université du québec à chicoutimi rapport final

Université du Québec à Chicoutimi

MODULE D’INGÉNIERIE PROGRAMME GÉNIE ÉLECTRIQUE

6GIN333 – PROJET DE CONCEPTION

Rapport final

# Projet : 2011-280

Conception d’un outil didactique pour l’enseignement de la machine synchrone à aimant permanent

Préparé par

Kévin Harvey et

Michaël Manning

Pour

M. Dany Ouellet, ing. Université du Québec à Chicoutimi

9 décembre 2011

CONSEILLER : Dany Ouellet, ing. COORDONNATEUR : Jacques Paradis, ing.

Approbation du rapport d’étape pour diffusion

Nom du conseiller

Date

Signature

Remerciements Suite au projet, nous tenons à remercier notre conseillé, Dany Ouellet, pour son support tout au long de

ce projet d’ingénierie. Nous tenons également à remercier Richard Martin pour son aide technique tout

au cours du projet. Leurs expertises pratiques et théoriques nous ont été fort utiles et leur disponibilité

nous à permis de renforcer nos connaissances. De plus, l’ambiance de travail à été fort agréable.

Résumé

Sommaire de la problématique et des objectifs

Le responsable de laboratoire en génie cherche constamment différentes façons de moderniser

l’enseignement dans les laboratoires de génie. Une des solutions envisagées est de concevoir un

outil éducationnel qui va donner l’opportunité aux professeurs et chargés de cours, d’enseigner

un nouveau type de moteur disponible sur le marché soit : le moteur à aimants permanents.

L’objectif principal du projet consistait en la réalisation d’un banc d’essai pour l’étude de la

machine synchrone à aimants permanents. Il était également question de mettre en œuvre des

protocoles d’essais nécessaire pour la réalisation d’expérience en laboratoire.

Trois contraintes principales s’imposaient dans ce projet :

1. L’espace disponible est limité (Le prototype doit entrer dans les cabinets LabVolt)

2. Le module doit être compatible en terme de puissance avec les équipements déjà

existant (moteur et générateur Labvolt ¼ HP)

Résumé du travail réalisé

Afin de concevoir l’outil didactique adéquat pour l’enseignement de la machine synchrone à

aimants permanents, plusieurs étapes ont du être réalisées. Tout d’abord, il a été nécessaire de

ce documenter sur les différents aspects du projet comme par exemple, sur le moteur à aimants

permanents, les capteurs à effet Hall, la modulation à largeur d’impulsion, le circuit de puissance

servant à l’alimentation du moteur (onduleur). De plus, nous avons fait la sélection de diverses

composantes utiles au fonctionnement de cette machine. Ensuite, il y a eu la conception du

programme, tout à partir de Matlab Simulink et du logiciel Xilinx, qui fera la commande du banc

d’essai. Suite à cela, nous nous sommes concentrés sur la mise en marche du moteur en plus

d’étudier les différentes possibilités qui s’offrait à nous pour protéger le moteur ainsi que le

reste du montage. En terminant, la rédaction de protocoles de laboratoires a été nécessaire

puisque ce projet a pour fonction de présenter le moteur à aimants permanents aux étudiants

de génie.

Résumé des conclusions

La conception d’un tel outil d’apprentissage sera forte intéressant pour les étudiants de génie et

surtout, il permettra d’apprendre un nouveau type de moteur qui est aujourd’hui, utilisé dans

diverses applications. En sommes, ce projet nous a aussi permis de faire l’apprentissage de ce

moteur, en plus de nous démontrer toutes les étapes de conception qui doivent être réalisées

pour réussir une mise en marche adéquate.

Table des matières

I Introduction .......................................................................................................................................... 8

II Présentation du projet .......................................................................................................................... 8

II.1 Description de l’équipe de travail ................................................................................................. 8

II.2 Problématique et état de l’art reliés au projet ............................................................................. 9

Machine synchrones ......................................................................................................................... 9

Machine à courant continu ............................................................................................................... 9

Machine synchrone à aimant permanent ......................................................................................... 9

Problématique ................................................................................................................................. 10

II.3 Objectifs généraux et spécifiques du projet ............................................................................... 10

III Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet ...................................................... 11

III.1 Éléments de conception .............................................................................................................. 11

Étape 1 : Documentation .................................................................................................................... 11

Moteur à aimants permanents : ..................................................................................................... 11

Capteurs à effet hall : ...................................................................................................................... 13

Onduleur : ....................................................................................................................................... 14

Modulation de largeur d’impulsion : ............................................................................................... 15

Étape 2 : Sélection des modules ......................................................................................................... 15

Étape 3 : Conception de la commande du moteur (Xilinx System Generator) ................................... 19

Modulation à Largeur d’Impulsion (MLI) ........................................................................................ 20

Activation de la marche avant et marche arrière du moteur ......................................................... 21

Rampe sur le potentiomètre ........................................................................................................... 23

Activation de la résistance de freinage : ......................................................................................... 24

Étape 4 : Conception des essais de laboratoire .................................................................................. 25

Étape 5 : Analyse et Mise en marche du prototype ............................................................................ 25

IV Bilan des activités ................................................................................................................................ 27

IV.1 Arrimage formation pratique/universitaire ................................................................................ 27

IV.2 Travail d’équipe ........................................................................................................................... 27

IV.3 Respect de l’échéancier .............................................................................................................. 28

IV.4 Analyse et discussion................................................................................................................... 28

VII Conclusion et recommandations .................................................................................................... 30

Bibliographie ............................................................................................................................................... 31

Liste des tableaux et figures

Figure 1 : Schématique d'une machine à courant continu ........................................................................... 9

Figure 2 : Schématique d'une machine synchrone sans balais ................................................................... 10

Figure 3 : Vu intérieur d’une machine sans balais avec le positionnement des capteurs .......................... 12

Figure 4 : Formes d’ondes à la sortie des capteurs à effet Hall .................................................................. 14

Figure 5 : Schématisation d’un pont onduleur ............................................................................................ 14

Figure 6 : Modulation d’une onde carrée à différents pourcentages ......................................................... 15

Figure 7 : Moteur sans balais à aimants permanents ................................................................................. 16

Figure 8 : Module de contrôle ..................................................................................................................... 18

Figure 9 : Commande globale du moteur effectuée sur Matlab/Simulink ................................................. 19

Figure 10 : Génération des capteurs à effet Hall en simulation .................................................................. 20

Figure 11 : Fonctionnement de la PWM dans Matlab/Simulink avec Xilinx System Generator ................. 20

Figure 12 : Bloc de conception de la PWM ................................................................................................. 21

Figure 13 : Rotation horaire de la machine ................................................................................................. 21

Figure 14 : Rotation antihoraire de la machine .......................................................................................... 22

Figure 15 : Table de vérité pour la marche avant et arrière du moteur ..................................................... 22

Figure 16 : Schéma démontrant la rampe appliquée sur le potentiomètre du FPGA ................................ 23

Figure 17 : Schéma Simulink pour l’activation de la résistance de freinage ............................................... 24

Figure 18 : Formes d'ondes d'entrée et de sortie théorique ...................................................................... 25

Figure 19 : Courant dans les 3 phases du moteur (en charge).................................................................... 26

Figure 20 : Tension dans une phase du moteur (À vide) – PWM = 50% ..................................................... 26

Figure 21 : Échéancier du projet ................................................................................................................. 28

Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées

Module d’ingénierie

6GIN333 – Projet de conception

Rapport Final

Kévin Harvey

Michaël Manning Automne 2011 de 36

I Introduction Le présent rapport fait la synthèse des différentes étapes exécutées pour la réalisation de notre projet

de conception. Tout d’abord, il s’agit d’un banc d’essai qui va permette aux étudiants inscrits dans un

programme d’ingénierie, de mettre en marche une machine synchrone à aimants permanents afin de

découvrir les caractéristiques intéressantes de cette machine. Le rapport explique de façon détaillée

chacune des étapes réalisées tout au long de la session.

Premièrement, le rapport débutera par une présentation globale du projet. Dans cette section, il sera

question d’énoncer la problématique du mandat proposé par le conseiller ainsi que les différents

objectifs qui ont été fixés au départ. Par la suite, il met en évidence chacun des aspects techniques en

décrivant les éléments de conception constituant le prototype. Aussi, il sera intéressant de voir les

différentes simulations exécutées en plus des différentes courbes de mise en marche du moteur. Alors, il

sera possible d’effectuer certaines comparaisons.

Finalement, la dernière partie du rapport fait un portrait global du bilan des activités en y mentionnant

les différentes compétences acquises tout au long du projet ainsi que les difficultés rencontrées par les

membres de l’équipe. Pour mettre fin au rapport, la conclusion fera un survol des objectifs atteints

comparativement aux objectifs initiaux. Elle contiendra aussi des recommandations pour un travail à

venir.

II Présentation du projet

II.1 Description de l’équipe de travail L’équipe de travail pour ce projet est constituée de deux étudiants en génie électrique soit Kévin

Harvey et Michael Manning. Le conseiller de l’équipe et promoteur du projet est M. Dany

Ouellet.




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

Machine synchrones

Le terme "machine synchrone" regroupe toutes les machines dont la vitesse de rotation de

l’arbre de sortie est égale à la fréquence de rotation du champ tournant au stator. Le champ

magnétique du rotor est généré soit par des aimants permanents, soit par un circuit d’excitation

continu. La position du champ magnétique au rotor est alors fixe par rapport au stator, ce qui

impose, en fonctionnement normal, une vitesse de rotation identique entre le rotor et le champ

tournant du stator.

Machine à courant continu

Les machines à courants continues sont composées d’un champ d’inducteur (stator) fixe, créer

par une alimentation en courant continu ou par des aimants permanents, et d’un ensemble

collecteur – balais qui assure mécaniquement la commutation des enroulements au rotor. La

figure suivante montre ce fonctionnement.

Machine synchrone à aimants permanents

Les machines synchrones à aimants permanents sont classées parmi les machines synchrones à

courant alternatifs. Ce type de machines est composé d’un aimant permanent au rotor et

d’enroulements au stator. Cependant, du à cette configuration, il est impossible de faire tourner

le moteur en appliquant seulement une alimentation aux enroulements statoriques. Pour ce

genre de moteur, il est nécessaire d’élaborer une commande électronique afin d’alimenter les

enroulements du stator. De plus, afin d’être en mesure d’alimenter les bons enroulements au

Figure 1 : Schématique d'une machine à courant continu




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stator, il est nécessaire de connaître la position du rotor en tout temps. Cette machine intègre

donc des capteurs de position du rotor (capteur à effet hall ou autre). La figure suivant montre

la configuration de ce type de machine.

Problématique

Présentement, il existe, dans les laboratoires de génie électrique des modules permettant

l’apprentissage de la machine à courant continu, de la machine à courant alternatif (CA) à rotor

bobiné, de la machine CA à cage d’écureuil et de la machine CA synchrone. La problématique se

situe au niveau de l’acquisition de connaissance sur la machine synchrone à aimants

permanents. Ce type de machine comporte des caractéristiques intéressantes et est largement

utilisé dans plusieurs domaines tels la robotique, les voitures hybrides et dans la production

d’énergie éolienne. C’est pourquoi, il serait intéressant pour le Départements de Sciences

Appliquées (DSA) de posséder son module éducationnel afin d’offrir la chance au étudiants

d’acquérir des connaissances sur ce genre de machine.

II.3 Objectifs généraux et spécifiques du projet Voici les objectifs globaux et spécifiques de notre projet :

Globaux : Concevoir un banc d’essai pour un moteur/générateur DC à aimants permanents

Réaliser des protocoles d’expérimentations pour les laboratoires

Spécifiques : Respecter les contraintes d’espaces

Figure 2 : Schématique d'une machine synchrone sans balais




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Effectuer le choix des modules en tenant comptes des appareils existants

Choisir les éléments de protection des circuits électriques (protection du module

d’ondulation)

Programmer le module de contrôle de la vitesse du moteur

Définir les procédures à suivre pour l’apprentissage de la machine synchrone à aimants

permanents.

III Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet

III.1 Éléments de conception Étape 1 : Documentation

Moteur synchrone à aimants permanents :

Caractéristiques principales : Comme énoncé précédemment, le principal défaut des moteurs à

courant continu est la présence des balais qui engendrent des frottements, des parasites, et

limitent la durée de vie du moteur par leur usure. Pour éviter tous ces problèmes, on utilise

des moteurs sans balais.

Fonctionnement : Pour ce genre de machine, les bobines sont alimentées de façon

séquentielle. Cela crée un champ magnétique tournant à la même fréquence que les tensions

d’alimentation. L’aimant permanent du rotor cherche à chaque instant à s’orienter dans le

sens du champ.

Mise en marche : Dans un moteur à courant continu avec balais, l’ensemble collecteur- balais

assure mécaniquement la commutation dans l’alimentation des bobines en fonction de l’angle

du rotor. Dans un moteur sans balais à aimants permanents, cet élément n’existe plus alors il

faut donc créer cette commutation électroniquement. Le système de contrôle électronique

doit donc assurer un démarrage progressif, l’objectif étant toujours de reproduire la fonction

du collecteur. La fréquence des tensions d’alimentations sera donc très basse au départ, puis

augmentée progressivement en tenant compte de la réaction du moteur. Pour mettre en




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œuvre une commutation adéquate pour le démarrage de la machine, l’utilisation des capteurs

à effet hall sera nécessaire.

Régulation de la vitesse du moteur : Globalement, la vitesse maximale d’une machine sans

balais est liée à sa tension d’alimentation. Contrairement à un moteur synchrone triphasé ou

on ajuste la fréquence pour obtenir la vitesse souhaitée, ici c’est la vitesse du moteur qui va

indiquer au contrôleur à quelle fréquence il doit assurer la commutation. Pour réguler la

vitesse d’un moteur sans balais, il faut donc faire varier la tension d’alimentation afin d’ajuster

le courant dans chaque bobinage, tout en maintenant une fréquence de commutation adaptée

à la fréquence de rotation mesurée du moteur. En pratique, les contrôleurs, des machines à

aimants permanents sans balais, les plus performants peuvent intégrer les deux fonctions :

commutation des bobines en fonction des données des capteurs à effet hall, et régulation de la

vitesse en MLI sur l’alimentation de chaque bobine.

Figure 3 : Vu intérieur d’une machine sans balais avec le positionnement des capteurs




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Utilisation : Les machines sans balais sont largement utilisées dans l'industrie, en particulier

dans les servomécanismes des machines-outils et en robotique, où ils ont fait disparaitre les

machines à courant continu. De plus, ils équipent en particulier les disques durs et les graveurs

de DVD. Une forme simplifiée et populaire de ces technologies est utilisée dans les ventilateurs

assurant le refroidissement des microordinateurs. Dans ce cas, le stator (bobiné) est à

l'intérieur et le rotor (comportant les aimants) est à l'extérieur.

Dans le domaine des transports, les moteurs électriques qui équipent les véhicules hybrides

comme la Toyota Prius et la Honda Civic IMA pour assurer, entre autres, le fonctionnement à

faible vitesse. Des moteurs de type sans balais sont également utilisés pour les systèmes de

ventilation/climatisation d'automobiles depuis les années 1990, un des principaux avantages

dans ce cas est leur silence.

Ils équipent également les vélos à assistance électrique, vélos que l'on entraine en pédalant

comme sur un vélo classique mais où un moteur vient aider à l'effort. Certains scooters

présents sur le marché utilisent également ce moteur pour les faibles vitesses ou en

remplacement total du moteur thermique.

Capteurs à effet hall :

Dans les moteurs sans balais, les capteurs à effet hall (3 en général) sont utilisés pour connaitre

à tout moment la position du rotor, et adapter en conséquence l’alimentation des bobines et

le champ magnétique. Le capteur va détecter le passage d’un pôle magnétique, et à partir de

cette information, le circuit de commande électronique assurera la commutation des bobines.

L’utilisation de capteurs à effet hall dans les moteurs sans balais permet une excellente

régulation, cependant l’ajout de ces composants, et le fait qu’il faille les placer très près du

rotor entraine un surcoût et un risque de panne supplémentaire.




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Onduleur :

Un onduleur est un convertisseur statique continu vers alternatif. Il y a deux types d’onduleur :

premièrement, on retrouve l’onduleur autonome qui impose sa propre fréquence à la charge.

L’autre type est un onduleur assisté où la fréquence est imposée par la fréquence du réseau.

Les onduleurs autonomes sont utilisés :

Pour alimenter des moteurs synchrones ou asynchrones pour faire varier la vitesse.

Comme alimentations de secours.

Comme alimentation de dispositifs de chauffage par induction (les fréquences des courants

fournis par ces onduleurs sont comprises entre quelques dizaines de hertz à quelques

centaines de hertz).

Dans notre cas, on utilisera un onduleur de type autonome pour produire un signal de sortie

servant à alimenter notre moteur à aimants permanents avec une fréquence variable afin

d’être en mesure de faire varier la vitesse de la machine.

Figure 4 : Formes d’ondes à la sortie des capteurs à effet Hall

Figure 5 : Schématisation d’un pont onduleur




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Modulation de largeur d’impulsion :

La modulation de largeur d'impulsions (MLI ; en anglais : Pulse Width Modulation, soit PWM),

est une technique couramment utilisée pour synthétiser des signaux continus à l'aide de

circuits à fonctionnement tout ou rien, ou plus généralement à états discrets. Le principe

général est qu'en appliquant une succession d'états discrets pendant des durées bien choisies,

on peut obtenir en moyenne, sur une certaine durée, n'importe quelle valeur intermédiaire

(forme d’ondes sinusoïdale, triangulaire, rectangulaire, etc).

Étape 2 : Sélection des modules

Moteur à aimants permanents :

Au départ, il était question de choisir le moteur qui sera utilisé dans le cadre du projet le plus

rapidement possible en raison des délais de livraisons variant de 4 à 6 semaines. Alors, nous

avons décidé d’opter pour un moteur de la compagnie Maxon. Voici ses principales

caractéristiques :

Puissance : 250 W

Vitesse nominale : 5770 RPM

Tension d’alimentation : 48 Vdc

Courant nominal : 4.82 A

Courant de démarrage : 47,7 A

Figure 6 : Modulation d’une onde carrée à différents pourcentages




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Dans le dimensionnement du moteur, il était important de tenir compte des appareils déjà

utilisés dans les laboratoires afin qu’ils soient compatibles entre eux au niveau puissance,

couple et vitesse. La raison est que nous voulons accoupler le moteur à aimants permanents

avec le dynamomètre afin d’exécuter des essaies en charge. De plus, il sera accouplé avec un

autre type de moteur afin de réaliser des expériences en génératrice.

Poulie crantée :

Avec le moteur choisi, nous savions que la vitesse n’était pas compatible avec les appareils

existants dans le laboratoire de génie électrique. La solution envisagée a été de se procurer

une poulie avec un rapport 2 :1 qui a pour effet de diminuer la vitesse de moitié. Le choix de

cette solution c’est surtout basé sur le cout relié à l’achat d’un réducteur de vitesse pour notre

moteur.

Cout du réducteur de vitesse : 300 $

Cout de la poulie : 20 $

Alors, nous avons opté pour une poulie crantée au lieu du réducteur de vitesse. Suite à cette

acquisition, les courroies présentent au laboratoire, servant pour différents accouplements,

était trop longue. Alors, nous avons fait l’achat d’une nouvelle courroie qui correspondait à nos

dimensions d’accouplement.

Figure 7 : Moteur sans balais à aimants permanents




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Module de contrôle fonctionnant avec interrupteurs IGBT (STGIPS20K60) :

(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor)

Ce module est utilisé dans notre circuit pour onduler la tension DC afin de fournir

l’alimentation adéquate au moteur avec l’aide du MLI. Nous avons sélectionné cette

composante pour différentes raisons :

Ce module possède un comparateur de protection contre les défauts de températures et de

surintensités.

Il contient des fonctions d’arrêt intelligent pour la protection du module et possède un

coefficient de température négatif servant à conserver le seuil du courant nominal même s’il y

a une augmentation de température dans le circuit.

Il est dimensionné pour notre circuit du moteur à aimants permanents et ce, en considérant

des variations de tension et de courant.

De plus, nus avons décidé d’utiliser un module qui était contrôlé avec des transistors de type

IGBT. Les raisons sont que les IGBT sont conçus pour être en mesure de soutenir à des

courants d’appel plutôt élevés. Ensuite, le temps de commutation des IGBT correspond à une

plage de fréquence intéressante pour notre modulation à largeur d’impulsion.

Module de contrôle pour moteur synchrone DC 3 phases :

Afin d’être en mesure de protéger correctement le moteur à aimants permanents, il a été

question d’acheter un module de contrôle près à utiliser. Voici les différents critères qui ont

motivé notre choix :

Ce module fonctionne avec l’onduleur que nous avons choix précédemment

Tous les circuits de protections sont inclus dans le module (Surintensité, surtension, haute

température)

Possibilité de gérer les capteurs à effet Hall à même ce module

Module de redressement de la tension intégrée




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Pour réussir à mettre en fonction ce module de contrôle, il sera nécessaire d’apporter une

modification pour isoler l’alimentation. En raison des différents délais de conception, nous

n’avons pas été en mesure d’utiliser ce module. Alors, il a été nécessaire de trouver une

solution alternative pour faire fonctionner notre banc d’essai du moteur à aimants

permanents. Nous avons donc réalisé un schéma de câblage nous permettant d’utiliser les

équipements présents au laboratoire.

Voici une liste des équipements qui ont été utilisés :

Bloc d’alimentation variable

Module d’ondulation pour le contrôle de l’alimentation du moteur

Module FPGA

Afin de commander le module d’ondulation

correctement, nous avons utilisé le FPGA qui est aussi

fourni dans différents projets d’ingénierie. Ce module a

pour fonction de gérer les impulsions reçues des

capteurs à effet Hall pour ensuite activer la bonne

séquence d’enclenchement des interrupteurs. De plus,

elle nous permet de faire varier la vitesse du moteur en ajustant la modulation à largeur

d’impulsion directement avec le potentiomètre présent sur la boîte.

Note : C’est cette composante qui contiendra la programmation de la commande du moteur.

Figure 8 : Module de contrôle




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Étape 3 : Conception de la commande du moteur (Xilinx System Generator)

Tel que spécifié plus tôt dans le rapport, le machine synchrone à aimants permanents possèdent

des capteurs à effet Hall afin de connaître la position du rotor à chaque instant ce qui permet

d’adapter l’alimentation sur les trois bobines du stator. Pour ce faire, il a fallu concevoir un

programme, à l’aide de Xilinx System Generator, pour être en mesure d’effectuer le traitement

de l’information provenant des capteurs à effet Hall. Ensuite, il fallait acheminer une série

d’impulsions aux interrupteurs du pont onduleur afin de fournir l’alimentation adéquate aux

bobines. Donc, voici un schéma global représentant la commande de la machine sur Simulink.

Au départ, nous désirions effectuer plusieurs tests en mode simulation afin de palier à tous les

problèmes de programmation. Aussi, il était intéressant de valider le bon fonctionnement du

montage Simulink avant de l’implanter sur le moteur. Pour ce faire, nous avons conçu le

programme de façon à pouvoir faire de la simulation sans obtenir le retour des capteurs à effet

Hall du moteur. Alors, nous avons utilisé les blocs ‘’multiplexer’’ qui permettent d’interagir avec

2 entrées différentes : Simulation et temps réel. Pour réussir à entrée en mode simulation, il

fallait reproduire la valeur du potentiomètre (-100 à 100 %) du FPGA ainsi que les formes

Figure 9 : Commande globale du moteur effectuée sur Matlab/Simulink




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d’ondes qui sont généralement obtenues des capteurs à effet Hall de la machine. Voici la

stratégie utilisée :

Description des différentes parties de la commande : Modulation à Largeur d’Impulsion (MLI)

Pour débuter, nous avons conçu une modulation à largeur d’impulsion à partir de 2 compteurs.

Plus précisément, nous avons opté pour une fréquence de 10 KHz en raison des spécifications

fournis avec notre module IGBT (dans la fiche technique, le fabricant recommandait une

fréquence maximale de 20 KHz). Le principe de fonctionnement est qu’on effectue la

comparaison avec l’entrée du potentiomètre et on adapte la sortie en fonction du résultat

obtenue. Afin de bien comprendre, nous avons reproduit le signal de sortie des compteurs et la

valeur du potentiomètre :

Figure 10 : Génération des capteurs à effet Hall en simulation

Figure 11 : Fonctionnement de la PWM dans Matlab/Simulink avec Xilinx System Generator




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Alors, on aperçoit que la valeur du potentiomètre est de 80 % et on remarque l’allure de la

courbe à la sortie du compteur (onde triangulaire). Donc, la sortie sera modulé avec de petite

impulsion jusqu'à 80 % de la courbe du compteur ce qui aura pour effet d’ajuster la vitesse du

moteur à 80 % de sa valeur nominale.

Pour ce qui de la modulation à largeur d’impulsion sur Simulink, nous reproduisons une onde

carrée avec la même largeur de bande. C’est seulement le nombre d’impulsion qui varie sur une

période.

Voici le schéma illustrant la conception du MLI :

Figure 12 : Bloc de conception de la PWM

Activation de la marche avant et marche arrière du moteur

Pour être en mesure de mettre en marche le moteur dans les deux sens, il a fallu tenir compte

des tables de vérités suivantes :

Figure 13 : Rotation horaire de la machine




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Figure 14 : Rotation antihoraire de la machine

Plus spécifiquement, ces deux tableaux nous indiquent lesquels des interrupteurs du pont

onduleur activer, en fonction des impulsions reçues des capteurs à effet Hall afin d’assurer une

commutation adéquate du moteur. De plus, ils nous précisent la séquence d’enclenchement à

suivre pour réussir la mise en marche des deux sens de rotation de la machine.

Voici la façon dont nous avons procédé pour construire ces tables dans Simulink :

Figure 15 : Table de vérité pour la marche avant et arrière du moteur

Étape 3 : Conception de la commande

du moteur (Xilinx)

19




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Rampe sur le potentiomètre

Dans la conception du programme, nous avons introduit une rampe sur le potentiomètre du

FPGA qui permet de réduire les variations brusques de vitesse sur la machine à aimants

permanents. Ainsi, cette fonction prévient les changements de consigne passant du mode direct

vers le mode inverse ou vice-versa. La stratégie utilisée a été d’introduire un délai variant de 0 à

10 secondes pour une variation de -100 à 100 % ou de 100 à - 100 %. Par exemple, si l’utilisateur

décide de faire varier la vitesse de moteur de -100 % à 100 % directement, le moteur diminuera

sa vitesse pour ensuite changer son sens de rotation et se rendre à sa nouvelle consigne de

vitesse et ce, dans un laps de temps égale à 10 secondes. Or, cette programmation évite

d’appliquer des forts courants dans le bobinage du moteur et diminue, par le fait même, les

risques d’endommager la machine.

Voici le schéma illustrant la rampe du potentiomètre dans Simulink :

Figure 16 : Schéma démontrant la rampe appliquée sur le potentiomètre du FPGA




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Activation de la résistance de freinage :

L’utilité d’installer une résistance de freinage directement sur le bus DC est que, lors de la

décélération du moteur, un phénomène de retour de tension sur la source d’alimentation DC est

généré ce qui augmente considérablement la tension ainsi que le courant. Ces variations sont,

sans aucun doute, très nuisibles pour les composantes du circuit. Alors, l’utilisation d’une

résistance de freinage permet de contrôler la puissance qui est retournée vers la source en la

dissipant dans cette même résistance, ce qui a pour effet de limiter l’augmentation de tension

sur le bus DC. De plus, lorsque le moteur est en charge, le fait de dissiper l’énergie dans la

résistance de freinage a pour effet de faire décélérer le moteur beaucoup plus rapidement.

Alors, pour toutes ces raisons, nous avons décidé d’inclure une résistance de freinage lors de nos

essais de fonctionnement.

Voici le montage réalisé dans Matlab/Simulink pour contrôler cette résistance :

Figure 17 : Schéma Simulink pour l’activation de la résistance de freinage

La logique du programme est que, lorsqu’il y a une diminution de la consigne du moteur au- delà

de 3 %, une sortie sur le FPGA est activée et avec cette sortie, on contrôle un MOSFET de

puissance afin d’activer ou désactiver le passage du courant dans la résistance de freinage.




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Étape 4 : Conception des essais de laboratoire Dans cette partie de conception, il était question de donner des idées pour les futurs essais en

laboratoire sur la machine synchrone sans balais. Comme les notions qui seront vues en classes

sur ces machines ne sont pas définies et à quel moment dans le baccalauréat, les idées de

laboratoires sont générales.

[Les énoncés sont disponibles en annexe]

Étape 5 : Analyse et Mise en marche du prototype

Suite à la simulation, nous avons obtenu certaines courbes que nous nous attendons d’obtenir lors

de la mise en marche du moteur. Voici un schéma représentant ses différentes formes d’onde en

théorie :

Après vérification, nous avons fait les branchements nécessaires afin de faire fonctionner le

moteur à aimants permanents. Voici les différentes courbes obtenues à la suite des essais réalisée

en laboratoire sur le prototype réel :

Figure 18 : Formes d'ondes d'entrée et de sortie théorique




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Si on regarde les signaux de courants pratiques dans les trois phases du moteur, on remarque que la

concordance avec les signaux attendus théoriques est frappante. En effet, si on prend la forme d’onde

d’un seul courant, on remarque que le courant est positif (au dessus de l’axe) puis tombe à zéro pour un

moment et devient par la suite négatif. On voit alors sur ces courbes qu’il y a toujours deux phases qui

conduisent, une phase en positif et une phase en négatif.

Figure 19 : Courant dans les 3 phases du moteur (en charge)

Figure 20 : Tension dans une phase du moteur (À vide) – PWM = 50%




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Sur la courbe de tension, on remarque que la ligne du haut montre la tension d’alimentation du moteur

(48Vdc). L’autre signal montre la tension d’alimentation d’une phase par rapport au neutre. On

remarque que la tension est à 0 pendant 50% du temps et à 48Vdc pendant 50%du temps. C’est donc

dire que la tension moyenne envoyée à une phase du moteur est de 24Vdc (PWM=50%). On peut donc

conclure que la tension dans une phase du moteur est égale au ratio de la PWM. Plus la ratio de la PWM

sera grand plus la tension des enroulement seront élevé.

IV Bilan des activités

IV.1 Arrimage formation pratique/universitaire Dans le cadre de projet, la formation universitaire suivie jusqu’à présent nous a été très peu

utile. Cependant, le cours "électrotechnique I" suivi pendant la réalisation du projet nous à

permis de mieux comprendre les différences entre notre moteur synchrone sans balais (BLDC) et

les moteurs à courant continu traditionnel.

Il a été nécessaire de faire beaucoup de recherche et de lecture afin de bien cerner les enjeux du

projet. En fait, le projet nous à principalement servi de période d’apprentissage plutôt que de

période d’application de connaissances. Des cours tels "électronique I" et "système digitaux", en

autre, nous aurait grandement aidé dans la réalisation du projet. Il aurait été plus facile de

mettre en œuvre certain concept utilisé lors du projet.

IV.2 Travail d’équipe Le travail d’équipe s’est somme toute bien déroulé pendant la durée du projet. La recherche et

l’exécution des tâches s’est faites en collaboration afin de tirer le maximum de connaissance.

Les rencontres avec le conseiller se sont déroulées dans le respect. Les décisions relatives au

projet ont été discutées et les choix étaient faits d’un commun accord.




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IV.3 Respect de l’échéancier Dans la majorité des projets, la planification est primordiale afin de s’assurer du respect de

l’échéancier et du suivi des étapes relatifs au développement du projet. Lors de la création de ce

plan, nous avons séparé le projet en plusieurs parties. Voici le diagramme de Gantt qui défini ces

étapes :

Figure 21 : Échéancier du projet

Tous ces éléments ont été divisés sur la durée totale du projet soit 4 mois. Bien que les dates

initiales et finales de celles-ci soient approximatives, nous les avons bien suivis afin de finaliser le

projet dans les temps fixés.

Voici les éléments qui n’ont pu être terminé durant le projet :

1. Nous n’avons pas été en mesure de réaliser la tâche ‘’Sélection des éléments de protections’’ en

raison du manque de connaissance en électronique.

2. Impossibilité de mettre en œuvre le module de contrôle car une modification était nécessaire.

IV.4 Analyse et discussion Le but de ce projet était de concevoir un banc d’essai pour la machine synchrone à aimant

permanent. Tel que mentionné, le projet s’est concentré sur la programmation du module de

contrôle du moteur. La conception de celui-ci s’est faite à partir des recherches bibliographiques

que nous avons faites. Le logiciel MATLAB/Simulink avec Xilinx system Generator nous a permis

de réaliser le programme de commande, pour ensuite programmer le module FPGA. La




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programmation réalisée n’est pas inflexible. Il est possible de varier des paramètres tels que la

fréquence de la PWM et le temps de la rampe seulement en changeant quelques valeurs.

Pour ce qui est des coûts reliées au projet, ils sont assez importants. Puisque le Département des

Sciences Appliquées (DSA) avait débuté ses démarches afin d’intégrer l’apprentissage des

moteurs synchrones à aimants permanent, des budgets supplémentaires à celui prévu au projet

ont pu être utilisé. Le tableau suivant montre les coûts associés au projet.

Description Coûts Quantités Total

Moteur à aimants permanents 772 $ 1 772$

Poulie 17 $ 1 17 $

Courroie 10 $ 1 10 $

Module IGBT 20 $ 1 20 $

Module de contrôle complet 500 $ 1 500$

Coût total des pièces : 1 319$

Afin de rendre possible l’apprentissage de ces moteurs aux étudiants, il sera nécessaire

d’acheter quatre autres exemplaires de chaque pièces. Le prix total deviendra alors très élevé.

Pour réduire les coûts, il serait intéressant de faire développer le module de

redressement/ondulation par des étudiants lors de futurs projet. De plus, il est également

possible de faire fonctionner la machine à aimant permanent à l’aide des équipements Lab-Volt

existant au laboratoire.




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VII Conclusion et recommandations

Pour conclure, le projet consistait à mettre en marche une machine synchrone DC sans balais

(BLDC). Pour ce faire, il était question de concevoir le système de commande pour faire

fonctionner le moteur et de réaliser le module de redressement/ondulation (drive du moteur). Il

était également question de soumettre des énoncés de laboratoire portant sur la machine BLDC

pouvant être réalisé par les étudiants de génie.

En cours de projet, dû au manque de connaissance dans la conception de circuit électronique et

après consultation avec notre conseiller, les conceptions du module d’électronique de puissance

et des circuits de protections ont dues être abandonnées. Nous nous sommes alors concentrés

sur la programmation du module de commande(FPGA) ainsi que sur l’établissement des idées de

laboratoire.

Pour ce qui est de la réalisation du la programmation du module de commande, celle-ci s’est

assez bien déroulé. Il y a eu cependant beaucoup d’apprentissage à faire au niveau de la

programmation avec le logiciel Matlab/Simulink avec System Generator de XILINX. La

programmation à été complété et la commande du moteur peut se faire dans les deux sens de

rotation. De plus, l’intégration d’une rampe dans la variation de vitesse du potentiomètre

permet d’assurer la longévité du moteur. En effet, cette rampe ne permet pas aux usagers de

faire passer le moteur de 100% de rotation en sens horaire vers 100% de rotation en sens anti-

horaire. Le module intègre également une sortie permettant le branchement d’une résistance

de freinage pour aider le moteur à freiner lorsque celui-ci est chargé.

En somme, le projet s’est bien déroulé et les résultats sont bons. Il pourrait être intéressant,

pour les suites du projet, de réaliser le module de redressement/ondulation et les protections

(drive). Les coûts seraient alors beaucoup plus bas.




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Bibliographie

Monographie WILDI T. SYBILLE, GILBERT ; 2005. Électrotechnique. 4ième édition. Presse de l’université Laval : Édition SK. 1215p. HANSELMAN, DUANE; 2006. Brushless permanent magnet motor, 2ième édition. The Writers'

Collective [Version électronique]. 392p.

WENTWORTH, STUART ; 2007. Applied Electromagnetics: Early Transmission Lines Approach . 1ère édition. John Wiley & Sons Inc. 656p.

Site Internet DIGIKEY. Digi-Key Canada. [En ligne]. [http://parts.digikey.ca/]. Consulté le 5 octobre 2011

MAXON. Maxon motor. [En ligne].[http://www.maxonmotor.com/maxon/view/content/product_ overview_brushlessdcmotors]. Consulté le 28 septembre 2011

WIKIPEDIA. Wikipedia L’encyclopédie libre. [En ligne]. [http://fr.wikipedia.org]. Consulté le 27 novembre 2011




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ANNEXES




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Laboratoire #1 :

Moteur à courant continu sans balais

Théorie Moteur à courant continu

Les moteurs à courants continus sont composés d’un champ

statorique fixe (alimentation en courant continu) et un champ

rotorique également fixe. Pour faire fonctionner le moteur, les

bobines situées sur le rotor sont alimenté à tour de rôle par

l’entremise de balais. Ces balais glissent sur des collecteurs

fixés sur les enroulements du rotor. (Voir figure.)

Moteur à courant continu sans balais (Brushless Direct Current Motor – BLDC motor)

Le moteur à courant continu sans balais diffère du moteur à courant continu conventionnel en ce sens

qu’il est composé d’un aimant permanant au rotor. Cette configuration ne permet plus d’effectuer la

commutation avec l’ensemble collecteur/balais puisque le champ magnétique est fixe même sans

alimentation. De plus, l’alimentation des bobines situées au stator est faite, comme son nom l’indique en

tension continu.

Pour faire fonctionner ce moteur, il s’agit d’appliquer une tension

aux bobines du stator à tour de rôle. Ainsi, le champ magnétique

créé au stator est tournant (d’où l’appellation "moteur synchrone à

aimant permanent"). Cependant, on à besoin d’une connaissance

de la position relative du rotor par rapport au stator afin de

réaliser la synchronisation des courants d’induits (courants du

stator) avec le flux inducteur (aimant permanent au rotor), c’est

à dire l’autopilotage. Le moteur doit alors être muni de capteur

de position (effet hall ou autre) et un commande externe doit

être appliqué au enroulement statorique en fonction de la position du rotor.




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Expérimentation En charge

1. Alimenter le moteur et mesurer les caractéristiques à vide pour différentes vitesse (0 à 100% sur

module FPGA) par incrément de 10%

Vitesse (%) Vitesse (RPM) Couple (N·m)

Tracer la courbe vitesse – couple du moteur.

2. Avec la formule suivante, calculer la puissance disponible sur l’arbre à partir des données

précédente et présenté ces résultats sous formes de graphique.

Vitesse (RPM) Couple (N·m) Puissance (W)

Tracer la courbe vitesse – puissance du moteur.

3. Calculer le rendement du moteur aux différentes vitesses.

Vitesse (RPM) Puissance (W) Rendement

Tracer la courbe vitesse – rendement du moteur.

4. Appliquer une tension DC sur les enroulements du stator et en déduire, les pertes joules dans ces enroulements.

Enroulement 1 Enroulement 2 Enroulement 3

Tension (V)

Courant (A)

Résistance (Ω)

5. À l’aide d’un oscilloscope, mesurer la fréquence de la Modulation à largeur d’impulsion.

6. Dessiner, à l’aide de l’oscilloscope, la forme d’onde provenant des capteurs à effets hall.




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Laboratoire #2 :

Génératrice à courant continu sans balais

Théorie Tel que vu dans le précédent laboratoire, les moteurs à

courant continu sans balais (BLDC) nécessitent une

commande spéciale qui requiert des connaissances

supplémentaires. Toutefois, dans son fonctionnement en

génératrice, la machine à courant continu sans balais ne

nécessite pas toute cette commande. En fait, c’est le moteur

idéal pour le fonctionnement en génératrice car lorsque son

arbre est entraîné, l’aimant permanent du rotor crée un

champ variable dans les enroulements s du stator. D’après la loi de Faraday, une tension s’induit alors

dans les enroulements et selon la charge, un courant.

De ce fait, ces types de moteurs sont de plus en plus utilisés dans les turbines éoliennes. Le vent

entraîne l’aimant permanent et l’énergie est alors produite. Cette énergie peut alors être convertie pour

être distribué sur le réseau électrique.

Expérimentation En charge

1. Accoupler le BLDC avec le moteur à cage d’écureuil à l’aide de la courroie pour faire tourner le moteur.

Ajuster la vitesse du moteur à cage d’écureuil afin d’être le plus près possible de la vitesse en régime

permanent. En gardant la vitesse constante, faites varier la charge (banc de résistance) et mesurer la

tension et le courant de sortie. [Simuler une variation de charge avec l’éolienne gardant une vitesse

constante (vent qui augmente en fonction de la charge)]

Résistance (Ω) Tension (V) Courant (A) Puissance sortie(W)




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Tracer la courbe charge (résistance) – puissance disponible pour une vitesse constante Note : Garder la vitesse constante en tout temps lors de ce test

2. Garder le BLDC accouplé avec le moteur à cage d’écureuil. Cette fois, ajuster la vitesse de l’ensemble

au maximum de la vitesse. Varier la charge (résistance) et mesurer, comme précédemment, la

tension et le courant. [Simuler une variation de charge avec vent constant propulsant l’éolienne]

Vitesse (RPM) Résistance (Ω) Tension (V) Courant (A) Puissance sortie(W)

Tracer la courbe vitesse – puissance du générateur et la courbe charge (résistance) – puissance sur le même graphique

3. Garder le BLDC accouplé avec le moteur à cage d’écureuil. Cette fois, ajuster la charge à une valeur

fixe (ex. 240Ω). Varier la vitesse de rotation de l’ensemble et mesurer la tension et le courant de

sortie. [Simuler une charge constante avec variation du vent propulsant l’éolienne]

Vitesse (RPM) Tension (V) Courant (A) Puissance sortie(W)

Tracer la courbe vitesse – puissance du générateur.

Note : Il est important, lors des laboratoires, de tenir compte du rapport 2:1 de la poulie de la

machine synchrone à aimant permanent par rapport aux autres équipements Lab-Volt.

université du québec à chicoutimi rapport final

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