Université libanaise. Synchrocoupleur Automatique

Transcription

1 Université libanaise Faculté de génie III Beyrouth Hadath Département électricité et électronique Informatique Industrielle Projet de fin d étude Synchrocoupleur Automatique Préparé par : Hassan Dawood Mohamad Fawwaz Supervisé par: Dr. Hussein El-Amine

2 Remerciements Tout d abord, nous remercions Dieu d avoir rendu toutes les choses possibles. Il nous semble très difficile de nous exprimer sur cette page avec notre enthousiasme le plus vif et le plus sincère pour rendre mérite à tous ceux qui nous ont aidés à bien mener ce travail. Nous voudrions citer quelques personnes sachant que plusieurs autres ont contribué de près ou de prou à ce travail. Nous remercions Le Directeur de la Faculté de Génie Dr. Mohammad Hamden et Le Chef de Département de l électricité Dr. Zouheir Al-Hajj. Nous tenons à remercier notre directeur de projet Dr. Hussein Al-Amin pour son encadrement ainsi que pour sa disponibilité. Nous remercions Monsieur Taleb Fakih Directeur du Laboratoire de l'électronique, de nous avoir accueillis au sein de son laboratoire, pour les multiples conseils scientifiques qu il nous a prodigués, pour son aide, son patience et son conseil. Nous remercions vivement les membres de jury qui ont eu la disponibilité et la bonne volonté pour examiner notre travail ainsi que pour évaluer sa valeur scientifique. Nous n'oublions pas nos familles qui nous ont donnés l'amour et la tendresse, la patience et l'espérance, et qui nous avaient accompagnés tout au long de ce chemin. Nous exprimons nos reconnaissances à nos collègues et nos amis avec qui les échanges scientifiques ou autres sont toujours agréables. Que tous ceux qui nous ont aidés, de près ou de loin, à accomplir ce travail trouvent ici l expression de nos remerciements.

3 Introduction INTRODUCTION Les alternateurs triphasés sont la source primaire de toute l énergie électrique que nous consommons. Ces machines constituent les plus gros convertisseurs d énergie au monde avec des puissances allant jusqu à 1500MVA. Les alternateurs reçoivent tous les jours, d un organisme central appelé dispatching, un programme qui prévoit et fixe pour les différentes heures l énergie à fournir sur le Réseau National. L alternateur autonome est un cas particulier de fonctionnement. A l exception des endroits isolés, il est assez rare que l on soit obligé de coupler deux alternateurs en parallèle. Les alternateurs de grande puissance des centrales électriques sont tous interconnectés, c està-dire couplés directement sur un réseau infini, qui impose une tension et une fréquence constantes à tout appareil branché à ses bornes [1]. Le Synchrocoupleur Automatique est un tableau de synchronisation associé d un coupleur automatique. Il est essentiellement utilisé dans les centrales électriques et les sous-stations afin de synchroniser deux alternateurs, un alternateur et un réseau ou une liaison active entre deux réseaux. Ce projet, intitulé Synchrocoupleur Automatique, vise l étude d un couplage de deux générateurs synchrones ou d un couplage d une machine synchrone avec un réseau infini d une façon manuelle ou automatique. C'est un projet multi objectif et ayant des aspects pratiques et théoriques importants. Le sujet, traité, et sa réalisation pratique nécessitaient des connaissances approfondies dans le domaine de l Electronique de Puissance, de l Electrotechnique, des Machines Electriques, du Contrôle et Automatique, de Microcontrôleur et de Programmation de ces éléments. Il nous a permet en outre de comprendre plusieurs phénomènes objets de l étude. Page i

4 Introduction Le problème pratique de synchronisation se posait devant nous de la manière suivante: a- Comment peut-on satisfaire les conditions de synchronisation et notamment comment peut-on régler et stabiliser la fréquence de rotation N et la tension E à la sortie du générateur synchrone en coordination avec le réseau infini? b- Comment peut-on brancher automatiquement l alternateur à l instant précis de coïncidence des phases où les conditions de synchronisation sont respectées? Dans le cadre du présent Projet De Fin d'etudes que nous vous présentons, nous avons réalisé un Synchrocoupleur permettant la synchronisation manuelle ou automatique d un alternateur avec un réseau. En plus, le synchrocoupleur est associé à un système de protection, de commande et d affichage permettant de contrôler l alternateur en permanence : avant et après la synchronisation. Notre mémoire est composé d une introduction, de quatre chapitres et des conclusions: 1- Le premier chapitre concerne l'état de l'art des synchrocoupleurs, leur conception et principe de fonctionnement, le schéma de principe ainsi que l objectif du projet. 2- Le deuxième chapitre donne en bref les caractéristiques électromécaniques des Machines Synchrones et des Machines à Courant Continu, les résultats des mesures et des essais effectués sur ces machines ainsi que leur modélisation. 3- Le troisième chapitre analyse les conditions de couplage d un alternateur avec un réseau infini. 4- Le quatrième chapitre est consacré à la description du travail réalisé : le Synchrocoupleur Automatique, ses circuits et ses composantes, les schémas électriques, le fonctionnement et le rôle de chaque circuit, le PIC, et les accessoires utilisés. Page ii

5 Table des matières Chapitre I : Position Du Problème I.1. Généralités I.2. Couplage d un alternateur sur un réseau infini... 2 I.3. La synchronisation classique I.4. Conception d un Synchrocoupleur.. 3 I.5. Processus industriel de synchronisation I.6. Objectif du projet I.7. Schéma bloc.. 6 Chapitre II : Groupe Moteur-Alternateur.. 8 II.1. Introduction II.2. Moteur à courant continu.. 11 II.2.1. Caractéristiques générales II Caractéristiques mécaniques II Equation de tension II Equation de vitesse II Equation de vitesse II Couple électromagnétique II.2.2. Moteur utilisé dans le projet. 13 II Plaque Signalétique II Alimentation II Essais effectués sur le moteur II.3. Générateur synchrone II.3.1. Caractéristiques générales II Force électromotrice interne...17

6 II Modèle équivalent d'une phase de l'alternateur...17 II.3.2. Alternateur utilisé dans le projet. 18 II Plaque signalétique...18 II Essais effectués sur l alternateur II Caractéristique à vide II Caractéristique en court-circuit II Détermination de l impédance synchrone du générateur...21 Chapitre III : Procedure De Synchronisation.. 23 III.1. Introduction III.2. Conditions pour faire le couplage.. 24 III.2.1. Mesure et réglage de fréquence.. 27 III.2.2. Mesure et réglage de tension III.2.3. Vérification de séquence.. 31 III.2.4. Mesure et réglage de phase. 32 III.3. Fonctionnement en alternateur débitant sur le réseau Chapitre IV : Tableau De synchronisation IV.1. Les Composantes Utilisées IV.1.1. Le microcontrôleur PIC16F877A IV.1.2. Le disjoncteur triphasé IV.1.3. Le contacteur IV.1.4. Autres composantes. 40 IV.2. Les Circuits Utilisés IV.2.1. Circuit d alimentation à découpage IV.2.2. Circuit des contrôles d excitations.. 42 IV.2.3. Circuit de filtre L-C. 43

7 IV.2.4. Circuit de control.. 44 IV Mesure de tension. 45 IV Mesure de fréquence et vérification de séquence IV Réglage de fréquence et de tension.. 46 IV Ordres aux contacteurs.. 46 IV Affichage des informations sur LCD et sur les lampes...47 IV Autres circuits...48 IV.3. Dimension et coût du tableau réalisé. 49 Conclusion.. 50 Annexes

8 Liste des figures : Figure 1.1 : schéma de principe... 3 Figure 1.2 : schéma bloc..6 Figure 2.3- Régulateur mécanique de vitesse d'une turbine 9 Figure 2.4: Réglage de vitesse du groupe Moteur-Alternateur..10 Figure 2.5: Moteur dc à excitation séparée et son schéma équivalent...11 Figure 2.6: caractéristiques d'une machine à courant continu à excitation séparée...12 Figure 2.7: le moteur utilisé et sa plaque signalétique...14 Figure 2.8: l alimentation de l induit et l alimentation de l excitation..14 Figure 2.9: Machine synchrone et son schéma équivalent 16 Figure 2.10: Schéma équivalent monophasé et diagramme vectoriel Behn-Eschenburg...17 Figure 2.11: l alternateur utilisé et sa plaque signalétique...18 Figure 2.12: Schéma d une machine synchrone à vide..19 Figure 2.13: Schéma d une machine synchrone en court-circuit...20 Figure 2.14: Mesure d une résistance entre 2 phases 21 Figure 3.15: Synchroscope analogique, synchroscope digitale, schéma électrique.. 23 Figure3. 16: Couplage d une machine synchrone sur un réseau : montage pratique.// Tensions du réseau et de la machine synchrone pendant le couplage 24 Figure 3.17: Vérifier les conditions de couplage...25 Figure 3.18: l organigramme pour mesurer la fréquence, convertir le signal entré en signal carré, explication..26 Figure 3.19: l organigramme de réglage de fréquence.. 27 Figure 3.20: l organigramme pour mesurer la tension, explication...28 Figure 3.21: l organigramme de réglage de tension.. 29 Figure 3.22: l organigramme pour déterminer la séquence des phases pour chaque source, convertir le signal entré en signal carré, explication.. 30

9 Figure 3.23: l organigramme pour vérifier l identité de séquence des phases.. 31 Figure 3.24: Déphasage entre les tensions.32 Figure 3.25: l organigramme pour mesurer le déphasage entre les deux sources.32 Figure 3.26: l organigramme de réglage de déphasage.33 Figure 3.27: schéma équivalent du moteur 34 Figure 4.28: Tableau de synchronisation...36 Figure 4.29: PICF877A, circuit de control Figure 4.30: Disjoncteur thermomagnétique triphasé Figure 4.31: Contacteur tétra-polaires...38 Figure 4.32: Bouton poussoir, LCD connectés au PIC Figure 4.33: potentiomètres, lampes d affichage, lampes de synchronisation.. 39 Figure 4.34: circuit d alimentation à découpage Figure 4.35: circuit de contrôles des excitations Figure 4.36: filtre pour les harmoniques d ordre supérieurs.. 42 Figure 4.37: circuit de control 43 Figure 4.38: Composantes connectées au PIC...43 Figure 4.39: Schéma de principe d'un circuit de mesure d'une tension.44 Figure 4.40: Schéma de principe d'un circuit pour convertir le signal alternatif en signal carrée.44 Figure 4.41: circuit de réglage manuel de la fréquence ou de la tension...45 Figure 4.42: ordres à deux contacteurs..46 Figure 4.43: Schéma de principe pour LCD et les lampes d affichage.47 Figure 4.44: Schéma de principe pour la mode choisie.47 Figure 4.45: Schéma de principe de l'oscillateur quartz 48

10 Liste des tableaux : Tableau 2.1 : N= f (I f ) Tableau 2.2 : Caractéristique à vide E= f (Ie) 19 Tableau 2.3 : Caractéristique en court-circuit Isc= f(ie) 20 Tableau 2.4 : Résistance moyenne par phase. 21 Tableau 2.5 : Plusieurs valeurs de Zs.21 Liste des graphes : Graphe 2.1 : N= f (I f )...15 Graphe 2.2 : E= f (Ie). 19 Graphe 2.3 : Isc =f (Ie)...20

11 Chapitre 1 : Position Du Problème CHAPITRE I POSITION DU PROBLEME I.1 Généralités I.2 Couplage d un alternateur sur un réseau infini I.3 La synchronisation classique I.4 Conception d un Synchrocoupleur I.5 Processus industriel de synchronisation I.6 Objectif du projet I.7 Schéma bloc Page 1

12 Chapitre 1 : Position Du Problème I.1 Généralités Dans toute installation productrice d'énergie, ou industrielle, où des générateurs doivent être mis en parallèle avec un réseau interne ou externe, de même que dans les installations de couplage, des systèmes de synchronisation sont installés. Les disjoncteurs ne doivent être fermés que lorsque les tensions en présence sont proches du synchronisme. Dans le cas contraire, des dérangements du réseau, un stress de la machine voir dans un cas extrême des dégâts matériels peuvent s'ensuivre. I.2 Couplage d un alternateur sur un réseau infini. Principes généraux Le couplage est l opération qui consiste à connecter les bornes de l alternateur à celles du réseau triphasé pour débiter de la puissance électrique. Il est impossible de brancher directement une machine synchrone sur le réseau électrique : le court-circuit est inévitable. Avant de coupler un alternateur sur le réseau, on doit amener sa f.é.m. induite E et sa vitesse de rotation N (vitesse du champ tournant) à des niveaux compatibles avec ceux du réseau. Une fois couplé à un grand réseau, l alternateur fait partie d un système comprenant des centaines d autres alternateurs et des charges de tout type. La tension et la fréquence appliquées aux bornes de la machine étant constantes, on ne peut plus faire varier que deux paramètres : a- le courant d excitation I e : réglage de la puissance réactive. b- le couple mécanique exercé par la turbine T m : réglage de la puissance active. I.3 La synchronisation classique La synchronisation se fait généralement dans les centrales électriques en utilisant d un synchroscope et/ou de trois lampes branchées entre les bornes homologues alternateur-réseau. On procède de la manière suivante: Page 2

13 Chapitre 1 : Position Du Problème En agissant sur le régulateur de vitesse (RV) de la turbine, on amène tout d abord l alternateur à une vitesse voisine de la vitesse synchrone, afin que sa fréquence soit proche de celle du réseau. On règle ensuite l excitation I e de façon que la tension induite E soit égale à celle du réseau U. Enfin, quand le synchroscope montre les conditions les plus favorables, on ferme alors le contacteur qui réalise le couplage de l alternateur avec le réseau. I.4 Conception d un Synchrocoupleur Le procédure d un couplage correct d un alternateur au réseau actif est assigné au synchrocoupleur Automatique qui contrôle simultanément les régulateurs de tension (RT) et de vitesse (RV) du groupe alternateur-turbine et autorise la fermeture du contacteur de couplage alternateur-réseau (figure 1-1). Figure 1.1 : schéma de principe Pour que le couplage n entraîne, au moment de la fermeture de disjoncteur de couplage alternateur-réseau, aucun échange brutal de courant et par suite aucun choc mécanique sur le rotor, il faut que: Page 3

14 Chapitre 1 : Position Du Problème Les 3 f.é.m. à vide E 1, E 2 et E 3 de l alternateur, Les 3 tensions simples V 1, V 2 et V 3 du réseau, soient respectivement en phase, égales en module et ayant la même séquence. I.5 Processus industriel de synchronisation Le processus de synchronisation et de mise en parallèle utilisées industriellement peut être décomposé ainsi [2]: Mesure : Des deux signaux de mesures U1 et U2 sont déterminées les valeurs suivantes nécessaires à la mise en parallèle : différence de tension (amplitude) ΔU, glissement (différence de fréquence) s et angle de déphasage α. Egalisation : Une égalisation de la tension et de la fréquence permet de diminuer la différence de tension ΔU et le glissement s par le biais d'impulsions d'ajustage fournies au régulateur de tension, respectivement de la turbine. Surveillance des conditions de mise en parallèle : Cette fonction compare les valeurs réelles avec leur maximum défini et autorise la mise en parallèle lorsque toutes les conditions requises sont rempliées en même temps. Création de l'ordre : La formation de l'ordre s'effectue en calculant prématurément l'angle d avance αv, permettant ainsi de fermer les contacts principaux à l'instant précis de coïncidence des phases, tenant compte du retard à la fermeture du disjoncteur. Si αv apparaît en même temps que l'autorisation de mise en parallèle, l'ordre de fermeture est donné. I.6 Objectif du projet L objectif du présent projet est d étudier, de réaliser et de tester un synchrocoupleur automatique capable de brancher un mini alternateur triphasé sur un réseau triphasé actif. Les caractéristiques générales de la source, les machines utilisées et le tableau à réaliser sont les suivantes : Page 4

15 Chapitre 1 : Position Du Problème L alternateur est une mini machine synchrone triphasée 220/380V à 6 bornes statoriques couplées en étoile et entrainée par une mini machine à courant continu 220V à excitation séparée (voir Chapitre II). Le réseau infini n est que le réseau BT public 220/380V-50Hz. Le couplage alternateur -réseau se réalise grâce à un contacteur commandé par le synchrocoupleur. Le synchrocoupleur doit être réalisé sous forme d un coffret métallique équipé de trois types principaux de circuits: 1. Un circuit de puissance comportant: des disjoncteurs triphasés de protection coté réseau et alternateur, des bornes d entrée et de sortie pour coupler l alternateur et le réseau, des bornes pour coupler l induit et l inducteur du moteur DC, un contacteur triphasé de couplage réseau-alternateur qui ne doit être fermé que lorsque les tensions en présence sont proches du synchronisme. 2. Un circuit de contrôle comportant: un régulateur de vitesse de rotation, un régulateur de tension, un régulateur de séquence de phase, un bouton de réglage de la tension V R d excitation de l alternateur un bouton de réglage de la tension V f d excitation du moteur DC une alimentation en courant continu, 3. Circuit de mesure et d affichage: mesure et affichage de fréquence du générateur et du réseau en digital, mesure et affichage de tension du générateur et du réseau en digital, Lampes d affichage de processus de synchronisation Le synchrocoupleur offre deux voies de couplage alternateur- réseau : Une voie complètement automatiquement Une voie manuelle. Dans les deux cas le synchrocoupleur permet de réaliser les opérations suivantes : Page 5

16 Chapitre 1 : Position Du Problème la vérification des niveaux de la tension en sortie du générateur et sur le jeu de barres. la vérification de la fréquence en sortie du générateur et sur le jeu de barres. la vérification de la phase entre la tension en sortie du générateur et le jeu de barres. l émission d un ordre de couplage au contacteur lorsque les tensions en présence sont proches du synchronisme. I.7 Schéma bloc Figure 1.2 : schéma bloc La figure 1-2 illustre le schéma bloc du synchrocoupleur réalisé. L induit du moteur étant alimenté en DC constante. Le PIC à l aide d un programme approprié, mesure et compare la f.é.m. et la fréquence d alternateur d une part et la tension et la fréquence du réseau d autre part. D après la comparaison des mesures, on contrôle le circuit PWM2 pour régler la fréquence, et le circuit PWM1 pour régler la f.é.m., dans le cas automatique. Pour effectuer une synchronisation manuelle, nous faisons un réglage manuel à l aide des potentiomètres appropriés permettant de varier la fréquence et la f.é.m. Page 6

17 Chapitre 1 : Position Du Problème Lorsqu on règle la fréquence et la f.é.m., on vérifie si l alternateur et le réseau ont la même séquence des phases. Si non, le PIC donnera un ordre au contacteur 1 pour intervertir deux phases. Lorsque le programme est exécuté, les valeurs de la fréquence et de la f.é.m. de l alternateur, ainsi que les valeurs de la fréquence et de la tension du réseau seront affichées sur l écran (LCD). Si toutes les conditions du couplage sont respectées, le PIC donnera un ordre au contacteur 2 pour faire le couplage. Dans le cas d une synchronisation manuelle, c est à nous de donner l ordre de couplage au contacteur 2. Page 7

18 Chapitre 2: Groupe Moteur-Alternateur CHAPITRE II GROUPE MOTEUR -ALTERNATEUR II.1 II.2 Introduction Moteur à courant continu II.2.1 Caractéristiques générales II Caractéristiques mécaniques II Equation de tension II Equation de vitesse II Equation de vitesse II Couple électromagnétique II.2.2 Moteur utilisé dans le projet II Plaque Signalétique II Alimentation II Essais effectués sur le moteur II.3 Générateur synchrone II.3.1 Caractéristiques générales II Force électromotrice interne II Modèle équivalent d'une phase de l'alternateur II.3.2 Alternateur utilisé dans le projet II Plaque signalétique II Essais effectués sur l alternateur II Caractéristique à vide II Caractéristique en court-circuit II Détermination de l impédance synchrone du générateur Page 8

19 Chapitre 2: Groupe Moteur-Alternateur II.1 INTRODUCTION Les alternateurs dans une centrale électrique sont entrainés par des turbines telles que les turbines hydrauliques, les turbines à vapeur, les turbines à gaz, etc On sait que toute turbine (thermique ou hydraulique) est munie d'un régulateur centrifuge qui agit sur l admission (de vapeur ou d'eau) afin de maintenir constante la vitesse. La Figure 2-1 rappelle le schéma d'un tel régulateur. Par son principe même, le régulateur ne modifie la position de la vanne d'admission que s'il y a variation de vitesse de la machine. Figure 2.1- Régulateur mécanique de vitesse d'une turbine a- Régulateur centrifuge à boules - b- schéma de principe Quand la vitesse augmente, le régulateur diminue l admission et la puissance décroît; quand la vitesse diminue, le régulateur augmente l'admission et la puissance croit. L alternateur utilisé dans le cadre de notre projet est entrainé par un moteur à courant continu. Le choix d un tel moteur dc à excitation séparée est dû à sa flexibilité concernant le réglage de vitesse. Le réglage de vitesse d un moteur dc peut être assuré soit en agissant sur la tension d induit, soit en variant le courant d excitation d inducteur. On a adopté le deuxième choix. L inducteur Page 9

20 Chapitre 2: Groupe Moteur-Alternateur est alimenté à partir d un régulateur électronique contrôlant le courant d excitation du moteur assurant I f et par suite la vitesse de rotation de l alternateur (figure 2.2). Figure 2.2: Réglage de vitesse du groupe Moteur-Alternateur Dans ce qui suit, on donne les caractéristiques des machines utilisées. Page 10

21 Chapitre 2: Groupe Moteur-Alternateur II.2 MOTEUR A COURANT CONTINU Cette machine est constituée de deux parties (figure 2-3): Une partie fixe, le stator, qui crée le champ magnétique ; c'est l'inducteur. Cet inducteur peut être constitué d aimants permanents ou d'une bobine alimentée par un courant continu. Une partie mobile, le rotor, qui est l'induit de la machine. Le rotor de la machine est constitué de plusieurs conducteurs. Lorsque le rotor tourne, il se crée aux bornes de l'ensemble des conducteurs une tenson induite E. Figure 2.3: Moteur dc à excitation séparée et son schéma équivalent L'inducteur est alimenté par une tension continue V f et l'induit est alimenté par une tension continue V a et est traversé par le courant I. II.2.1 II Caractéristiques générales Caractéristiques mécaniques La figure 2.4 illustre les principales caractéristiques d une machine à courant continu à tension V a et à excitation I f constantes. Page 11

22 Chapitre 2: Groupe Moteur-Alternateur Figure 2.4: caractéristiques d'une machine à courant continu à excitation séparée II Force électromotrice (f.é.m.) On montre que l'expression de la f.é.m. E de l induit est donnée par la relation: E=KNϕ(I f ) (1) Où K est une constant dépend de la géométrie de la machine et du bobinage rotorique, ainsi que du flux dans l'entrefer. N est la vitesse de rotation en tr/mn où Ф est le flux inducteur en Weber 2 N 60 II Equation de tension En négligeant la réaction de l induit, l équation de tension du moteur s écrit : Va=E+RI (2) où I et R son respectivement le courant et la résistance de l induit, Va est la tension appliquée aux bornes du moteur. II Equation de vitesse D après les relations (1) et (2), on peut établir l expression de vitesse suivante : Page 12

23 Chapitre 2: Groupe Moteur-Alternateur (3) L expression (3) montre que : la vitesse du moteur est proportionnelle à la tension d alimentation V a. Si la tension augmente, la vitesse à son tour augmente. la vitesse est inversement proportionnelle au flux et par suite au courant d excitation I f (c est une fonction hyperbolique du courant I f ), c.à.d. : ❶ Si I f augmente le flux augmente, la vitesse diminue. ❷ Si I f diminue, la vitesse augmente, si I f tend vers zéro, la vitesse à vide tend vers l infini : en l absence d excitation, le moteur s emballe. Il ne faut donc jamais couper ce circuit. II Couple électromagnétique La puissance électromagnétique interne est : P e =EI. Le moteur développe un couple électromagnétique Ce tel que : EI Pe=Ce.Ω. C e 60 2 N Or on a : E KN ( I ) donc : f On remarque que le couple Ce ne dépend que du courant I et du flux Ф. II.2.2 Moteur utilisé dans le projet II Plaque Signalétique Le moteur utilisé est un moteur bipolaire de puissance nominale de 300W (figure 2.5-a). Sa plaque signalétique indique les caractéristiques électriques suivantes (figure 2.5-b) : INDUIT: N=3000 rpm V a =220 V I=1,9 A Ra= 7 Ω Page 13

24 Chapitre 2: Groupe Moteur-Alternateur INDUCTEUR: V f =220 V I f =0,15A Rf =1.48 KΩ Figure 2.5: le moteur utilisé (a) et sa plaque signalétique (b). II Alimentation L induit est alimenté à partir d une source dc réglable entre 0V et 220V, ce qui permet un démarrage avec un courant I d réduit (figure 2-6-a). Notons que le courant de démarrage naturel sous tension nominale vaut : Id=Vn/Ra=220V/7Ω=31,4 A, c.à.d.: Id/In 17fois. L inducteur est alimenté par une tension continue réglable manuellement ou automatiquement à l aide d un circuit extérieur PWM illustré par la figure 2-6-b (voir chapitre IV). Figure 2.6: (a)- alimentation de l induit (b)- alimentation de l excitation Page 14

25 Chapitre 2: Groupe Moteur-Alternateur II Essais effectués sur le moteur Quelques essais ont été effectués pour déterminer la caractéristique de réglage de vitesse du moteur dc N(I f ) sous une tension d alimentation constante Va=100 V. les résultats sont donnés dans le tableau suivant : I f (ma) N (tr/min) Tableau 2.1 : N= f (I f ) D après ce tableau, on a tracé le graphe 2.1, ayant une allure hyperbolique, adéquate avec la relation de vitesse (3): 3500 N (If) N (If) Graphe 2.1 : N= f (I f ) Page 15

26 Chapitre 2: Groupe Moteur-Alternateur II.3 GENERATEUR SYNCHRONE La machine synchrone est le plus souvent utilisée en générateur, on l appelle alors alternateur. Les centrales de production d énergie électrique sont équipées d alternateurs triphasés. Comme toutes les machines électriques tournantes, la machine synchrone est réversible et peut également fonctionner en moteur synchrone. La machine synchrone est une machine à champ magnétique tournant qui présente 2p pôles magnétiques au rotor ainsi qu'au stator. La vitesse de rotation N du rotor dépend directement de la fréquence f de la tension d'alimentation. La relation bien connue entre N est f est : où: f : la fréquence en Hz N : la vitesse de rotation en tr/mn P : le nombre de paires de pôles Quel que soit sa constitution et son nombre de pôles, un alternateur triphasé est constitué de deux circuits indépendants : Le bobinage d excitation: il est constitué d un bobinage enroulé sur le rotor et traversé par le courant continu «d excitation» : I e. C est lui qui permet la création des pôles magnétiques dits «rotoriques» et l instauration d un flux donné dans le circuit magnétique. Ce bobinage est parfois remplacé par des aimants permanents surtout dans le domaine des petites et moyennes puissances. Le circuit d induit: il est constitué des trois bobinages triphasés, de constitution symétrique, pratiqué sur le stator de façon répartie, et par lesquels transite la puissance électrique de la machine. Figure 2.7: Machine synchrone et son schéma équivalent Page 16

27 Chapitre 2: Groupe Moteur-Alternateur II.3.1 Caractéristiques générales II Force électromotrice interne Lorsque le rotor tourne, chaque bobine est soumise à un flux magnétique variable, il se produit alors une tension alternative sinusoïdale e(t) aux bornes de chaque enroulement du stator. On montre que la tension induite e(t) a pour valeur efficace : E=K N ϕ(ie) A vitesse constante, la f.é.m. est une fonction directe du courant d excitation I e. Si Ie augmente, le flux augmente et la f.é.m. E augmente. Si Ie diminue, la f.é.m. E diminue. II Modèle équivalent d'une phase de l'alternateur Pour étudier l'alternateur triphasé, on modélise une des phases de l'alternateur par une f.é.m. E en série avec une résistance Rs et une réactance synchrone Xs = L (figure 2-8-a). Figure 2.8: Schéma équivalent monophasé (a) et diagramme vectoriel Behn-Eschenburg (b) L équation de tension pour une phase est : E(Ie)=Rs.I+ j Xs.I + V C est l équation de maille qui donne le diagramme de Behn-Eschenburg (figure 2.8-b) qui ressemble à celui de Kapp pour le transformateur. La réactance synchrone Xs comprend l'inductance effective d'enroulement ainsi que l'effet du courant d'induit sur le champ d'origine. V est la tension aux bornes de l induit. En général, il y a aussi une résistance Rs des enroulements du stator, mais celle-là est beaucoup plus petite que la réactance Xs et peut être ignoré, sauf pour obtenir un calcul très précis. Page 17

28 Chapitre 2: Groupe Moteur-Alternateur II3.2. Alternateur utilisé dans le projet II3.2.1 Plaque signalétique L alternateur utilisé est une machine triphasée bipolaire (P=1) de puissance nominale de 350W (figure 2.9-a). Sa plaque signalétique indique les caractéristiques électriques suivantes (figure 2.9-b) : Stator : Couplage en étoile Puissance nominale: S=350 VA, Courant nominal : I=0,58A, Vitesse de rotation : N=3000 tr/mn Rotor: Tension nominale : Ve=220 V, vitesse de rotation : N=3000tr/mn Tension nominale : V=380V -50 Hz, Facteur de puissance : cosҩ=0,92 Courant nominale : Ie= 0,32 A Figure 2.9: l alternateur utilisé (a) et sa plaque signalétique (b) II Essais effectués sur l alternateur II Caractéristique à vide C est la caractéristique Ev(Ie) à vide, à vitesse constante N=3000 tr/mn et à couplage en étoile (figure 2-10). Les résultats de l essai sont insérés dans le tableau suivant: Page 18

29 Chapitre 2: Groupe Moteur-Alternateur I e (ma) E (V) Tableau 2.2 : Caractéristique à vide E= f (Ie) Figure 2.10: Schéma d une machine synchrone à vide D après ce tableau, on obtient le graphe suivant : 250 E(v) E(v) Graphe 2.2 : E= f (Ie) La courbe E(Ie) (graphe 2-2) montre l existence de deux zones : une zone linéaire lorsque le courant d excitation I e inférieur à 100mA et une zone de saturation lorsque le courant d excitation I e est supérieur à 100mA. Page 19

30 Axis Title SYNCHROCOUPLEUR-AUTOMATIQUE Chapitre 2: Groupe Moteur-Alternateur II Caractéristique en court-circuit C est la caractéristique Isc(Ie) en court-circuit à vitesse constante N=3000 tr/mn (figure 2-11). Pour cette vitesse de rotation N et avec variation du Ie, on court-circuite les 3 phases du stator et on mesure l'intensité de court-circuit Isc correspond à chaque valeur du Ie. Figure 2.11: Schéma d une machine synchrone en court-circuit. Les résultats de l essai sont insérés dans le tableau suivant : I e (ma) I sc (A) Tableau 2.3 : Caractéristique en court-circuit Isc= f(ie). D après ce tableau, on obtient le graphe suivant : Isc Isc Linear (Isc) Graphe 2.3 : Isc =f (Ie) Page 20

31 Chapitre 2: Groupe Moteur-Alternateur D après ce graphe, on remarque que la courbe représente une droite passant par l origine d équation Isc=K.Ie où K=2.5 II Détermination de l impédance synchrone du générateur ❶ Détermination de la résistance Rs On peut pour cela brancher un ohmmètre entre deux phases de l'alternateur (figure 2.12), l'ohmmètre mesure la résistance r de deux enroulements. Figure 2.12: Mesure d une résistance entre 2 phases La résistance Rs d'un enroulement est r RS 2 La résistance Rs est souvent négligeable devant la réactance synchrone Xs. Phase Résistance entre 2 phases (Ω) Résistance moyenne par phase (Ω) 41,35 Tableau 2.4 : Résistance moyenne par phase ❷ Détermination de la réactance synchrone Xs (réalisé par un essai en court-circuit) : Pour calculer la valeur de la réactance, on se sert des valeurs de la tension E déterminée lors de l'essai à vide et du courant Isc correspond à Ie. Page 21

32 Chapitre 2: Groupe Moteur-Alternateur En se référant au diagramme de Behn-Eshenberg et on utilisant la zone linéaire (If < 100mA) de la caractéristique à vide et celle en court-circuit on trouve les résultats dans le tableau suivant : Ie (ma) Ev (V) Isc (A) Zs (Ω) Valeur moyenne 252 Ω Tableau 2.5 : Plusieurs valeurs de Zs. Donc : Zs Xs=252 Ω Rs= 41Ω Page 22

33 Chapitre 3: Procédure De Synchronisation CHAPITRE III PROCEDURE DE SYNCHRONISATION III.1. Introduction III.2. Conditions pour faire le couplage III.2.1. III.2.2. III.2.3. III.2.4. Mesure et réglage de fréquence Mesure et réglage de tension Vérification de séquence Mesure et réglage de phase III.3. Fonctionnement en alternateur débitant sur le réseau Page 23

34 Chapitre 3: Procédure De Synchronisation III.1. Introduction Le couplage d un alternateur sur un réseau triphasé consiste à fournir une puissance supplémentaire active et réactive à ce réseau : la machine synchrone se comporte alors en alternateur. Dans la pratique, pour faire ce couplage, on utilise un synchroscope (figure 3-1) qui se charge de cette fonction de manière sûre et fiable, que cela soit en tant qu'élément de contrôle d'une synchronisation manuelle, ou comme système de synchronisation automatisé totalement indépendant. Figure 3.1: (a)- synchroscope analogique (b)- synchroscope digitale (c)-schéma électrique III.2. Conditions requises pour le couplage On ne peut pas brancher directement le stator d une machine synchrone sur un réseau : les courants seraient trop intenses et si la vitesse du rotor diffère de Ns, il ne pourrait y avoir de couple : le couple produit serait oscillatoire et de valeur moyenne nulle. Pour réaliser un couplage optimal d une machine synchrone, il faut : Page 24

35 Chapitre 3: Procédure De Synchronisation L entraîner à une vitesse N proche de Ns par un moteur auxiliaire (moteur dc dans notre cas) c.à.d. il faut arriver à une fréquence identique à celle du réseau. L exciter pour produire des f.é.m. égales aux tensions du réseau. Avoir la même séquence de phase alternateur-réseau. Que les f.é.m. du générateur et les tensions correspondantes du réseau soient en phase. Pour s assurer que les conditions précédentes sont respectées, c.à.d. il ne circule alors aucun courant dans l induit, on utilise des lampes de couplage qui sont placées en parallèle sur le disjoncteur de couplage. Ces lampes sont alimentées sous les tensions : U = V - E comme le montre la figure 3.2. N.B : Marges des erreurs : fréquence : ± 0,1 Hz, tension : ± 10%, déphasage : ± 10º. Figure3. 2: Couplage d une machine synchrone sur un réseau : montage pratique.// Tensions du réseau et de la machine synchrone pendant le couplage. La figure 3.3 représente l algorithme de procédure utilisée pour arriver aux conditions optimales pour faire le couplage. Page 25

36 Chapitre 3: Procédure De Synchronisation Figure 3.3: Vérifier les conditions de couplage. Page 26

37 Chapitre 3: Procédure De Synchronisation III.2.1. Mesure et réglage de fréquence III Mesure de fréquence : On fait tout d abord mesurer la fréquence du réseau qui est toujours presque constante (50 Hz). Ensuite, on alimente le moteur à courant continu par une tension continue, le moteur commence donc à tourner d une vitesse quelconque. On utilise alors un photo-coupleur pour convertir le signal alternatif en signal carré (figure 3.4-b), pour l une des phases du réseau et l une des phases du générateur (voir chapitre 4), et on mesure la fréquence pour chacun d eux d après l algorithme représenté dans la figure 3.4-a. Figure 3.4: a- l organigramme pour mesurer la fréquence, b- convertir le signal entré en signal carré, c- explication. Page 27

38 Chapitre 3: Procédure De Synchronisation III Réglage de fréquence : Après la mesure de la fréquence, il faut vérifier si les deux fréquences obtenues sont égales U RI ou non. On rappelle l expression de la vitesse du moteur dans le chapitre II : N K ( If ) D après cette expression, si les deux fréquences sont différentes, et lorsque la vitesse de rotation N est proportionnelle à la fréquence f donc pour varier la fréquence, il faut varier le courant d excitation du moteur If. Pour cela on varie le rapport cyclique α2 qui est proportionnel de tension d excitation Vf donc lorsqu on augmente α2 le courant d excitation If augmente et vice versa (figure 3.5). Par suite, si la fréquence fg du générateur est plus petite que la fréquence fr du réseau il faut diminuer ce rapport cyclique 2, et il faut l augmenter dans le cas contraire (voir chapitre IV). Figure 3.5: l organigramme de réglage de fréquence. Page 28

39 Chapitre 3: Procédure De Synchronisation III.2.2. Mesure et réglage de tension III Mesure de tension : Ayant mesuré la valeur de la tension du réseau qui est toujours presque égale à 220V, on alimente le moteur à courant continu par une tension continue, le moteur commence donc à tourner et le générateur commence à produire de l électricité. D après l une des phases du réseau et l une des phases du générateur, on mesure la valeur de la tension pour chacun d eux d après l algorithme représenté dans la figure 3.6. Figure 3.6: a- l organigramme pour mesurer la tension, b- explication Page 29

40 Chapitre 3: Procédure De Synchronisation III Réglage de tension : Dans le but de régler la tension, on vérifie si les deux valeurs mesurées sont égales ou non. Si les valeurs des tensions sont différentes, on se base sur l expression de la f.é.m. du générateur citée dans le chapitre II, ( E KNS ( I e )), pour les égaler en faisant varier le courant d excitation du générateur Ie. Pour cela on varie le rapport cyclique α1 qui est proportionnel de tension d excitation Ve donc lorsqu on augmente α1, le courant d excitation Ie augmente et vice versa. Ce rapport cyclique α1 doit être augmenté dans le cas où la f.é.m. Vg du générateur est plus petite que la tension Vr du réseau, et doit être diminué dans le cas contraire. (Voir figure 3.7). Figure 3.7: l organigramme de réglage de tension. Page 30

41 Chapitre 3: Procédure De Synchronisation III.2.3. III Vérification de séquence Détermination de séquence En plus du réglage de la fréquence et de la tension, on est obligé à vérifier la coïncidence si la séquence des phases du réseau et celle des phases du générateur. Pour cela, on peut trouver la séquence des phases du réseau et celle du générateur, d après l algorithme qui est représentée dans la figure 3.8-a. L explication de cet algorithme est trouvée dans la figure 3.8-c. On utilise alors un photo-coupleur pour convertir le signal alternatif en signal carré, pour deux phases du réseau et deux phases du générateur (figure 3.8-b).. Figure 3.8: a- l organigramme pour déterminer la séquence des phases pour chaque source, b- convertir le signal entré en signal carré, c-explication. Page 31

42 Chapitre 3: Procédure De Synchronisation III Identité de séquence En se référant à l algorithme de la figure 3.10 et après la détermination de séquence des phases du réseau et celle du générateur, on vérifie l égalité de ces séquences de la manière suivante: Si l ordre des phases est correct : les trois tensions U varient simultanément et les trois lampes s allument ou s éteignent ensemble. Si l ordre des phases est incorrect : on vérifiera que les lampes s éteignent puis s allument successivement : il faut alors intervertir deux phases. Figure 3.9: l organigramme pour vérifier l identité de séquence des phases. III.2.4. Mesure et réglage du déphasage Il arrive que dans les conditions idéales de réglage (N = Ns et E = V) et les lampes soient toujours allumées. Cette situation peut arriver s il existe un déphasage (Ф) entre les tensions fournies par le réseau et celles composées par la machine synchrone (figure 3.10). Page 32

43 Chapitre 3: Procédure De Synchronisation Figure 3.10: Déphasage entre les tensions III Mesure du déphasage Il faut tout d abord mesurer la valeur du déphasage entre les deux sources à l aide de l algorithme de la figure Figure 3.11: l organigramme pour mesurer le déphasage entre les deux sources. Page 33

44 Chapitre 3: Procédure De Synchronisation III Réglage du déphasage Pour annuler ce déphasage (et donc mettre en phases les tensions du réseau et celles de la machine) il suffit de faire varier lentement la vitesse de rotation du groupe et observer un battement très lent des feux des lampes. Dès que les lampes s éteignent on peut coupler la machine au réseau (figure 3.12). Figure 3.12: l organigramme de réglage de déphasage. III.3. Fonctionnement en alternateur débitant sur le réseau Après couplage sur le réseau, l alternateur est prêt de fournir de la puissance active P et réactive Q, en agissant respectivement sur le couple mécanique du moteur Tm et l excitation de l alternateur Ve. Si on diminue I f la force électromotrice E du moteur à courant continu diminue ce qui entraîne une augmentation du courant d induit I donc une augmentation du moment du couple électromagnétique (Tem = k.ф(i f ).I). Page 34

45 Chapitre 3: Procédure De Synchronisation Figure 3.13: schéma équivalent du moteur À partir de ce schéma équivalent nous pouvons exprimer le courant qui traverse l induit de la machine à courant continu : Pour Va = Cte, si E diminue (avec E < Va) alors I augmente et Tem aussi. La machine à courant continu fonctionne en moteur et la machine synchrone en alternateur (nous pouvons constater que la puissance active absorbée par la machine synchrone est négative). D autre part, le courant d excitation de la machine synchrone permet de régler le transfert d énergie réactive entre le réseau et la machine à puissance active nulle. Notre synchrocoupleur est équipé de circuit permettant de faire un réglage manuel de puissance active et réactive. Ce réglage se fait à l aide de deux potentiomètres agissants sur le courant d excitation du moteur d une part et le courant d excitation du générateur d autre part. A noter qu il est possible de faire un réglage complètement automatique. Ce problème est maintenant hors de cadre de notre projet. Page 35

46 Chapitre 4: Tableau De Synchronisation CHAPITRE IV TABLEAU DE SYNCHRONISATION IV.1. Les Composantes Utilisées IV.1.1. IV.1.2. IV.1.3. IV.1.4. Le microcontrôleur PIC16F877A Le disjoncteur triphasé Le contacteur Autres composantes IV.2. Les Circuits Utilisés IV.2.1. IV.2.2. IV.2.3. IV.2.4. Circuit d alimentation à découpage Circuit des contrôles d excitations. Circuit de filtre L-C Circuit de control IV Mesure de tension IV Mesure de fréquence et vérification de séquence IV Réglage de fréquence et de tension IV Ordres aux contacteurs IV Affichage des informations sur LCD et sur les lampes IV Autres circuits IV.3 Dimension et coût du tableau réalisé. Page 36

47 Chapitre 4: Tableau De Synchronisation IV.1. Les Composantes Utilisées Le tableau de synchronisation, représenté dans la figure 4-1, est formé des plusieurs circuits et plusieurs composantes. Figure 4.1: Tableau de synchronisation. Les composantes intérieures utilisées dans ce tableau sont : - Le microcontroleur PIC16F877A - Deux disjoncteurs triphasés - Deux contacteurs Les composantes extérieures utilisées dans ce tableau sont : - Deux boutons poussoirs - Un écran LCD - Quatre potentiomètres - Six lampes d affichage - Trois lampes de synchronisation Page 37

48 Chapitre 4: Tableau De Synchronisation IV.1.1. Le microcontrôleur PIC16F877A Le diagramme de ce PIC est représenté dans la figure 4-2-a, le PIC16F877A est la composante la plus importante utilisée dans le circuit de control du projet (figure 4-2-b). Figure 4.2: (a) - PICF877A, (b) - circuit de control À l aide de cette composante (figure 4.2-a), on peut mesurer une donnée numérique ou analogique, et générer des signaux de contrôle selon ces données mesurées. D autre part, le PIC16F877A réduit les dimensions et le coût des matériaux électroniques, améliore la fiabilité, le temps de réponse, la performance du contrôle,. Et d après le circuit de control (figure 4.2-b), on fait tous les étapes de calculs pour faire la synchronisation entre la machine synchrone et le réseau ainsi donne l ordre de couplage entre les deux sources. Page 38

49 Chapitre 4: Tableau De Synchronisation IV.1.2. Le disjoncteur triphasé Dans notre projet, on utilise deux disjoncteurs triphasés thermomagnétiques pour protéger les phases du réseau d une part et les phases du générateur synchrone d autre part. Figure 4.3: Disjoncteur thermomagnétique triphasé IV.1.3. Le contacteur On utilise aussi deux contacteurs (figure 4-4), l un pour faire intervertir deux phases lorsque la séquence de phase du générateur et celle du réseau sont différentes, et l autre pour faire le couplage lorsque les conditions du couplage sont correctes. Figure 4.4: Contacteur tétra-polaires. Page 39

50 Chapitre 4: Tableau De Synchronisation IV.1.4. Autres composantes Deux Boutons poussoirs : (figure 4-5-a), sont utilisées dans le mode manuel, l une pour faire le couplage lorsque les conditions de couplage sont correctes et l autre pour faire le découplage. Un écran LCD : (figure 4-5-b), pour afficher les informations nécessaires (fréquence et f.é.m. du générateur et fréquence et tension du réseau). Figure 4.5: (a) Bouton poussoir (b) LCD connectés au PIC Deux potentiomètres : sont utilisées dans le mode manuel, l un pour régler la tension d excitation du générateur (réglage de f.é.m.) et l autre pour régler la tension d excitation du moteur (réglage de fréquence). Six lampes d affichage : ces lampes sont utilisées pour donner les informations nécessaires concernant l état de procédure de synchronisation. Trois Lampes de synchronisation : chacune de ces lampes de synchronisation a sur ses bornes une tension égale à la différence entre la f.é.m. de générateur et la tension du réseau. Figure 4.6: (a) potentiomètres (b) lampes d affichage (c) lampes de synchronisation Page 40

51 Chapitre 4: Tableau De Synchronisation IV.2. IV.2.1. Les Circuits Utilisés Circuit d alimentation à découpage Pour assurer l alimentation de notre projet par les tensions +12V et +5V, on a préféré d utiliser la technique des circuits d alimentations à découpage, cette technique nous a offrir plus d avantages que les redresseurs classiques : - Elle est moins volumineuse qu autres circuit. - Elle n a pas de dissipations thermiques. - Elle peut donner plus de puissance. L introduction de l'alimentation à découpage dans notre projet, nous a permis de se débarrasser des nombreux perturbations, assurer des tensions bien régulé ce qui conduit au bon fonctionnement des différents circuits qui deviennent plus performants dans le projet surtout l alimentation de pic microcontrôleur qui est la chef d orchestre de notre projet. Les alimentations à découpage ont souvent permis un gain de puissance sans détérioration notable des caractéristiques thermiques des équipements. Figure 4.7: circuit d alimentation à découpage. Page 41

52 Chapitre 4: Tableau De Synchronisation IV.2.2. Circuit des contrôles d excitations. Figure 4.8: circuit de contrôles des excitations. Pour régler la tension et la fréquence du générateur, il faut varier la tension d excitation du générateur d une part et celle du moteur à courant continu d autre part. La meilleure méthode pour varier ces deux tensions est la technique de PWM. À l aide de PIC16F877A qui a deux bornes (pin 16 et 17) qui donnent des signaux PWM, on utilise l une pour le moteur DC et l autre pour le générateur synchrone. Dans ce circuit on a fait le redressement de l électricité de AC à DC par un simple pont de diode, puis on met un condensateur pour faire un redressement presque parfait. Les deux bornes (pin 3 et pin 5) de PIC16F877A sont utilisées l une pour varier la vitesse du moteur DC (c.à.d. la fréquence) et l autre pour varier la valeur de f.é.m. du générateur. À l aide d un photo-coupleur, ces deux bornes correspondent aux valeurs de deux rapports cycliques qui sont dépendantes de la variation de valeur de T on du transistor IRFP460 qui est utilisé comme un interrupteur. Donc ce transistor joue le rôle d un interrupteur à grande fréquence, quand le PWM varie la tension moyenne varie ce qui donne le contrôle. Page 42

53 Chapitre 4: Tableau De Synchronisation Or, l excitation du moteur ou du générateur est une bobine qui engendre une inductance, qui, lors de ces temps morts se comporte comme un générateur de courant. Pour cela on utilise le diode de Schottky pour faire la protection de circuit contre le courant. IV.2.3. Filtre L-C Figure 4.9: filtre pour les harmoniques d ordre supérieurs Dans notre projet on a recouvris des divers problèmes, l un de ces problèmes est la forme d onde généré par notre mini générateur utilisé dans le projet. La forme d onde n est pas purement sinusoïdale ce qui dépend de la saturation du circuit magnétique et d autres facteurs comme la puissance du générateur, de la forme d encoche, de la méthode de bobinage et ainsi de suite. La troisième harmonique est l harmonique dominante dans la courbe de tension (à cause de la saturation et l hystérésis). Pour se débarrasser de cette harmonique et des harmoniques des rangs impaires, on utilise des filtres L-C (figure 4.9) pour chaque phase du réseau et du générateur. Chaque filtre de ce type est composé de deux condensateurs et une inductance. L utilisation d un tel filtre améliore l onde de tension ce qui améliore le fonctionnement du PIC. Page 43

54 Chapitre 4: Tableau De Synchronisation IV.2.4. Circuit de control La figure présente le circuit de contrôle de notre projet, utilisé pour faire la synchronisation entre une machine synchrone et un réseau infini (figure 4-10). Figure 4.10: circuit de control Toutes les composantes utilisées dans ce circuit sont connectées au microcontrôleur PIC (figure4-11) pour: - Calculer les valeurs de tension du réseau et de f.é.m. du générateur. - Mesurer les valeurs de fréquence du réseau et de fréquence du générateur. - Trouver la séquence de phase de chaque source. - Donner les ordres aux contacteurs. - Afficher les informations sur l écran LCD, et les résultats sur les six lampes d affichage. Figure 11: Composantes connectées au PIC Page 44

55 Chapitre 4: Tableau De Synchronisation IV Mesure de tension On utilise deux bornes du PIC (bornes 2 et 4) pour mesurer la tension du réseau Vr et la f.é.m. du générateur Vr (figure 4-12). la tension haute de chaque phase est abaissée par le circuit abaisseur de tension figuré ci-dessous. Le potentiomètre est ajusté de sorte que le microcontrôleur lise la valeur de la tension de la phase correctement. Figure 4.12: Schéma de principe d'un circuit de mesure d'une tension IV Mesure de fréquence et vérification de séquence Pour mesurer la fréquence et vérifier la séquence de phase, il faut tout d abord faire convertir le signal alternatif en un signal carré. Pour cela, on utilise un photo-coupleur (figure 4-13). Si le signal alternatif est positif, le transistor sera actif et le signal carré deviendra 1 ; et si le signal alternatif est négatif, le transistor sera bloqué et le signal carré deviendra 0. On obtient alors quatre signaux carrés qui servent des entrées du pic dans les quatre bornes 37, 38, 39 et 40. Figure 4.13: Schéma de principe d'un circuit pour convertir le signal alternatif en signal carrée. Page 45

56 Chapitre 4: Tableau De Synchronisation Lorsqu on obtient ces signaux carrés, on peut mesurer la fréquence et vérifier la séquence de phase comme on a vu au chapitre 3. IV Réglage de fréquence et de tension Après avoir mesuré les fréquences et les tensions, on utilise les bornes 3 et 5 pour régler ces valeurs. Pour cela, et en se référant au circuit de la figure 4-14, on utilise les potentiomètres pour varier les deux rapports cycliques (α 1 et α 2 ) des deux transistors qui sont affectés aux signaux carrés (PWM1 et PWM2), et qui influent sur les valeurs de la tension d excitation du moteur dc (pour régler la vitesse) et de la tension d excitation du générateur synchrone (pour régler la f.é.m.). Figure 4.14: circuit de réglage manuel de la fréquence ou de la tension. IV Ordres aux contacteurs Pour donner les ordres aux contacteurs, on utilise les deux bornes 18 et 19 comme le montre la figure L une des bornes (pin 18) sert à intervertir deux phases du générateur si la séquence de phase de générateur et celle de phase de réseau sont différentes, et l autre (pin 19) sert à donner l ordre de couplage si les conditions de ce dernier sont respectées. Contacteur 1 : utilisé pour la séquence de phase Si la borne 18 est à l état haut ( 1 logique) donc le transistor de photo-coupleur est passant, c.à.d. la tension +12V sera à la borne de relais 1. Alors le relais 1 fonctionne, et par suite le contacteur 1 fonctionne et fait intervertir les deux phases S et T du générateur. Page 46

57 Chapitre 4: Tableau De Synchronisation Contacteur 2 : utilisé pour le couplage entre le générateur et le réseau. Si la borne 19 est à l état haut ( 1 logique) donc le transistor de photo-coupleur est passant, c.à.d. la tension +12V sera à la borne de relais 2. Alors le relais 2 fonctionne, et par suite le contacteur 2 fonctionne et fait coupler la machine synchrone au réseau. Figure 4.15: ordres à deux contacteurs IV Affichage des informations sur LCD et sur les lampes Pour afficher les informations nécessaires concernant l état de procédure de synchronisation sur l écran LCD et sur les lampes d affichage (figure 4-16), on utilise plusieurs bornes connectées au LCD et six bornes connectés respectivement aux lampes d affichage L1, L2, L6. Page 47

58 Chapitre 4: Tableau De Synchronisation Figure 4.16: Schéma de principe pour LCD et les lampes d affichage - L1 : cette lampe est allumée si le programme est exécuté sans aucune erreur. - L2 : cette lampe est allumée s il y a une erreur dans le programme. - L3 : cette lampe est allumée si la séquence de la phase du générateur est différente de celle de la phase du réseau. Cette lampe reste allumée quelques secondes jusqu à ce que le relais fonctionne pour invertir 2 phases et puis cette lampe s éteigne. - L4 : cette lampe est allumée si on arrive aux mêmes valeurs de fréquences, du générateur et du réseau. - L5 : cette lampe est allumée si on arrive aux mêmes valeurs de tensions, du générateur et du réseau. - L6 : cette lampe est allumée si toutes les conditions du couplage sont respectées. IV Autres circuits Circuit pour choisir le mode de synchronisation : on utilise les deux bornes 6 et 20 pour choisir dans quelle mode on veut travailler. Figure 4.17: Schéma de principe pour la mode choisie Page 48

59 Chapitre 4: Tableau De Synchronisation. Si la borne 6 = 1, on travaille dans le mode manuelle et si la borne 20 = 1, on travaille dans le mode automatique. Oscillateur Quartz : on connecte les bornes 13 et 14 à la sortie d un oscillateur quartz 20MHz figuré ci-dessous. Figure 4.18: Schéma de principe de l'oscillateur quartz IV.3 Dimension et coût du tableau réalisé. Le tableau de synchronisation a les dimensions: - Hauteur : 60cm - Largeur : 40cm - Profondeur : 15 cm - Poids : 18 Kg Le tableau est équipé : - De 8 circuits imprimés. - De deux disjoncteurs - De trois contacteurs - De deux boutons poussoirs - D un interrupteur - De 11 lampes. - D un écran LCD. - Six leds. Le coût de ce tableau est environ : 500$ Page 49

60 Conclusion CONCLUSION 1- Le synchrocoupleur est élément essentiel de toute centrale électrique. Sans synchronisation, on risque de détériorer l'alternateur ce qui rend impossible le couplage direct des alternateurs en parallèle. Donc, pour coupler un alternateur on se sert d'un synchrocoupleur. 2- Le présent projet concerne la réalisation pratique d un synchrocoupleur automatique capable de brancher sans risque un alternateur avec un réseau infini ou un alternateur avec un autre alternateur. 3- Plusieurs problèmes ont été traités tels que : a- le réglage et la stabilisation automatique de la fréquence et la tension, b- la comparaison et coordination des grandeurs alternateur-réseau, c- la détermination de séquence des phases, d- la détection de l instant précis de coïncidence des phases alternateur-réseau, e- le branchement automatique de l alternateur au réseau. 4- Les problèmes citées sont résolus grâces aux circuits électroniques élaborés (8 circuits) et au Microcontrôleur programmable commandant le fonctionnement des circuits. Ce sont : a- les Circuits de Mesure, de Contrôle et de Réglage et d affichage de Tension, de Fréquence, de Vitesse et de Phase ainsi que le Circuit de Vérification de Séquence des phases, b- les Circuits d Alimentation en AC et DC, c- un Filtre L-C pour améliorer la forme d onde de tension, d- les Circuits de Commande et de Protection. 5- Le fonctionnement correct des circuits et du tableau exige une élaboration d un multiple d organigrammes et d un programme pour le Microcontrôleur. 6- Le tableau réalisé permet de choisir un Mode parmi les deux modes fonctionnels suivant: a- un mode complétement automatique réalisant tout le processus de synchronisions y compris le contrôle, l affichage et le commande du contacteur, b- un mode manuel où on doit régler manuellement la tension, la fréquence et la séquence des phases et à la fin on doit assurer la fermeture du contacteur. 7- Le travail, présenté dans ce rapport, amène à soulever les perspectives de recherche suivantes : a- Contrôle de puissance active et réactive d un alternateur couplé sur un réseau actif (Load sharing). b- Protection de l alternateur contre l inversion de puissance. c- Démarrage et commande d un compensateur synchrone. d- Interfaçage entre synchrocoupleur automatique et ordinateur (vitesse de rotation, puissance active et réactive, tension, courant, fréquence, couplage de l alternateur sur le réseau, etc ) Page 50

61 Références REFERENCES 1- Theodore WILDI, Electrotechnique, 3Edition, ABB- SYNCHROTACT, Fiche technique, Chauvin ARNOUX Synchronisation automatique d un groupe électrogène sur le réseau, SYNCHRO coupleur, Claude CHEVASSU, Couplage des alternateurs, réseau national de ressources électrotechnique, Claude CHEVASSU, Machines Electriques- Cours et problèmes, Fathi KAROUI, Couplage d une machine synchrone au reseau, Lycée du Val de Saône, Section de Technicien Supérieur : électrotechnique 7- Amer Iqbal QURESHI, PIC Microcontrollers for Absolute Beginners, Microtronics Pakistan 8- Disahkan OLEH, DC Motor speed control using Microcontroller PIC16F877A, Malaysia Erdal BEKIROGLU, AUTOMATIC SYNCHRONIZATION UNIT FOR THE PARALLEL OPERATION OF SYNCHRONOUS GENERATORS, pp , IEEE référence

62 Annexes Annexes -A- Le microcontrôleur 16F877A 1. Introduction: Les microcontrôleurs envahissent notre environnement sans que nous le sachions. Ces petits composants se retrouvent de plus en plus dans tous les matériels que nous utilisons quotidiennement, machine à laver, mulot (souris), ordinateur, téléviseur. Dotés d'une logique programmée ils sont capables de réagir à l'environnement un peu à la manière d'automates programmables. Mais leurs propriétés ne se limitent pas à offrir un certain nombre d'entrées sorties logiques. Ils sont parfois dotés de fonctions supplémentaires telles que convertisseurs analogiques numériques, horloges temps réel, comptage rapide etc. Plusieurs fondeurs se partagent ce marché, citons INTEL, MOTOROLA, AMTEL, ZILOG, PHIIPS et enfin MICROCHIP qui nous intéresse ici. On peut dire à propos du microcontrôleur qu il est un petit ordinateur depuis qu il a possédé les caractéristiques d un ordinateur mais en petites aptitudes. Comme l ordinateur, il est constitué d une unité centrale de traitement (central processing unit) et des mémoires en ses divers types. Mais quelles sont les avantages de ce dispositif? En fait, le microcontrôleur peut être programmé pour contrôler n importe quelle application industrielle. Donc, en utilisant quelques dispositifs, on peut mesurer une donnée numérique ou analogique, et générer des signaux de contrôle selon ces données mesurées. Avec ce service, on peut se débarrasser des outils de mesurement numérique chers comme les ampèremètres et les voltmètres numériques D autre part, le microcontrôleur réduit les dimensions et le coût des matériaux électroniques, améliore la fiabilité, le temps de réponse, la performance du contrôle, et fait enlargir le domaine d emploi. Ce performance de contrôle, et ce domaine d emploi sont appliqués en logiciel (software), donc ils sont flexibles pour réunir des différentes caractéristiques, ou pour additionner des caractéristiques extra. Quelques options sont encore disponibles dans le microcontrôleur comme la minuterie (timer), le I

63 Annexes convertisseur analogique numérique, la mémoire EEPROM, les bornes de contrôle, et le simple protocole pour la communication série. Le microcontrôleur possède maintenant un bus de donnée de 4, 8, ou 16 bits. Le microcontrôleur à 8 bits est le plus populaire. Ce type de microcontrôleur est maintenant produit par quelques compagnies comme: Microship, Intel, et Motorola. Parmi ces compagnies, Microship est le principal fournisseur des microcontrôleurs à 8 bits. Dans ce projet, le microcontrôleur 16F877A est choisi de la série Microship PIC16FXXX pour répondre aux différents objectifs demandés. En fait, il possède toutes les caractéristiques nécessaires pour notre conception. 2. Le PIC16F877A: Le diagramme du PIC16F877A est présenté dans la figure IV.1: Figure 1:Diagramme du PIC16F877A 3. Les caractéristiques du PIC16F877A: Le PIC16F877A est caractérisé par: Une unité centrale de traitement à haute performance. 35 mots instructions seulement pour apprendre. II