Travaux Pratiques Variation de Vitesse Master 1 ère Année

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1 Travaux Pratiques Variation de Vitesse Master 1 ère Année F. CAMUS Synoptique d un commande IRFO de moteur Asynchrone francois.camus@ujf-grenoble.fr Ou en passant par le site de l ujf espaces collaboratifs Page Alfresco de la M1 SEE Page Alfresco du module PGEL4201 Version du 21 février

2 1 COMPARAISON D UNE COMMANDE EN COUPLE SCALAIRE ET D UNE COMMANDE IRFO EN R.P. 1 Comparaison d une commande en couple scalaire et d une commande IRFO en R.P. 1.1 Préparation Contrôle machine en "u/f" Implantez dans Psim le "contrôle machine" d un moteur asynchrone commandé en "U/f" à partir du fichier MAS_UsurF.sch à télécharger sur Chamilo. Ce fichier contient un moteur asynchrone avec sa charge et une alimentation triphasée délivrant trois tensions : V Sa (t) = V S re f. 2.sin(θ S re f ) V Sb (t) = V S re f. 2.sin(θ S re f 2.π V Sc (t) = V S re f. 2.sin(θ S re f + 2.π L alimentation est commandée par deux consignes : V S re f et θ S re f. Les consignes d entrée du "contrôle machine" que vous implanterez doivent être le flux Φ S re f et le couple C m re f. Vous ne chercherez pas à simuler! Remarque : Si votre schéma est trop gros, vous n arriverez pas à enregistrer votre fichier dans la version démonstration de PSIM, découpez le en plusieurs fichiers que l on assemblera avec la version complète. 3 ) 3 ) limitations Quelles sont les limitations en régime permanent d un moteur asynchrone? Comment les exprimer dans le repère de Park, c est à dire déterminer I Sdn, I Sqn, Φ Rdn à partir des données numériques? Faites l application numérique avec les caractéristiques données dans le tableau. V Sn f n I Sn N n C mn ρ M L S L R R R R S ,5 30,8 230 V 50 Hz 50 A 2 30 mh 0,1 Ω 0,3 Ω tr/min N.m mh mh Bloc Park de PSIM Regardez la documentation de PSIM pour comprendre comment sont calculées les composantes (d,q,o) Montrez que la composante X q de Psim correspond à l opposée de la composante q de Park (-X q ). 1.2 Comparaison contrôle scalaire et contrôle vectoriel : commande en couple Vous utiliserez les fichiers Usurf_commande_en_couple.sch et IRFO_commande_en_couple.sch téléchargeables sur Chamilo. Pour faciliter l étude, la charge mécanique sera simulée par une source de vitesse. Master 1 ère Année S.E.E. Page 2/7

3 1 COMPARAISON D UNE COMMANDE EN COUPLE SCALAIRE ET D UNE COMMANDE IRFO EN R.P. Cm N=0 N=Nn Cm ref 1. Pour les valeurs de vitesse suivantes ( 0, N n /20, N n /10, N n /5, N n /2, N n ), et pour C m re f variant de 0 à 1,2.C mn, tracer la courbe C m = f (C m re f ) en régime permanent pour un contrôle vectoriel et un contrôle scalaire sans compensation "R S.I S ". 2. Pour la commande IRFO, analysez le schéma de la commande et expliquer le rôle de chaque bloc ou groupe de bloc (faites une copie d écran de votre fichier Psim pour vous aider). 3. Pour la commande scalaire, proposez une compensation "Rs.Is" (1) que vous mettrez en œuvre dans Psim (m appeler que l on en discute et n oubliez pas de mettre dans votre rapport la courbe de compensation que vous avez utilisée). 4. Comparez la courbe C m = f (C m re f ) obtenue avec ou sans compensation. 1.3 Limitations On cherche à connaître le couple maximal admissible en régime permanent en fonction de la vitesse et en tenant compte des limitations. Implantez les limitations dans le schéma PSIM pour les deux commandes, puis tracez la courbe C mm AX = f (N ) pour les deux commandes pour une vitesse variant de 0 à 3.N n. 1.4 Robustesse de la commande Refaites une ou deux simulations de chaque commande en remplaçant dans la commande une valeur mesurée différente de la valeur vraie ( k # k). 1.5 Analyser, comparer, discuter. (1). Vous pourrez utiliser un bloc lookup table pour "dessiner" la compensation avec un tableur Master 1 ère Année S.E.E. Page 3/7

4 2 Modèlisation en vue de la commande 2.1 Préparation Correcteurs 2 MODÈLISATION EN VUE DE LA COMMANDE H 0 a) Soit la boucle ouverte non corrigée suivante : H(p) = 1 + τ BO.p. Déterminez les coefficients du correcteur P.I. C (p) = K. 1 + τ I.p pour compenser le pôle dominant et avoir un τ I.p temps de réponse en boucle fermée 10 fois plus rapide qu en boucle ouverte. H 0 b) Soit la boucle ouverte non corrigée suivante : H(p) = 1 + τ BO.p. 1 p. Déterminez les coefficients du correcteur à avance de phase C (p) = K 1 + τ θ.p pour compenser le pôle lié à τ BO, puis au choix : Calculs sur la Boucle Fermée : pour avoir un amortissement en boucle fermée m BF = 1, 1 + τ θ a.p avoir un temps de réponse en boucle fermée égal à T R = 3.τ BO 10 (voir Rappel en fin d énoncé) ou bien : Calculs sur la Boucle Ouverte : obtenir une marge de phase φ de 80 o obtenir une bande passante de ω BP = 10 τ BO Commande en position d une MCC Complétez le schéma Psim MCC_commande_position.sch à télécharger sur Chamilo pour implanter les 3 contrôles (contrôle convertisseur, contrôle machine, contrôle charge) d une MCC à aimants commandée en position et alimentée par un hacheur 4Q. Vous ne calculerez pas les correcteurs, je ne demande que du dessin... Le couple résistant sera modélisé par un frottement visqueux : C R = f.ω. Les caractéristiques de la machine étudiée sont : U mn I mn R a L a k Φ J f 300 V 10 A 1,5 Ω 1 mh 1 N.m/A 0,05 kg/m² 0,035 N.m.s/rad Commande en position d un moteur asynchrone On utilisera le fichier IRFO_commande_position.sch dans lequel la commande en position de la machine est réalisée à l aide d un contrôle vectoriel dessiné ci après. De quel type de contrôle vectoriel s agit-il? Y a t il compensation pour découpler les axes d et q? Est un contrôle direct ou indirect? Comment a été modélisé le convertisseur? Quel est son gain statique? Pour déterminer la période d échantillonnage et la durée d observation d une simulation PSIM d une MAS en régime permanent, calculez les constantes de temps caractéristiques d une MAS (les valeurs numériques sont données dans le tableau ci dessous) : constante de temps mécanique τ m constante de temps rotorique T R constante de temps σ. L S R S... Déterminez aussi les dynamiques des signaux (période, temps de montée... ). En déduire un ordre de grandeur raisonnable pour la période d échantillonnage print step et la durée d observation total time à utiliser dans Psim. Master 1 ère Année S.E.E. Page 4/7

5 2 MODÈLISATION EN VUE DE LA COMMANDE V Sn f n I Sn N n C mn ρ M L S L R R R R S ,5 30,8 230 V 50 Hz 50 A 2 30 mh 0,1 Ω 0,3 Ω tr/min N.m mh mh La charge mécanique oppose un couple résistant constitué d un frottement sec C o et d un frottement visqueux f, l inertie est J : J C o f 1 kg.m² 0 N.m 1,2 N.m.s/rd 2.2 Manipulation Schema de simulation Psim de la commande vectorielle Les caractéristiques de la machine étudiée sont ceux donnés en préparation. Dans le schéma de simulation fourni, ni les correcteurs de courants, ni le correcteur de vitesse, ni le correcteur de position ne sont déterminés. C est ce que l on va faire en manipulation Correcteurs de courant a) Axe direct On commence par le correcteur de la boucle I Sd. Comment modifier le schéma pour faire un essai en boucle ouverte de courant direct? Faites la réponse à un échelon I Sd re f, en déduire un modèle mathématique de la boucle ouverte et les valeurs du correcteur PI (vous réglerez pour obtenir une boucle fermée 10 fois plus rapide que la boucle ouverte non corrigée). Vérifiez le comportement en boucle fermée. Quelle est la valeur de la consigne directe que vous utiliseriez? Master 1 ère Année S.E.E. Page 5/7

6 2 MODÈLISATION EN VUE DE LA COMMANDE b) Axe en quadrature Faites l identification et le réglage du correcteur en quadrature. Précisez les conditions d essais. Vérifiez les performances obtenues. Peut on dire que la boucle d est découplée de la boucle q? Faites un essai pour le vérifier Correcteur de vitesse Faites l identification et le réglage du correcteur de vitesse. Précisez les conditions d essais. Vérifiez les performances obtenues Correcteur de position Vérifiez que la boucle de position est instable en boucle ouverte. Peut on faire un essai indiciel classique pour l identification? Identifiez la boucle de position puis réglez la correcteur en utilisant est un correcteur à avance de phase : C (p) = K 1 + τ θ.p 1 + τ θ a.p Vérifiez les performances obtenues en poursuite. Vérifiez les performances de la boucle de position en régulation (variation de couple résistant par exemple) Pour aller plus loin, vous pouvez : a) Simulez le variateur avec un onduleur : dessinez dans Psim un onduleur triphasé alimenté par une source de tension continue de E=560 V (secteur triphasé redressé), commandé en MLI intersective (porteuse triangulaire à 20 khz d amplitude +/10 V). Dessinez aussi le contrôle convertisseur (2). Simulez et comparez. b) Visualisez l effet des limitations sur les performances du système (stabilité, temps de réponse... ) ; c) Enlevez les découplages et regardez si les correcteurs sont capables de compenser ; d) Testez la robustesse de la commande à une mauvaise évaluation de paramètres (par exemple :L S # = 1,2.L S ), e) Mettez en œuvre un PI avec anti-windup :..... v(t) Exemple de montage anti-windup E (2). Rappel : au fondamental : V a1ef F =.V EF F re f 2. ˆV T RI Master 1 ère Année S.E.E. Page 6/7

7 2.3 Rappel : Passe bas du second ordre 2 MODÈLISATION EN VUE DE LA COMMANDE F 0 On suppose que la BF est du type F (p) =. Le temps de réponse dépend uniquement de ω BF m BF ω BF.p + p2 ω 2 BF et m BF. La courbe réelle donnant le temps de réponse normalisé T R.ω BF est donné ci-dessous : 2.π Temps de réponse normalisé T R.ω BF 2.π en fonction de l amortissement m BF Cette courbe fait apparaître deux courbes asymptotiques donnant une bonne approximation du temps de réponse : m BF << >> 0.69 T R 3 0, π 6.m m.ω BF ω BF ω BF Master 1 ère Année S.E.E. Page 7/7