 à B9 sont des sorties. - les broches B10 à B11 sont des entrées analogiques. En fonction de votre véhicule, ces broches peuvent être configurées comme sur les tableau suivant de la documentation constructeur [1].

Nous allons voir un exemple simple pour un véhicule qui a besoin d’avancer, reculer. Un contacteur ligne gérera l’alimentation de puissance du variateur. On utilisera la diode électroluminescente du variateur en sortie qui permettra d’avoir l’information de la LED en visuel sur le volant du véhicule. En effet, les différents clignotements de la LED permettent de voir si le variateur est en défaut. Il n’y aura pas de frein à main, mais il y aura un frein à pied mécanique qui indiquera aussi au variateur de freiner électriquement (par un potentiomètre). La configuration 7 sera donc choisie du tableau 5 de la documentation constructeur [1]. B4 (FS1) non utilisé : Il n’y aura pas de freinage lors du relâché de l’accélérateur B5 (Seat) non utilisé : Il n’y aura pas de contact au niveau du siège. B7 (speed cut back 1) : Sur cette entrée, un relais de la carte instrumentation extérieure ouvrira un relais après une détection de défaut de la motorisation (température, Imax, tension batterie…). Donc, on programmera une minimisation de la vitesse à 0% . Remarque : la vitesse est déterminée par la force électromotrice du moteur E= U-RI avec ω (rad/s) =

KE

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B6 (speed cut back 2) : Sur cette entrée un interrupteur sera placé avec une programmation de la minimisation de la vitesse sera de 50% pour des personnes qui font un premier essai. (Interrupteur sur cette entrée qui bridera le véhicule). B8 (line contacteur) : sera ouvert au bout de 10 s, si l’interrupteur de direction est au neutre B9 (led) : les différents clignotements de la led indique les défauts du variateur et indiquera l’instrumentation par le biais d’un microcontrôleur. B10 (accélérateur) : un potentiomètre indiquera la consigne de la régulation de courant donc du couple accélérateur moteur. B11 (freinage) : un potentiomètre indiquera la consigne de freinage prioritaire de la régulation de courant donc du couple de décélération. En effet, le frein à pied peut être commandé de façon analogique par un potentiomètre ou numériquement par un poussoir. On choisira cette première solution qui permet d’avoir un freinage progressif. Ce freinage électrique est bien sur accompagné d’un freinage mécanique. Le tableau 4 de la doc constructeur [1] confirme que la configuration 7 choisi correspond à un véhicule avec 2 entrées de minimisation de la vitesse utilisant la led en externe indiquant les défauts du variateur. Il n’y aura pas de frein à manque de courant pour retenir le véhicule a vitesse nulle, ni de frein à main. Remarque : Lorsqu’on modifie la paramétrage de la configuration avec PC pack , il faut éteindre et rallumer le variateur pour que la configuration soit prise en compte. Il est possible de demander à SEVCON de modifier le programme du microcontrôleur moyennant finance du variateur pour avoir une configuration spécifique. D’ailleurs dans la doc constructeur [1], il y a la configuration 17 pour Briggs et Stratton. On peut voir le câblage électrique du véhicule sur la figure suivante a partir du choix de la configuration précédente.

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Nomenclature

Nomp1

K1

Moteur E-Teck

LD1

F2

Switch 1

Variateur Sevcon

B3

B2

B1

A.U.

F1

B4

Valeur5 K

24V

48V 18Nm

L.E.D

10A

Millipack

12V

12V

12V

200A

200A

12V

CommentairePotentiometre pédale des gaz

Bobine de contacteur 100 th thermique

Moteur de traction courant continu

Inter Marche Avant / Marche Arriere

Variateur 4 quadrants

Batterie

Batterie

Batterie

Bouton d'arret d'urgence

Fusible

Batterie

B1

1

2

B2

1

2

B3

1

2

B4

1

2

F1200A

1

2

Variateur SevconMillipack4 Quadrants

Prise calibrateur

En

tré

es

So

rtie

sS

ortie

s

MOT+15

MOT-16

1

Forward (digital 1)2

Reverse (digital 2)3

FS1/ Belly (digital 3)4

Seat/ Tiller (digital 4)5

Speed Cut Back (digital 5)6

Digital 67

Line Contactor8

Auxiliary Contactor9

Analogue Input 1 (frein)10

Analogue Input 2 (accélérateur)11

12V Output12

Extra Suppression 113

Extra Suppression 214

Horn Suppression15

16

Battery +1

Battery -

2

Ana

log

1

0V

2

Ca

libra

tor

Det

ect

3

+1

0,5

V

4

Clo

ck

5

Da

ta

6

Moteur E-T

48V 18Nm3200tr/min

6kW 8,1cv

M

1

2

KM1A1A2

p1

1 2

3

F210A

1

2

LEDA K

P112

3

X1.1

X1.2

X1.3

X1.4

X1.5

X1.6

X1.7

X1.8

X1.9

X1.10

X1.11

X1.12

X2.1

1

2

X2.2

1

2

X2.3

1

2

PKG 32INT-1

ATU à clef

1

2

KM11/L12/T1

R12700

F3

F4

F5

F6

com1

a 2b 3c 4

Poussoir accelerateur1314

INT-2

ATU 200 A

12

neutre

5 K

calibrateur TTL/RS232

prises 50 A

interrupteur bridage vitesse

Configuration 7

optocoupleur

K2

A1

A2

afficheur LCD

instrumentation

pic 877

5V

capteur

vitesse

capteur température

moteur

mesure tension batterie

capteur température baterie

X1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

fig 0 : Schéma de cablage du variateur avec XRelais

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Maintenant, il y a 19 Menus à configurer en fonction des besoins de notre système avec un certains nombres de sous menus. A la fin du dossier tous les menus sont présentés. 0) Cahiers des charges pour le variateur Le variateur devra commander un karting électrique. On voudra une accélération maximale, une décélération faible mais pas trop longue lorsqu’on relâche la pédale d’accélération. En marche arrière la vitesse sera 4 fois plus faible qu’en avant. Si l’interrupteur de direction est au neutre, le contacteur ligne s’ouvrira au bout de 10 s. Au démarrage du variateur, il faudra que la pédale d’accélération soit à 0, sinon le variateur se mettra en défaut (sécurité). Le contacteur ligne sera alimenté en 24 V Le variateur devra protéger le moteur malgré l’instrumentation externe. 01) Les caractéristiques du moteur. ETEK 48V 140 A (electric motorsport) prix 500 E Le moteur à courant continu est un moteur « pan cake » qui a été développé pour des véhicules de traction par Mr Lynch qui a vendu son procédé (licence) à différent constructeur. La société ASMO vend un moteur lynch de 11,5 KW (72V, 200 A) pour 1400 E. il y a aussi le moteur PMG 132 de chez brigg Straton de 72V, 110 A pour 700 E, notre moteur provient du même constructeur mais il est mieux adapté à nos 4 batteries. - puissance utile nominale de 8,1 CV (6 kW), - alimentation nominale sous 48 V - consommation 140 A en nominal pour développer un couple de 18 Nm. Le courant à vide est de 6A =Ivide, Le moteur peut supporter

‐ un courant max de 330 A pendant 2 min ‐ un courant de 200 A pendant 20 minutes

La constante de couple est de 0.13 N.m/A, la résistance du moteur est de 40 mΩ avec une inductance de 80μH. la constante de temps électrique de 2 ms est négligeable par rapport à la constante de temps mécanique.

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On peut voir sur la figure suivante les différents éléments du moteur

Fig. 01. Description des différents éléments du Motor Etek

L’induit est constitué des deux barres de cuivre plats reliés par une petite barre de cuivre soudé à l’étain. Ces barres de cuivres sont isolées par un vernis. Etant donné que les balais sont sur le mêmes cotés les barres sont pliés par rapport à l’axe pour que courant de l’induit fasse un circuit

Carter  ou culasse moteur 

 

aimant

induit 

carter 

Porte balai

rotor

9

On peut voir sur les photos suivantes le carter avec les aimants plats et l’induit du moteur

Fig 02 : carter avec aimant plat 

Fig 03 : Induit du moteur 

On peut voir sur la figure suivante un induit de moteur E-tek qui a trop chauffé. En effet, celui-ci est raccordé par des lamelles en cuivres soudé à l’étain qui fond à 150°C. Et lorsque le moteur est trop chaud, ces lamelles s’en vont et bloque la rotation du moteur. Ce n’est pas la peine de vouloir braser ces lamelles car le câble plat de l’induit est isolé avec un vernis qui tient seulement 120°C. Il faut mettre un capteur de température au plus prés de l’induit donc à coté des balais pour minimiser la constante de temps thermique.

fig 01 : Induit du moteur E‐tek ou des 

barres se sont déssoudées  

Une protection thermique du moteur peut se faire en mesurant le courant d’induit du moteur. Mais pour cela, il faut caractériser le moteur thermiquement.

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On peut voir les courbes du moteur donné par le constructeur

Grace à cette courbe, on peut voir que le rendement du moteur est supérieur à 80% pour un courant de 40A à 140 A. donc, il faut que le karting tourne dans cette zone de courant pour augmenter son autonomie. Ces courbes sont identiques a celles calculer avec le logiciel « mathcad » que l’on peut voir sur la figure suivante :

0 5 10 15 20 25 30 35 400

0.5

1

PmCr( )

PmCrPmMax( )

w Cr( )

U

KR

Crv

K2⋅−⎛

⎜⎝

⎞⎟⎠

I Cr( )

300

η Cr( )

Crηmax

Cr

Avec UK

RCrv

K2⋅− 367.385=

Rad/s Pm CrPmMax( ) 1.426 104

×=(watt) Imax 1.2 103

×= A

Passons maintenant au paramétrage du variateur.

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Première étape de paramétrage Il faut paramétrer la course du potentiomètre accélérateur sinon le variateur se mettra en défaut et le contacteur ligne s’ouvrira au bout de 10s. Si au point neutre, il y a une accélération lors de la mise sous tension du variateur, Celui-ci se mettra en défaut et la led clignotera 6 fois. Si le potentiomètre est supérieur à 100% de « l’accélération » alors le variateur se coupera. En effet, après 130%, l’accélération repasse à 0%. De plus, s’il n’y a pas de potentiomètre accélération (impédance infinie), le véhicule ne fonctionnera pas car la tension accélération sera bien supérieure à 130%. La caractéristique de l’accélération sera choisi linéaire (menu 12.09 page 34). Dans un premier temps, on ne s’occupera pas du frein à pied électrique donc la configuration des entrées analogiques sera à 1 (menu 12.18 page 21). On activera le contactor Drop out (menu 12.10 page 49) pour qu’une ouverture du contacteur ligne au bout de 10 s (menu 11.06 page 49) lorsque l’inter de direction est point neutre. En effet, la partie puissance du variateur n’a pas besoin d’être alimenté au point neutre. Par sécurité, on activera le Power up (menu 12.08 page 52). Ce paramètre vérifie que lors de la mise sous tension du variateur :

‐ FS1 (poussoir de l’accélérateur relâché) est actionné ‐ la position de l’interrupteur de direction est au neutre.

Pour que le variateur fonctionne il faudra que ces deux conditions soit satisfaites pour raison de sécurité. Avant d’aller plus loin dans le paramétrage du variateur, il faut faire quelques rappels sur les dynamiques du moto variateur

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Rappel sur la transmission de la motorisation du véhicule  

Un  moteur  doit  entrainer  un  karting électrique  par  l’intermédiaire  d’une courroie cranté. La poulie du moteur à Dm=24 dents et  la poulie des  roues  à Da=80 dents. 

Les roues arrière ont un rayon de 12.5 cm. 

Le  moteur  est  alimenté  par  des batteries 48 V par  l’intermédiaire d’un variateur   

fig 1 : Transmission vehicule 

Moteur

Réducteur Dm/Da 24/80

Roue φ =25 cm

601

r2N

roue

roue ⋅⋅π⋅

P absorbée

batterie

P utile moteur

N˜ 3000 tr.mn-1

Nroue (tr.mn-1) Vitesse linéaire (m/s)

Couple moteur Couple meca

(N.m) force resistante (N)

fig 2 : schéma mathématique de la transmission 

 

L’inertie du karting J ramené sur l’arbre moteur a pour équation  

 

J= = 0.28 Kg.m2 (eq 1)

Avec      Dm/Da      (réducteur de vitesse) 

M : masse approximé à 200 kg 

La vitesse linéaire est déterminée par l’équation suivante V=

10003600R

DD

602N

rouea

mmoteur ⋅⋅⋅π⋅⋅

   (eq 2) Avec N vitesse du moteur tr.mn‐1 

Si N=3000 tr. mn‐1=>>V=42 km/h 

Il est possible de changer la poulie du moteur pour augmenter la vitesse linéaire mais on augmente la valeur d’inertie. Mais étant donné que les pistes indoor sont courtes avec de nombreux virages, le véhicule atteint rarement la vitesse en régime établi. Il vaut mieux avoir une vitesse plus faible avec une inertie plus faible pour avoir un couple accélérateur plus important. Un compromis doit etre effectué pour choisir la réduction de vitesse ce qui permet de minimiser le temps au tour lors du challenge. Il est possible de choisir d’autres valeurs de poulies motrices ou d’arbres de transmission pour minimiser le temps pour atteindre 50m en fonction du couple moteur et charge mécanique. Grace au calcul suivant effectué avec le logiciel « Mathcad »,

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D:te-kart \kartingDC.mcd

Arnaud Sivert I.U.T de Soissons

M 188 80+:= Dm 25:= Da 80:=

N 3000:=Rroue 0.125:=

calcul de la réduction de la vitesse

ReducDmDa

:= Reduc 0.313=

calcul de l'inertie ramenée sur l'arbre moteur

JT M RroueDmDa

⋅⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

2⋅:= JT 0.409=

calcul du couple moteur et cu couple de charge mesuré sur du plat

Cm 300 0.13⋅:= Cm 39= Cc 50 0.13⋅:= Cc 6.5=

calcul du temps pour atteindre les 3000 tr/mn du moteur

tacc JTN 2⋅ π⋅

60⋅

1Cm Cc−

⋅:= tacc 3.953=

calcul de la vitesse max linéaire en m/s et km/h avec le réducteur choisi

VmaxN 2⋅ π⋅

60DmDa

⋅ Rroue⋅:= Vmaxkmh Vmax36001000

⋅:=Vmax 12.272= Vmaxkmh 44.179=

calcul de la distance pour le temps d'accélation précédent

DtaccVmaxtacc⋅

2:= Dtacc 24.255=

calcul du temps restant pour faire 50m avec le karting qui a atteint la vitesse max

tre50 Dtacc−

Vmax:= tre 2.098=

calcul du temps total pour faire 50m avec le karting qui a atteint la vitesse max

t50m tacc tre+:= t50m 6.051=

t50m tacc50

Vmaxtacc⋅

2−

Vmax+:=

t50mtacc

250

Vmax+:=

14

calcul du temps total pour faire 50m avec le karting en fonction de la valeur de réduction

Reduc 0.1 0.11, 1..:=

t50m Reduc( )M Rroue Reduc( )⋅[ ]2

⋅N 2⋅ π⋅

60⋅

1Cm Cc−

⋅

250

N 2⋅ π⋅

60Reduc( )⋅ Rroue⋅

+:=t50m

2580

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

6.051=

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.55

10

15

20

25

t50m Reduc( )

25

80

18

65

Reduc

t50m2780

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

6.078=

calcul du temps total pour faire 50m avec le karting en fonction de la valeur de réduction

Reductempsmini50 302

⋅ Cm Cc−( )⋅

N2π

2Rroue3( )⋅⎡⎣ ⎤⎦⋅⎡⎣ ⎤⎦ M⋅

⎡⎢⎢⎣

⎤⎥⎥⎦

1

3

:=

Reductempsmini 0.316=2680

0.325=

15

calcul de la valeur de réduction optimal en fonction de la distance

Distance 10 50..:= 1865

0.277=2580

0.313=

Reductempsmini Distance( )Distance 302

⋅ Cm Cc−( )⋅

N2π

2Rroue3( )⋅⎡⎣ ⎤⎦⋅⎡⎣ ⎤⎦ M⋅

⎡⎢⎢⎣

⎤⎥⎥⎦

1

3

:= 2280

0.275=

Reductempsmini 25( ) 0.251= Reductempsmini 50( ) 0.316=1680

0.2=Reductempsmini 15( ) 0.211=

10 20 30 40 500.15

0.2

0.25

0.3

0.35

18

65Reductempsmini Dis tance( )

15

Dis tance

En conclusion, en fonction des longueurs max de la piste, il faut bien choisir son rapport de réduction pour avoir le meilleur compromis entre la vitesse max et le temps d’accélération. Sur un circuit de 300m avec une dizaine de virage , on peut gagner 3 secondes au tour , avec le bon rapport de réduction. Les kartings thermiques utilisent des transmissions par chaines principalement. Alors que les kartings électriques utilisent en générale une transmission par courroie. Plus la courroie est tendu est plus il y aura de perte mécanique, ce n’est pas le cas de la chaine qui n’est pas tendu. Par contre, les frottements des dents contre la chaine provoquent cette différence de rendement. La transmissions par courroies crantées auraient un rendement de 80%. Lors de la course de dragster qui se déroule sur 500m. On peut voir sur la page suivante un nouveau calcul ou la vitesse max sera de 90 km/h, mais il faudra 19 secondes pour atteindre cette vitesse. Pour augmenter la vitesse, il est possible d’ajouter une cinquième batterie pour avoir une vitesse en régime établi encore plus importante. Il faudra 28 secondes pour atteindre ces 500 m.

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calcul du reducteur pour faire un temps minimum sur une certaine distance de 500m

N 3 103×=

N 3670:=Cm 250 0.13⋅:= Cc 6.5= distance 500:= M 268=

Cm 32.5= R 40 10 3−⋅:=

Nmax48 12+ R 250⋅−

0.13⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

602 π⋅

⋅:=

Reductempsminidistance 302

⋅ Cm Cc−( )⋅

π Rroue3( )⋅⎡⎣ ⎤⎦⎡⎣ ⎤⎦ M⋅ N2⋅ π⋅

⎡⎢⎢⎣

⎤⎥⎥⎦

1

3

:=Nmax 3.673 103×=

Reductempsmini 0.552=

tdistance Reduc( )M Rroue Reduc( )⋅[ ]2

⋅N 2⋅ π⋅

60⋅

1Cm Cc−

⋅

2distance

N 2⋅ π⋅

60Reduc( )⋅ Rroue⋅

+:=

0 0.2 0.4 0.6 0.820

40

60

80

100

120

tdis tance Reduc( )

25

80

40

80

Reduc

tdistance2580

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

36.328=

tdistance4080

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

28.553=

tdistance5080

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

28.742=

tdistance Reductempsmini( ) 28.285=

calcul de la vitesse max linéaire en m/s et km/h avec le réducteur choisi

VmaxN 2⋅ π⋅

60Reductempsmini( )⋅ Rroue⋅:= Vmaxkmh Vmax

36001000

⋅:=Vmax 26.516= Vmaxkmh 95.456=

VmaxN 2⋅ π⋅

604080

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

⋅ Rroue⋅:= Vmaxkmh Vmax36001000

⋅:=Vmax 24.02= Vmaxkmh 86.472=

calcul du temps pour atteindre les 3000 tr/mn du moteur avec la valeur précedente

tacc M Rroue Reductempsmini( )⋅[ ]2⋅

N 2⋅ π⋅

60⋅

1Cm Cc−

⋅:= tacc 18.857=

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Maintenant, que nous avons étudié la transmission mécanique, nous allons faire un rappel sur les dynamiques de la motorisation Rappel sur les dynamiques de la motorisation Toutes motorisations ont besoin de démarrer et s’arrêter. On peut simplifier ces dynamiques par un mouvement appelé un profil trapézoïdal (voir figure ci jointe) avec accélération constante, puis de régime établi (RE) de vitesse et une décélération constante et enfin un temps de repos. 

Nfinal

t dec

N (tr/mn)

Temps (s)t acc t RE

Cmoteur

 fig 3 : Profil trapézoïdal de vitesse 

Le couple moteur est déterminé par l’équation fondamentale de la mécanique suivante :

cm CCdtdJ −=

ω (eq 3) C : couple (N.m) dtdω : accélération angulaire (rad/s2)

Cette équation est identique à la deuxième loi de newton multiplié par le rayon m.a= cm FF

dtdVm −= (eq 4) F : force (N) m : masse (kg) a : accélération linaire (m/s2)

En retournant l’équation (3), on peut connaître le couple demandé à la machine électrique pour les trois phases du profil trapézoïdal.

Accélération

dtdω >0

Régime établi de vitesse

dtdω =0

Décélération

dtdω <0

cm CdtdJC +

ω= cm CC =

cm CdtdJC +ω

−=

Cm>>0 Cm>0 Cm>0 ou Cm<0 Quadrant 1 Quadrant 1 Quadrant 1 Quadrant 2

Tableau 1 : couple moteur en fonction des dynamiques désirées Le couple moteur Cm à l’accélération est très supérieur au couple de charge Cc en régime établi ce qui demande un très grand courant au démarrage (I= Cm /k). Lors de la décélération le couple moteur peut être négatif ce qui impose un freinage électrique par la machine. Donc, le courant sera négatif est il y aura une petite recharge des batteries. Si l’on veut une décélération importante, il aura une valeur de courant importante. Si le temps de décélération est plus long que le temps de l’arrêt en roue libre alors le couple moteur est positif donc la machine fonctionne toujours en moteur. Remarque : le couple de charge pour notre vehicule est toujours résistant par rapport à la vitesse (marche avant ou arrière) donc, il aura pour équation : Cc (N.m) = Csec Signe (ω)          (eq 5)

18

Pour bien comprendre, Nous allons faire un exemple de valeur pour le karting avec un temps d’accélération de 4 s, un temps de décélération de 4 s. Le couple de charge de Cc sera de 9 N.m avec une inertie ramené sur l’arbre du moteur de 0,28 kg.m2. La vitesse du régime établi sera de 3000 tr.mn-1 donc de 314 rad/s.

Accélération

dtdω = 2s/rad5.78

040314

=−−

Régime établi de vitesse

dtdω =0

Décélération

dtdω = 2s/rad5,78

043140

−=−

−

cm CdtdJC +ω

= =31 N.m cm CC = =9 N.m cm C

dtdJC +ω

= =-13 N.m

I= Cm/k=31/0.13=238 A I =69 A I=-100 A Quadrant 1 Quadrant 1 Quadrant 2

Tableau 2 : exemple de couple moteur pour un profil trapézoïdale Comme on peut le voir avec le tableau précédent, lors des variations de dynamique de la vitesse, les courants de la machine DC peuvent être très importants. D’ailleurs pour être un bon motoriste, il faut se mettre à la place du moto variateur et la meilleure analogie est lorsque vous faites du vélo avec un BMX sans frein et sans roulement sur la roue arrière. Pour accélérer, il faut appuyer fort sur la pédale surtout si vous êtes à 3 sur le vélo (la masse est augmenté donc l’inertie). Lorsque le vélo est lancé (régime établi de vitesse) il suffit juste de mettre une force correspondante au frottement des roues sur la route. Par contre pour pouvoir décélérer, il faudra appuyer fort sur la pédale pour pouvoir freiner. Ces courants lors de l’accélération et décélérations sont préjudiciable pour la machine DC. En effet, ces courants provoquerait des étincelles avec projection de matière entre balai et collecteur, voir les balais soudés sur le collecteur de la machine. Par conséquent, il faut commander le moteur en courant pour limiter celui-ci par l’intermédiaire d’une régulation que l’on appel « régulation de couple ». Cette régulation permet de protéger le moteur ainsi que les transistors du variateur. Le moteur commandé en courant sera modélisé par le schéma suivant

CmIm (A) V

-+-

ω Cc (N.m)

k 1 J p

Rroue.Dm Da

Vitesse (m/s) vitesse (rad/s)

Fig 4 : modèle du moteur DC commandé en courant

Maintenant, nous allons voir dans le détail cette régulation de couple

19

Rappel sur la régulation de couple En fait, La régulation de couple correspond à une régulation de courant pour le moteur DC. D’ailleurs, cette régulation fonctionne plus comme une limitation ou saturation de courant En effet, pendant l’accélération et décélération, le courant du moteur sera imposé ou saturé mais dès que la tension sera supérieure à 48 V alors le rapport cyclique du hacheur sera égal à 1 et le courant ne sera plus imposé. Le moteur aura atteint sa vitesse maximum. Le paramétrage du variateur sera en régulation de couple (menu 12.03 page 27) La modélisation du variateur en contrôle de couple correspond au le schéma d’automatique suivant :

PLR1

m ⋅+ Correcteur

aliU

Correcteur

Saturation du courant

Ιmoteur (A)

EB

+ - ε

erreur Consigne (A)

 + 

−

α

Um moy

Chaine de mesure du courant

Hacheur

variateur moteur

(accélérateur) Rampe

k ω (rad/s)  + 

−Mesure image de la vitesse

U-RI

Fig.5 : schéma bloc du variateur en régulation de couple

Avec, la régulation de couple ce n’est pas parce que vous paramétrez un temps accélération ou de décélération que le moto variateur va réaliser ces temps. Cela dépend du couple max (ou courant max, de l’inertie de la charge, du couple de charge). En effet, à partir de l’équation fondamentale de la mécanique, le temps d’accélération sera:

ω−

= ∫ω

dCC

Jdtfinal

0 cm       (eq 6) 

Exemple si le courant moteur est saturé par le variateur à 300 A pour atteindre une vitesse de 314 ras/s avec un couple de charge 9 N.m, le temps de démarrage minimum du karting sera égale à

ω−

= ∫ω

dCC

Jdtfinal

0 cm=

913.0300031428.0−⋅

−⋅ =3 s

20

Nous allons faire différent essais avec le véhicule qui permettra

‐ de vérifier la bonne programmation du variateur ‐ de comprendre le fonctionnement de la régulation de couple ‐ d’identifier les paramètres mécaniques du véhicule.

Essais et mesures. Nous allons donc faire 5 essais : ‐ essai à vide (marche avant avec Acc=1s dec=1s Imax=250 A) vitesse max =3000 tr/mn ‐ essai à vide (marche avant avec Acc=0,1s dec=0.1s Imax=250 A) vitesse max =3000 tr/mn ‐ essai à vide (marche avant avec Acc=1s dec=1s Imax=250 A) vitesse max =1500 tr/mn ‐ essai à vide (marche avant avec Acc=0,1s dec=2s Imax=50 A) vitesse max =3000 tr/mn ‐ essai en charge (marche avant avec Acc=0.1s, dec=4s, Imax=250 A) vitesse max =3000 tr/mn Le courant moteur sera mesuré avec une pince ampère métrique MX 200 qui permet de fournir une tension image de la vitesse de 5mV/A. Attention, la pince ampére métrique ne fournit qu’une image du courant toujours positif. La tension moteur sera mesuré par l’intermédiaire d’un filtre passe bas de fréquence de coupure 5 Hz pour filtrer la fréquence de hachage du variateur de 16 KHz. Pour l’essai en charge, il faut utiliser un oscilloscope numérique portable ou un onduleur 12 V/220 V avec un oscilloscope secteur. Si on veut mesurer courant batterie et courant moteur il faut isoler les entrées de l’oscilloscope 1) Essai à vide (marche avant avec Acc=1s dec=1s Imax=250 A) vitesse max =3000 tr/mn

Fig 6 : essai 1 à vide du moteur en marche avant

A vide, On peut voir que le courant pendant l’accélération est très important mais n’atteint pas la limite de 250 A, la rampe pour atteindre la tension 48 V est bien de 1 s. On peut observer que le courant en régime établi est très faible 8 A donc que le couple de charge est seulement 1 N.m (Cc vide=k.I=0,13.8=1 N.m) Le temps de la décélération est bien celui programmé de 1s On peut voir les commutations du courant haché. La constante de temps électrique du moteur étant faible par rapport à la période commutation provoque une variation du courant non négligeable.

A partir de l’accélération, on peut déterminer approximativement l’inertie de la transmission ramené sur l’arbre moteur

)0s/rad314()0s1()113.0A80(

ddt).CC(J cmontransmissi −

−⋅−⋅=

ω−= =30.10-3 Kg.m2 (eq 7)

Lors de la décélération, le courant du moteur devrait être

tension

courant 

Umax=48V 

Idec=‐70 A

IRE=8 A 

Iacc=80 A 

21

k1)C

dtdJ(I contransmissim ⋅+

ω= =

k1)1

)01(s/ras3140J( ontransmissi ⋅+

−− = -64 A

On retrouve approximativement le courant de freinage mesuré. Cet essai à vide, permettra aussi de vérifier le couple de charge de la transmission (roulement grippé) dans le futur. Maintenant, nous allons diminuer les temps d’accélération et décélération minimales. 2) Essai à vide (En avant avec Acc=0.1s dec=0.75s Imax=250 A) vitesse max =3000 tr/mn

Fig 7 : essai 2 à vide du moteur en marche avant

Avec ces dynamiques, On peut voir que le courant pendant l’accélération est beaucoup plus important que dans l’essai précédent mais n’atteint toujours pas la limite de 250 A en mesure, la rampe pour atteindre la tension 48 V est pratiquement égale à 0.3 s. De même pour la décélération, le courant de freinage est bien plus important que le cas précédent. On aurait pu déterminer le temps d’accélération valeur avec l’équation suivante :

On aurait pu déterminer le temps d’accélération pour le courant max de 250 A avec l’équation suivante :

ω−

= ∫ω

dCC

Jdtfinal

0 cm=

113,0250)0314(1030 3

−⋅−⋅⋅

⋅−

= 0.3 s

Cet essai à vide, permet de voir que le courant de démarrage dépend du courant max d’accélération et non du temps d’accélération programmé car il y a saturation du courant.

Fig 8 : essai 2 à vide du moteur en marche avant

Avec le même paramètre que précédemment. On peut observer le courant batterie sur la figure ci-jointe. On peut considérer que le rendement du variateur est proche de 100% Donc Ibatterie aura pour équation Ibatterie (t)= (Umoteur.Imoteur)/ Ubatterie Par conséquent, si le courant moteur est constant, Ibatterie évolue avec Umoteur. Par contre lorsque Umoteur est constant (régime établie de vitesse) Ibatterie évolue en fonction de Imoteur. Donc, lorsque Umoteur est égale à 48V, le courant moteur et batterie seront identiques.

Tension moteur

Courant moteur

tDec tacc 

Umax=48Imax=250 A 

IRE=8 A 

Tension moteur

Courant batterie

tDec tacc 

Umax=48V 

Imax=160 A 

IRE=8 A 

22

3) Essai à vide (En avant avec Acc=0.1s dec=0,75s Imax=50 A) vitesse max =3000 tr/mn

Fig 9 : essai 3 à vide du moteur en marche avant

Avec ce courant de 50 A, on peut voir que le courant est bien saturé à cette valeur. Donc, le temps d’accélération n’est pas celui programmé dans le variateur. Mais, il peut être déterminé par l’équation suivante ;

ω−

= ∫ω

dCC

Jdtfinal

0 cm=

9.013,050)0314(1030 3

−⋅−⋅⋅

⋅−

=

1,71s

Cet essai à vide, permet de bien voir la saturation de courant de la régulation de couple.

tension

courant 

tDec tacceleration=1,7s 

Umax=48V 

Imax=50 A 

IRE=8 A 

23

4) Essai à vide (En avant avec Acc=1 s dec=1s Imax=50 A) vitesse max =1500 tr/mn Les temps d’accélération et décélérations sont prévus pour atteindre le maximum de la vitesse ou le maximum de la tension du variateur. Par conséquent, si la vitesse programmée est à la moitié de la valeur maximum alors les temps d’accélération sont divisés par 2 aussi.

Fig 10 : essai 4 à vide du moteur en marche avant

Par conséquents les temps d’accélération et de décélération sont bien de 0.5s. La tension en régime établi est bien de 24V. La saturation du courant moteur pendant le temps d’accélération aurait pu être déterminé par :

k1)C

dtdJ(I contransmissim ⋅+

ω= =

Im=k1)1

)01(0s/ras15703.0( ⋅+

−− = 80 A

Cet essai à vide, permet de voir que les temps accélération et de décélération sont proportionnels à la vitesse max.

tension

courant

tDec=0.5tacc=0.5s 

Umax=24V 

Imax=80 A 

IRE=8 A 

24

5) Essai en charge (En avant avec Acc=0.1 s dec=3s Imax=250 A) vitessemax=3000 tr/mn L’essai en charge a été fait sur du plat, sur une route goudronnée.

48V

t dec=6s

U (V)

Temps (s) t acc=4s

t RE

Imoteur (A)

250

50

-82 Fig 6 : essai 5 du moteur en marche avant

Le couple de charge est déterminé grâce au régime établi. (Cc =k.I=0,13.50= 6,5N.m) Ce couple dépend bien sur du type de pneu, du revêtement, du poids du pilote et de la pente de la route.

L’essai en charge permet de vérifier l’inertie du vehicule calculé théoriquement avec l’équation 1

)0s/rad314()0s4()5.613.0A250(

ddt).CC(J cmvehicule −

−⋅−⋅=

ω−= =0.33 Kg.m2

Pour vérifier cette inertie, on peut prendre aussi la décélération

)0s/rad314()0s6()5.613.0A82(

ddt).CC(J cmvehicule −

−⋅−⋅−=

ω−= =0.33 Kg.m2

Cette inertie va permettre de connaître les possibilités d’accélération du véhicule. Ces essais ont permis de bien comprendre la régulation de couple. Par conséquent, pour modifier les dynamiques du vehicule, on peut agir sur la saturation de courant ou sur les temps d’accélérations. Maintenant, il va falloir paramétrer correctement le variateur en fonction des dynamiques demandé à la motorisation pour na jamais atteindre le défaut thermique du moto variateur. Deuxième étape de paramétrage du variateur (dynamique de la motorisation) Maintenant, il faut paramétrer le courant maximum du régulateur et les temps d’accélérations et de décélérations en marche avant et en arrière. Le courant max (menu 0.01 page 27) dépendra du courant équivalent thermique du moteur pendant un cycle, ou du couple équivalent thermique en fonction de l’équation suivante :

∑

∑

=

=

⋅

⋅

= n

1ii

n

1ii

2n

equm

t

t)I(I    ou           

∑

∑

=

=

⋅

⋅

= n

1ii

n

1ii

2n

equ

t

t)C(C

25

Exemple à partir de l’essai en charge du tableau 2 pages 7

Accélération

dtdω

=2s/rad5.78

040314

=−−

Régime établi de vitesse

dtdω

=0

Décélération

dtdω

=2s/rad5,78

043140

−=−

−

cm CdtdJC +ω

==31 N.m

cm CC = =9 N.m cm CdtdJC +ω

==-13 N.m

I= Cm/k=31/0.13=238 A I =69 A I=-100 A Tableau 3 : Le courant équivalent thermique sera égale à :

reposdecreacc

dec2

decre2

reacc2

accequm tttt

t)I(t)I(t)I(I+++

⋅+⋅+⋅= =

041044)100(10)69(4)238( 222

+++⋅−+⋅+⋅ =  132 A

Donc, il faut faire un tour de piste complet en mesurant le courant moteur. Puis, on déterminera le courant max pour ne pas que le variateur se mettent en défaut ou que le relais thermique du contacteur ligne se déclenche. Dans un premier temps, on ne s’occupera pas de ce courant équivalent thermique et on va finir de paramétrer le variateur • Le niveau de freinage lorsque la pédale d’accélération n’est plus actionné sera choisi pour

un courant de 62,5 A (250A*0,25%) avec un temps de décélération de 2 s. En effet, lorsque le niveau de freinage est plus important la courroie saute sur le galet moteur.

• Si le commutateur de direction passe au neutre en marche avant on demandera un

freinage à 25% (250A*25%). De plus, ce freinage permet de maintenir le véhicule pendant 10 secondes. Mais, il faudra attendre que le contacteur ligne se coupe au bout de 10s pour pouvoir le pousser

• On peut brider la vitesse du vehicule en permanence (menu 5.02 page 45). Mais, étant

donné que l’on veut obtenir une vitesse maximum en avant (le menu 5.02 page 45) sera à 100%. Donc la tension d’alimentation maximum au niveau du moteur sera de 48V.

• Par sécurité, la vitesse maximum en marche arrière sera de 30% (menu 5.03 page 45).

Donc la tension d’alimentation maximum en marche arrière au niveau du moteur sera de -14,4V.

• Si le véhicule est dans une descente pour ne pas qu’il bouge on peut demander au moto

variateur de freiner électriquement (anti roll-off menu 11.01 page 57). Par conséquent, on activera ce menu. Par contre, on n’utilisera pas de frein à manque de courant (E.brake), donc le menu 12.05 page 57 roll-off E brake ne sera pas activé.

• Pour pouvoir utiliser un potentiomètre pour le freinage électrique :

‐ Modifier dans paramètre\entrée analogique =3 (menu12.18 page 21) ‐ Régler la tension de la course du potar dans caractéristique\tension pédale de frein

((menu11.12 page 20 ‐ Régler le niveau de freinage électrique dans caractéristique\niveau de freinage pédale

de frein à 125 A. Une valeur plus importante fait sauter la courroie crantée sur la poulie motrice

26

Troisième étape de paramétrage (protection moto variateur) Le variateur mesure la température de son refroidisseur pour protéger ces transistors de puissances. Si la température du refroidisseur est supérieure à 75 °C, il limitera le courant du moteur à un certain pourcentage que l’on peut voir sur la figure 6 pages 59. De plus, le variateur fera clignoter sa led de fonctionnement 8 fois dans ce cas. En plus, le variateur estime l’état thermique du moteur et limitera le courant du moteur ce qui permettra de rentrer au stand en douceur. Donc, moteur cut back sera activé (menu 12.09 page 61) Le moteur (paramètre moteur) lower limit sera fixé arbitrairement =40% Le moteur (paramètre moteur) upper limit sera fixé arbitrairement =70% Pour ne pas partir avec un véhicule déchargé, on programmera le variateur pour qu’il se met en défaut si le la tension est trop basse ou trop haute (en charge) (menu 11.08 page 30) Sécurité sous tension = 47V Coupure sous tension = 45V Sécurité surtension =57V Coupure sur tension =62V Lorsque le courant est très important la tension des batteries peut diminuer de façon non négligeable est la variateur se mettra en défaut. Lorsque le véhicule est en charge électrique, la tension est bien supérieur à 62 V, donc le variateur se met en défaut ceux ci permettra de ne pas partir avec le véhicule en charge et de ne pas détruire les transistors MOSFET avec une tension trop grande à leurs bornes. Quatrième étape de paramétrage (booster le véhicule au démarrage) Le menu 006 correspond au paramétrage du courant max en sortie de la batterie. Or, au démarrage le courant de batterie augmente progressivement en fonction de la vitesse voir l’explication de la figure 8. Donc, il est possible d’utiliser ce paramètre pour avoir un couple accélérateur important juste au démarrage puis de minimiser le courant pour éviter l’échauffement du moteur. On peut voir sur la courbe un essai à vide avec un paramétrage pour un courant d’induit de 250 A max, un courant dans le menu 006 à 50A avec un temps d’accélération et de décélération de 0.1 s, et un courant de freinage de -80A

27

Fig 11 : essai à vide du moteur en marche avant utilisant le menu 006

On peut remarquer que le courant max n’atteint pas 250 A, et il diminue progressivement pour atteindre 50 A lorsque la vitesse est proche du régime établi. Donc, on peut utiliser ce paramètre pour faire un boost au démarrage du véhicule puis de limiter le courant en régime établi pour minimiser l’échauffement du moteur

Conclusions : Cette étude n’est pas exhaustive, le variateur permet une multitude de possibilités que l’on ne peut pas détaillé pour l’instant. Une étude plus détaillé se fera dans un temps futur. On peut voir sur les figures suivantes les différentes fenêtres des menus du variateur SEVCON avec la programmation légèrement différente que celle prévu précédemment car le câblage du potentiomètre de freinage est en court de réalisation. De plus, l’instrumentation extérieure du véhicule réalisé avec différents capteurs autour d’un micro controleur PIC 16F877 n’est pas entièrement câblé. Remerciement L’I.U.T G.E.I.I de Soissons et tous ces étudiants aimeraient remercier l’association e-kart et plus particulièrement Mr et Mme Lequeux qui ont été présent à chaque problème de fiabilité du karting. D’ailleurs sans leurs aides le karting n’aurait jamais pu se présenter au challenge. De plus, l’I.U.T G.E.I.I de Soissons remercie l’Agence SEVCON d’Argenteuil pour leur accueil et leurs explications pour pouvoir maitriser pleinement ce variateur et surtout Mr et Mme Deangelis.

tension

courant

tDec=1s tacc=0.7s 

Umax=48V 

Imax=160 A 

IRE=8 A 

Ilimite=50 A

28

Bibliographies : [1] User Manual Millipak 4QPM controller version 2.5 fichier PDF de 80 pages [2] Millipak 4Q electrical specification fichier PDF de 5 pages Code des produits Variateur millipak 4Q Réf:633T43810 340 Euros UHT Câble TTL/RS232 N°662/14039 Réf:662/14039 325 Euros UHT Logiciel PCpack Module accélération Réf:656/12044 75 Euros UHT Philippe Deangelis Sales & Application Manager Direct +33 (0)1 34 10 92 03 Fax + 33 (0)1 34 10 61 38 Email philippe.deangelis@sevcon.com Web www.sevcon.com

Sevcon SAS 12 rue Jean poulmarch, 95 100 Argenteuil France

29

Les menus caractéristiques

Page Menu Item Valeur

23 0.01 Courant limite induit 250 A

Menu 00E6 100 A

Mosfet marche avant Rds On 11,6

Mosfet marche arrière Rds On 11,6

Mosfet junction temperature coefficient 23

Track resistance 0

28 1.01 Niveau de freinage d'inversion 75%

28 1.02 Niveau de freinage au neutre 10%

28 1.04 Niveau de freinage pedale de frein 50%

26 2.01 Délais d'accélération 0,1s

26 2.02 Drive deceleration delay 0,1s

26 2.03 Direction deceleration delay 0,1s

26 2.04 Neutral deceleration delay 0,1s

25 2.05 Tension accélérateur à zero 0,2V

25 2.06 Tension accélérateur engagé au maximum 3,50V

Vitesse mini accélérateur en consigne 0%

Vitesse maximum 100%

45 5.02 Vitesse maximum en marche arrière 40%

43 6.01 Coupure vitesse 1 50%

43 6.02 Coupure vitesse 2 50%

37 9.01 Temporisation direction assistée 2s

41 10.01 Délais contact de siege 5s

57 11.01 Roll-off enable ON

40 11.02 Vitesse conducteur non accompagné 0%

30

55 11.03 Délais sécurité anti écrasement 1s

46 11.04 Délais démarrage levage progressif 0,1s

46 11.05 Temporisation désengagement levage 2s

49 11.06 Line contactor dropout timer 10s

54 11.07 SRO Delay 2s

65 11.08 Sécurité sous tension batterie 47V

65 11.09 Coupure sous tension batterie 46V

65 11.10 Sécurité surtension batterie 57V

66 11.11 Coupure surtension batterie 62V

30 11.12 Tension pedale de frein à zero 0V

30 11.13 Tension pedale de frein engagé au maximum 1,90V

Les menus état

Les menus de test permettent de verifier le câblage et l’état des entrées.

31

Les menus paramètres qui permettent de configurer le variateur

Page Menu Item Valeur

24 12.01 Selection tension contacteur ON

54 12.02 Sécurité retour point neutre actif OFF

27 12.03 Mode de contrôle Torque

41 12.04 Contact coupure levage contact OFF

57 12.05 Engagement électro-frein sécurité OFF

45 12.06 Reverse speed limit enable ON

53 12.07 FS1 Recycle OFF

52 12.08 Direction switch checking OFF

61 12.09 Motor protection ON

49 12.10 Line contactor dropout ON

34 12.11 Caractéristique accélérateur Linear

38 12.12 Contact vitesse max momentanée Normal

55 12.13 Configuration anti écrasement Normal

37 12.14 Commande interne direction assistée 0

31 12.15 Priorité pédale d'accélérateur Drive (accélérateur)

47 12.16 Buzzer configuration Reverse / Roll off

Menu 00E8

21 12.17 Configuration E/S digitales 1

21 12.18 Configuration entrées analogiques 3

18 12.19 Tension système 48V

32

Le menu protection moteur

Maintenant, c’est à vous de jouer et d’améliorer l’histoire de ce variateur et de ce karting électrique.

‐ Etude thermique du moteur (capteur de température…) ‐ Etude de la protection moteur en mesure le courant thermique. ‐ Changement de poulie au niveau du moteur en fonction des configurations de courses ‐ …

33

QUESTIONS SUR LE KARTING À MOTEUR DC CORRIGÉ

  1) Donner les 4 équations d’un moteur DC et les équations de la puissance électrique et mécaniques: 

ω++= kdtdiLiRum             (1.1) 

ikC cm =               (1.2) 

cm CCdtdJ −=

ω            (1.3) 

Où um et i sont respectivement la tension et le courant induit, R et L sont la résistance et l’inductance de  l’induit, k est  la constante de  la force contre électromotrice, ω et θ sont  la vitesse et  la position angulaire, J et F sont l’inertie et le coefficient de frottement visqueux, Cc est le couple de charge et Cm 

le couple moteur.  

mmelec IUP ⋅=          ω⋅= mmeca CP         (1.4) 

 2) Pourquoi un moteur DC chauffe ? A  cause  de  la  résistance  du moteur  (ici  40.10‐3  ohms),  une  faible  valeur mais  les  courants  sont important. Les pertes par effet joules sont :  

2mperte IRP ⋅=               (1.5) 

P démarrage2300R ⋅= W3600=  

P nominale2120R ⋅= W576=  

  3) Que ce passe t’il si on branche directement le moteur DC sur les batteries ? Au démarrage la vitesse est nulle ω=0 rad/s 

Id m=R1)kU( ⋅ω⋅− = )

104048( 3−⋅

= 1200 A

 Ce  courant  dure  seulement  pendant  le  démarrage  (un  court  instant),  mais  ne  pourra  pas  être supporté par le moteur (étincelle entre le balai et le collecteur). Donc, il faudra mettre un rhéostat de démarrage ou un variateur qui va limiter ce courant de démarrage.  4) De quoi est constitué un variateur pour machines DC ? Un hacheur en pont qui permet de faire varier la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur et de réguler le courant de celui‐ci. 

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 5) Quelle est l’utilité de mettre un réducteur de 0,3 de vitesse au niveau du karting qui limite la vitesse a 42km/h ? Le  réducteur permet d’augmenter  le couple moteur mais diminu  la vitesse maximale. En effet, on peu considérer que le rendement du réducteur est de 100% donc la puissance est la même en entrée et en sortie. Donc si la vitesse est divisée par 0,3 le couple sera multiplié par 0,3 comme le montre la figure ci contre. 

Moteur

Réducteur Dm/Da 24/80 48V.40A=

1920 W

Roue φ =25 cm

601

r2N

roue

roue ⋅⋅π⋅

P absorbée

batterie

Putile=5.366rad/s =1856W

N˜ 3500 tr.mn-1 Nroue =1050 tr.mn-

1

Vitesse linéaire (m/s)

Couple=5 N.m Couple meca=16,6N.m force resistante (N)

Pmeca=16,6.110rad/s =1856W

fig 2 : bilan de puissance de la transmission    6)  Lorsque  le  couple moteur  augmente  alors  le  temps d’accélération diminue. Pour  augmenter  le couple accélérateur que peut on faire au niveau de la programmation du variateur. Diminuer  le paramétrage du temps d’accélération du variateur, mais surtout augmenter  le courant max de la régulation de courtant.  7) Pourquoi ne peut on pas programmer 300A constament au variateur ? Car le moteur ne peut supporter ce courant plus de 2 minutes, et les transistors du MOSFET plus de 30 secondes.  8) Pourquoi lorsqu’on programme le variateur avec un temps d’accélération de 10 secondes, le courant de démarrage est-il faible ?  

Im= KCm = 

k1)C

dtdJ( r ⋅+

ω   donc   si l’accélération 

dtdω

est faible alors Idemarrage sera faible. 

 9) Pourquoi les transistors MOSFET chauffe ?

tationpertecommuIRtransistorP 2drainDSonperte +⋅=          avec      Idrain=Imoteur 

Donc, le variateur chauffe.  10) Pourquoi lorsqu’on freine et lorsque le courant est négatif, le moteur chauffe ? Perte par effet joule (chaleur) = RI² Les  pertes  sont  quadratiques  par  rapport  au  courant,  donc  il  y  a  des  pertes  dans  la machine DC qu’elle soit motrice ou génératrice.     11) Pourquoi lorsqu’on programme le variateur a 300A, le fusible de 200A ne fond pas ? Le fusible est à accompagnement moteur (AM), donc il est temporisé. De plus, le courant programmé est une saturation donc il faudrait connaître le courtant sur un long terme (10 secondes).    12) Comment le variateur détermine la vitesse du moteur. Sans capteur de vitesse ? 

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 En mesurant la tension U moteur et son courtant I en permanence, le variateur détermine la vitesse avec l’équation suivante : 

kI.RU

kE)s/rad( −

==ω  

Il peut donc minimiser la vitesse à une  certaine valeur par programmation.  13) Comment  le relais thermique détecte qu’il faut couper  l’alimentation du moteur avant qu’il soit détruit par la chaleur ? Par  l’intermédiaire d’une bilame qui se courbe en fonction de  la chaleur et coupe  l’alimentation du relais qui alimente la partie puissance du variateur.  14) Comment le variateur détecte le courant de défaut thermique ? Le variateur mesure en permanence  le  courant, et  calcul par  l’intermédiaire d’un microcontrôleur l’échauffement  thermique. De plus,  il minimise  le  courant max en  fonction du  courant  thermique pour que la motorisation fonctionne toujours mais avec des accélérations plus faibles. Ce qui permet au karting de rentrer au stand.  15) Comment le variateur peut sur la même sortie commander un relais 24V et 48V par un simple parentage de celui-ci ? La  sortie  est  hachée  (hacheur  série)  et  elle  peut  donc  alimenter  plusieurs  types  de  bobinages. D’ailleurs,  pour  économiser  l’énergie,  il  y  a  une  tension  brève  à  24V  pour  coller  le  relais  puis  la tension diminue à 16 V ce qui minimise le courant de maintient du relais.  16) Quelle est l’utilité de la LED du variateur ? Elle  clignote  en  fonction  des  défauts  et  permet  de  savoir  comment modifier  le  paramétrage  du variateur en  fonction de  la charge mécanique, des types de batteries, des sollicitations demandées au moteur… Il serait intéressant d’avoir un microcontrôleur qui compte ce clignotement pour traduire ceux‐ci sur un écran LCD…  

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Questions sur le Karting à moteur DC Non corrigé

Pour vérifier que vous avez bien compris la motorisation répondre aux questions suivantes  Au  challenge  E‐kart,  il  y  a  une  épreuve  de rapidité sur 50m avec un départ arrêté.  On  sait  que  la  position  ou  le  déplacement est l’intégration de la vitesse. Le  couple moteur,  la  vitesse  et  la  position sont représenté sur la figure suivante.  

θ deplacement (m)

48V

t dec=6s

U (V)

Temps (s) t acc=s

t RE

Imoteur (A)

300A

50 A

-82

50 m

 La poulie du moteur est de 24 dents, donc l’inertie sera de 0.28 kg.m2 

 1) Dans un premier  temps, nous allons déterminer  le couple de démarrage du moteur Cm pour le courant maximum de 300 A que peut supporter le moteur pendant 2 minutes.  2) Calculer le temps de démarrage approximativement du moteur avec une charge de 9 N.m  3) Calculer le déplacement pendant ce temps démarrage.  4) Après  le démarrage  le moteur est à vitesse  constante à 3000  tr.min, calculer  la vitesse linéaire en régime établi de vitesse, et le temps pour parcourir les 50m  5) En combien de temps le karting aura t il parcouru les 50 m.  6) Refaire les calculs précédents avec une poulie de 32 dents, inertie, tacc, vitesse en régime établi, temps pour parcourir les 50 m   Conclusions :  Serait‐il  intéressant pour  cette épreuve de 50 m de  changer  la poulie Dm  ? (justifier en comparant les couples et l’inertie). Si oui, Quelles nombres de dents pourrait‐on mettre sur cette poulie ?