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Systèmes électromécaniquesIGEE405

Présentation du cours et introduction aux machine électriques

Handy Fortin Blanchette

Professeur

Département de génie électrique

École de technologie supérieure

Automne 2011

8/27/2011 1Tous droit réservés - Handy Fortin

Blanchette

Plan de la présentation


Blanchette

Section 1 : Description du plan de cours

Section 2: Conversion électromécanique et classification des machines électriques

Section 3 : Génération de l’énergie électrique par procédé électromécanique

Section 4 : Applications des actionneurs électromécaniques

Section 5 : Modélisation et simulation des systèmes électromécaniques

Section 1 – Plan de cours


Blanchette

?Où trouver les informations/documents?


Blanchette

Le notes de cours seront disponibles sur Moodle à chaque semaine.www.moodle.polymtl.ca

Les annonces tout au long de la session seront faites par le site Moodle.

http://www.moodle.polymtl.ca/

http://www.moodle.polymtl.ca/

Objectifs du cours


Blanchette

Le cours « Systèmes électromécaniques » offre commeobjectif général une formation en apprentissage et enanalyse des techniques associées à la caractérisation et aufonctionnement des machines électriques utilisées dansdes applications industrielles les plus diverses, qui vont desusines d’épuration des eaux usées aux centrales decogénération d’énergie électrique.

Description dans l’annuaire de l’IGEE


Blanchette

Principe de la conversion d'énergie électromécanique: champ tournant,conditions de génération du couple et types de machines électriques

Caractéristiques structurelles et opération de base des machines à courantcontinu, à réluctance, synchrones et asynchrones

Machine asynchrone triphasée: circuit équivalent et fonctionnement enrégime sinusoïdal; mesurage des paramètres constructifs

Équations généralisées, transformation de Park, réduction de la matrice-inductance exprimée en fonction des paramètres mesurables, formulation enéquations d'état, méthode de simulation numérique; méthodologie du réglagecouple-vitesse (commande vectorielle et commande directe du couple)

Machine synchrone triphasée: circuit équivalent et fonctionnement en régime sinusoïdal, puissances active et réactive; équations généralisées, modèles de Park et analyse du régime transitoire; systèmes d'excitation et réglage de la puissance réactive.

Introduction aux entraînements à vitesse variable des moteurs synchrones etasynchrones

Objectifs des travaux pratiques


Blanchette

Favoriser la compréhension du comportement réel desmachines électriques

Apprendre à utiliser des outils informatiques poursimuler le comportement dynamique des machines

Juger des capacités d’opération de machines dans leursapplications

Pondération du cours


Blanchette

Devoirs (4 obligatoires – préparation des T.P.) 20%

Examen de mi-session (documentation limitée) 20%

Examen final (documentation limitée) 25%

Travaux pratiques :

Exécution des séances et rapports de laboratoire 35%_______

Total : 100%

Description des cours


Blanchette

Sem. Date Sujet Chapitre/

Sections

Devoirs LaboratoireSimul.: A-328Exper.: A-236

1 1er sept.

Introduction aux applications des machines électriques

Chapitre 1 Groupes 1 et 2

Visite du labo2 8 sept. Principes de conversion

électromécaniqueChapitre 2

3 15 sept. Changement de référentiel et modélisation de la machine asynchrone à cage

Chapitre 3 Devoir #1 Groupe 1 - A-236 (J)

Groupe 3 – A-236(V)

4 22 sept. Caractéristiques en régime permanent et transitoire dans la machine asynchrone à cage

Chapitre 4 Groupe 2 - A-236

5 29 sept. Principes de commande de la machine asynchrone à cage



6 6 oct. Révision des notions liées aux transformateurs. Modélisation et caractérisation des machines asynchrone à rotor bobiné.


13 oct. Semaine de relâche

7 20 oct. Examen mi-session

8 27 oct. Principes de commande des machines asynchrones à rotor bobiné

Chapitre 7

9 3 nov. Modélisation et caractérisation des machines à courant continu



10 10 nov. Principes de commande des machines à courant continu


11 17 nov. Modélisation et caractérisation des machines synchrones



12 24 nov. Principes de commande des machines synchrones


13 1er déc. Introduction aux machines synchrones à aimant permanent

Chapitre 12

À confirmer

Examen final

Sommaire des travaux pratiques


Blanchette

Il y a quatre travaux pratiques associés au cours:

Laboratoire #1 - Caractérisation paramétrique d’une machine asynchrone àcage (9%)

Laboratoire #2 - Modélisation et régime transitoire d’une machine asynchroneà cage (9%)

Laboratoire #3 - Opération d’une machine asynchrone à rotor bobiné (9%)

Laboratoire #4 - Machine asynchrone en régime générateur (8%)

Ressources matérielles du laboratoire


Blanchette

Laboratoire d’électrotechnique (A-236):

+ 6 postes de travails identiques+ Instrumentation analogique et numérique

Laboratoire de simulation des réseaux électriques (A-328):

+ 27 stations de travail+ Logiciels : CYME, EMTP-RV, Matlab/Simulink,Power World

Calendrier


Blanchette

Début des travaux pratiques : Jeudi 1 septembre

Visite au laboratoire (A-236), formation des équipes etprise d’information pour la séance A :

Groupe 1 – à 13h45 Groupe 2 – à 14h30 Groupe 3 – à 15h15

Examen de mi-session: Jeudi 20 octobre

La remise des laboratoire se fait dix jours après laréalisation de la séance.

Ressources humaines


Blanchette

Responsable du cours:

Handy Fortin Blanchette – local A-330.4Courriel : [email protected]

Téléphones – Polytechnique : (514) 340-4711 Poste 4077ÉTS : (514) 396-8452

Responsables du laboratoire:

Prof. Khaled Arfa – local A-330.12Alexandre Bertrand, répétiteurNicholas Veerabadren , technicien attitré – local A-246

mailto:[email protected]







Section 2 – Conversion électromécanique et classification

des machines électriques


Blanchette

Conversion de l’énergieélectrique-mécanique


Blanchette

Classification des machines électriques1

[1] Tiré de l’article : O.I. Okoro, Ph.D.1*, M.U. Agu, Ph.D.1, and E. Chinkuni, Ph.D. Basic Principles and Functions of Electrical Machines . The Pacific Journal of Science and Technology Volume 7, Number 1, mai 2006


Blanchette

Applications des machines électriques


Blanchette

Machines asynchronesPompes dans l’industrie du pétrole Ventillation et aspiration Équipement de manutentionpneumatique Compresseur Convoyeurs Broyeurs Scie

Machines synchrones Centrales génération d’énergie Éoliennes Correction du facteur de puissance Régulation de tension des lignesde transmission Servo-moteurs Scie

Machines CCAscenseurs ConvoyeursMachine outil Grues Ventillateur …

Section 3 – Génération de l’énergie électrique par

procédé électromécanique


Blanchette

Génération d’énergie provenant de la conversion électromécanique

- Énergie éolienne- Énergie nucléaire et combustibles fossiles (Charbon, Huile)- Énergie hydraulique- Énergie des vagues- …


Blanchette

Énergie éolienne

[1] Tiré du volume: Wind energy explained: theory, Design and Application. J.F. Manwell, J.G. McGowan, A.L. Rogers[2] Informations tirées du manuel Vestas_V47.pdf.

Éoliennes du manufacturierVESTAS (Danemark)1

+ Contrôle actif du calage des pâles

+ Possède deux machines (une plus petite pour les faibles vents)

Paramètres Générateur de petite taille

Générateur de grande taille

Type de machine Asynchrone Asynchrone

Puissance nominal 200kW 660kW

Fréquence 50Hz 50Hz

Nombre de pôles 4 4

Vitesse de rotation 1500-1516 rpm 1515-1650 rpm

Courant nominal 190A 628A

Tension nominale 690VAC 690VAC


Blanchette

Énergie nucléaire

[1] Tiré du site: http://www.mahalo.com/answers/how-does-a-nuclear-power-plant-control-the-thermal-heat-for-producing-steam

Centrale Gentilly 2 – 675MW

- Réacteur : CANDU-6-Emplacement : Bécancour- Machines utilisées : Synchrone

Centrale Nucléaire – Principe de fonctionnement1


Blanchette

Énergie hydraulique[1] Tiré du site: http://ga.water.usgs.gov/edu/hyhowworks.html

Barrage Daniel Johnson – 1596MW

Centrales

- Manic 5 – 1596 MW- Manic 5PA – 1064MW- Turbine Francis avec machine

synchrone


Blanchette

Énergie provenant des vagues

[1] Tiré du site: http://eecs.oregonstate.edu/


Blanchette

MachineMotor linéaire à aimant permanent

Puissance potentiel du parc (en Oregon)13800 MW

Distance des côtes1 à 3 miles

Profondeur requise de l’océan> 100 pieds

Section 4 – Applications des actionneurs électromécaniques


Blanchette

Bicyclette électrique

+ Batteries : Lithium – Ion (Li-ion) ouNickel – Metal Hybrid (NiMH)

+ Moteur : Machine synchrone à aimant permanent

- 250W (1/3 Hp)- 350W (0.46 Hp)- 500 W (0.67Hp)

+ Contrôleur : Commande vectorielle.Module électrique BionX® installé sur unebicyclette


Blanchette

Véhicules électriques

- Objectif en ville : de 1.02 L/100km(Toyota Prius – 4.6 L/100km)

- Deux machines :- 111kW en traction- 54kW en génération

- Type de batterie- Lithium-ion

- Temps de recharge-4 heures@240V


Blanchette

[1] Tiré du site: http://gm-volt.com/full-specifications.

Chevrolet VOLT

Système de guidage des satellites


Blanchette

ObjectifGuider un satellite à partir de 10 moteursBLDC (BrushLess DC motor)

Puissance des machines1.5 kW en crête

Taille des machinesVolume d’un stylo ‘bic’ (6.28cm3)

Puissance volumique239 MW / m3

Section 5 – Modélisation et simulation des systèmes

électromécaniques


Blanchette

Modélisation et simulation des systèmes électromécaniques


Blanchette

- L’analyse des systèmes complexes comprenant plusieurs machinesélectriques.

- La conception et la validation des nouvelles commandes des machinesélectriques

- L’analyse du comportement des réseaux électriques embarquéscomprenant des entraînements électriques (applications aéronautique)

- Le déverminage des systèmes complexes lors de l’expérimentation

- …

La simulation permet :

Niveau de modélisation des machines électriques

[1] Tiré du site: http://imoose.sourceforge.net/gallery/asm2d-mesh.png

Modèle par éléments finis

Modèle théorique-Utilisé pour l’étude de vastesystèmes (réseaux)- Utilisé pour la simulation en temps réel- Logiciels : SPS, PSIM, PLECS…

- Utilisé pour la conception physique des machines- Permet l’identification directe et l’optimisation des paramètres de la machine- Logiciels : ANSYS-MAXWELL3D-OPERA, JMAG…


Blanchette

Distribution de la densité de flux magnétique Maillage par éléments finis d’un machine asynchrone à cage

Modèle dq de la machine asynchrone

Exemple : Simulation multiphysique de la Toyota Prius dans Simulink® (SPS®)

[1] Tiré du site: http://imoose.sourceforge.net/gallery/asm2d-mesh.png


Blanchette

The 'Ts' parameter used in this model

is set to 6e-5 by the Model Properties Callbacks

Energy ManagementSubsystem

Internal CombustionEngine

Planetary Gear Subsystem

Vehicle Dynamics

Hybrid Electric Vehicle (HEV) Power Train Using Battery Model

Electrical Subsystem

Discrete,

Ts = 6e-005 s.

pow ergui

v

Speed

Sensor2

v

Speed

Sensor1

v

Speed

Sensor

Ca

rrie

r

Sun

Rin

g

?

More Info

[Batt]

[Wmot]

[Wgen]

[Wice]

Torque

[Batt]

[Wmot]

Power

[Wmot]

[Wgen]

[Wgen]

[Wice]

Accelerator

ICE Speed

Gen Speed

Motor Speed

Batt

Motor torque

Gen torque

Throttle ICE

Car

Accel1

Generator peed ref (rpm)

Accelerator

Accelerator

ICE Throttle

Electrical Power (Motor, Generator, Battery )

Driv e torque (ref erence, measured)

Car speed (km/h)

Couple MG2 50kW

Couple MG1 30kW

Modèle de machine à combustion interne (Internal Combustion Engine ICE)

[1] Tiré du modèle: power_HEV_powertrain de Matlab® Simulink® 2009b.


Blanchette

1

Engine

60/(2*pi)

rad/s to rpm

TB

F

T1

Product1

Product

v

Motion Sensor

Inertia

B F

ICE friction

57 kW @ 5000 rpm

ICE

Housing

T_ICEThrottle

Gasoline Engine

Env

Driveline

Environment

1

throttle

Throttle

Engine speed (rpm)

engine power (w)

engine torque (Nm)

Utilisation d’une table pour la caractéristique de couple et de vitesse du moteur en fonction de la variable de commande du moteur

Sortie couple (C)

Sortie vitesse (ω)Contrôle du mélange du MCI

Organe de couplage électrique de la Prius: Le condensateur du lien CC



Blanchette

Hacheur élévateurbidirectionnel (B)

Batteries (A)

Condensateur du lien CC (C) Unité de traction vectorielle (D)

Unité de traction vectorielle (E)

This block is based on the

AC6 IPMSM drive block

This block is based on the AC6

drive block

1

Batt

2

Generator

1

Motor

i+

-

i1

motor

Ctrl

i_a

speed

Torque

demux1

motor

Ctrl

i_a

speed

Torque

demux

T

SIm/SDL1

T

SIm/SDL

PMSM

Motor Drive

PMSM

Generator Drive

1

Motor Enable

Motor Drive 50kW

ioutv out

+

v ref iref

Meas VI3

Generator Drive 30kW

1

Gen Enable

Imot

Vdc

m battery

Igen

Electrical measurements

+ battery

- battery

+Vdc Bus

-Vdc Bus

DC/DC Converter

+

_

m

Battery

4

Generator Speed

3

Torque ref

2

Motor speed

1

Torque Ref

Te

Rotor speed (rpm)

Electromagnetic Torque (Nm)

[measured, ref erence]

Stator current (A)

Te

Rotor speed (rpm)

Electromagnetic Torque (Nm)

[measured, ref erence]

Stator current (A)

Réalisation Simulink SPS du schéma de simulation de la Prius



Blanchette

Condensateur du lien CC (C)

Batterie 21kW (A)

Hacheur élévateur bidirectionnel (B)

Unité de traction vectorielle (D)

Unité de traction vectorielle (E) Couple générateur/moteur

(MG1) 30 kW

Couple générateur/moteur(MG2) 50 kW

Organe de transmission mécanique de la Prius: Train planétaire

[1] Tiré du site: http://www.motortrend.com/


Blanchette

Moteur à combustion interne (ICE)

MG1 – Moteur de génération/traction (30kW)

MG2 – Moteur de traction (50kW)

Traction appliquée sur les roues

http://eahart.com/prius/psd/

Modèle dynamique de la voiture



Blanchette

1

Car Speed km/h

1

Drive Shaft

tire inertia1

tire inertia

0

road angle

-K-

m/s to km/h

Transmision

inertia

BF

Total friction

TB

F

Vx

Fz

Omega

Fx

Tire1

Vx

Fz

Omega

Fx

Tire

Terminator1

Terminator

B F

Simple Gear

Fxf

Fxr

beta

Vx

Fzf

Fzr

Longitudinal

Vehicle Dynamics

Housing

DriveTorque

Goto

B

F2

F1

Differential

Driv e shaf t torque

Différentiel

Modèle de pneu(friction + inertie)

Entrée – Couple (ring gear)

Sortie – Vitessede l’automobile

Système de gestion de l’énergie



Blanchette

3

Throttle ICE

2

Gen torque

1

Motor torque

Torque limitationRate Limiter

En

N*

N

Torque*

Ctrl

ICE Speed Controller

Recharge pow er

Battery Limit

Drive torque

Drive pow er

Motor speed (rad/s)

Generator speed (rad/s)

ICE speed (rad/s)

Motor torque ref

Gen torque ref

Hybrid Enable

ICE speed ref (rpm)

Hybrid Management System

Batt

Battery pow er

Battery limit

Battery Management System

-1

5

Batt

4

Motor Speed

3

Gen Speed

2

ICE Speed

1

Accelerator

Generator speed (rad/s)

Motor speed (rad/s)Motor speed (rad/s)

Required torque

Required drive power

Informations provenant de la batterie (S.O.C. tension)

Vitesse des trois moteurs(MG1, MG2 et MCI) Contrôle du mélange

du MCI

Couple du moteur MG2Couple du

moteur MG1

Résultats de la simulation (0 < t < 2)



Blanchette

0<t<2

Résultats de la simulation 0 < t < 2



Blanchette

À t=0, le conducteur enfoncel’accélérateur à 70%

Traction électriqueseulement car

P<12kW

P>12kW (1.4 sec) –Puissance fournie

par MCI, la batterieet la génératrice

(MG1)

Résultats de la simulation (3.5 < t < 5)



Blanchette

3.5<t<5

Résultats de la simulation 3.5 < t < 5



Blanchette

À t=4s, le conducteurpositionne

l’accélérateur à 10% Le MCI ne pouvantchanger de régime instannément, la

puissance supplémentaire estregénérée dans les batteries (négative)

La puissance requisedevient plus faible. La

traction provientexclusivement du moteur

électrique.

Résultats de la simulation (7.5 < t < 9.5)



Blanchette

7.5<t<9.5

Résultats de la simulation 7.5 < t < 9.5



Blanchette

À t=8s, le conducteurpositionne

l’accélérateur à 85%

Le couple de référence du moteur électrique est plus

élevé que le couple possible. La puissance est limitée par la

batterie (21kW)

Le système de gestion de l’énergie démarre le MCI

pour atteindre la puissance requise

L’ajout du MCI permetd’augmenter le couple du moteur électrique pour atteindre la consigne de

couple du moteur.




Blanchette

9.5<t<11.5




Blanchette

Le conducteurmaintient

l’accélérateur à 85%

La puissance du générateur (30kW) est

transférée graduellementà la batterie, réduisant la

puissance motrice.

Le couple demandé au moteur électrique n’est

plus respecté. Unegrande partie de l’énergiedu générateur est utilisé

pour la recharge de la batterie.

L’état de charge de la batterie atteint 40% à

t=10s (voirsimulation). La

batterie doit êtrerechargée.

Réserve


Blanchette


Blanchette

Machine PrincipaleMachine Secondaire


Blanchette

Centrale Nucléaire – Principe de fonctionnement (aggrandissement)1

systèmes électromécaniques igee405 - cours,...

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