Soutenance mémoire
RÉALISATION DE L’ÉMULATEUR
CONCEPTION DE LA SOURCE DE TENSION DE L’ÉMULATEUR
Le Chapitre 3 traite des exigences de la source de tension nécessaires à l’accomplissement de sa tâche, ainsi que des raisons qui ont écarté les solutions offertes sur le marché : inefficacité, incapacité en absorption d’énergie et incapacité à alimenter une charge variable. Pour ces raisons, la conception complète d’une source de tension bipolaire quatre quadrants a été entreprise. Même si ce type de source est disponible sur le marché, Opal-RT désirait tout de même développer ce produit. De plus, à la suite des constats faits dans le Chapitre 5, on comprend que la meilleure corrélation des courants entre une simulation en temps différé et une simulation en temps réel ne peut être obtenue avec un amplificateur en commutation standard. Ce chapitre technique couvre donc la réalisation des principaux modules utilisés pour l’achèvement de ce projet. Les calculs présentés correspondent à ceux du deuxième prototype. Afin de satisfaire une tension de 80Vcrête requise pour le deuxième prototype, la tension d’entrée de l’amplificateur a été augmentée à 200V par rapport à 150V.
Application global
La Figure 4.1 du Chapitre 4 présente la simulation de référence en temps différé qui représente approximativement l’application du client à laquelle l’émulateur de moteur doit répondre. En se référant à cette figure, on divise cette simulation en deux blocs distincts : la partie réelle, matérielle et la partie virtuelle, mathématique de la simulation. La Figure 6.1 présente les composantes matérielles requises par l’application. La partie supérieure de la figure comprend le convertisseur de puissance de l’entraînement de moteur, les impédances du stator, les mesures de courant, le filtre de l’amplificateur, l’amplificateur lui-même, ses contrôleurs et les sources d’alimentation. Toutes ces composantes sont matériellement existantes. La partie inférieure de la figure ne comprend que le simulateur en temps réel d’Opal-RT qui modélise le système électrique du moteur, son système mécanique et les contrôleurs de position et de couple. En réalité, l’application finale du client implémente les contrôleurs de position et de couple dans un contrôleur dédié. Dans ce cas-ci, leur implantation dans le simulateur simplifie le projet sans apporter d’inconvénient.
expose le montage réel utilisé dans ce projet pour l’application PHIL.
Ce présent chapitre est dédié à la réalisation des sources de tension de l’émulateur, soit l’amplificateur triphasé. Les autres modules de l’application sont fournis par Opal-RT. Convertisseur de l’entraînement de moteur s / Amplificateur triphasé / Impédances Mesures ‘ du stator de courant
Signaux de grille Simulateur en temps réel d’Opal-RT Contrôleur de couple et de position Modèle de moteur BLOC & Sys. Mécanique Références de tension Émulateur de moteur Interface utilisateur Simulateur en temps réel d’Opal-RT Amplificateur de ^ ■ ^ ^ te n s io n s triphasé Impédances du stator & Mesures de courant (MotorBox) Entraînement de moteur (Drive)
Modules de l’amplificateur triphasé
L’amplificateur triphasé conçu est composé de plusieurs modules exposés à la Figure 6.3. Les différentes teintes des blocs, ainsi que leur numéro, indiquent leur appartenance à un circuit imprimé (PCB). Ainsi, on dénote cinq circuits imprimés différents : 1) Le PCB principal de l’amplificateur comprend le module d’absorption d’énergie (Section 6.3) ainsi que les interrupteurs de puissance. Il soutient le PCB d’alimentations auxiliaires et le PCB de commande (Figure 6.5). Le PCB d’alimentations auxiliaires fournit les six alimentations requises pour les circuits d’attaque de grille, les deux alimentations de commande ainsi que l’alimentation pour les ventilateurs. Une alimentation individuelle (pour un total de six) est apportée à chaque interrupteur. Cette approche a été privilégiée par rapport au boot-strap afin de permettre un rapport cyclique de 1 0 0 % aux interrupteurs supérieurs pour une autre utilisation du pont triphasé (Figure 6.9). Les alimentations auxiliaires sont obtenues à partir d’un convertisseur DC/DC avec une topologie de type fîyback. Cette topologie a été choisie parce qu’elle apporte une isolation galvanique pour chacune de ses sorties et qu’elle est protégée contre les surcharges. Afin de faciliter la fabrication du transformateur (Voir annexe VI), les six alimentations des circuits d’attaque ont été obtenues avec des DC/DC offerts sur le marché. Ainsi, le transformateur ne possède que quatre enroulements au lieu de huit : un pour le primaire, deux pour les secondaires servant à alimenter les circuits de commande et un pour le secondaire alimentant les ventilateurs et les convertisseurs DC/DC des circuits d’attaque. 3) Le PCB de commande implémente toute l’intelligence de l’amplificateur. Il régule les tensions de sortie de l’amplificateur et gère les autres modules (Section 6.4, Figure 6 .6 ). 4) Le PCB de filtre est placé à la sortie du pont de puissance triphasé et il réalise le filtre calculé au Chapitre 5 (Figure 6.7). 5) Le PCB d’amplificateurs différentiels permet l’isolation par des impédances élevées des signaux de référence analogiques provenant du simulateur. Ce module est l’une des précautions mises en branle pour minimiser les risques de bris du simulateur (Figure 6 .8 ). Les schémas électriques du deuxième prototype avec les composantes finales utilisées sont présentés aux annexes I à V. La justification des structures adoptées de certains de ces modules a été jugée pertinente pour ce mémoire. Les prochaines sections détaillent alors la réalisation du module d’absorption et du module de commande.
Module d’absorption d’énergie
Ce module différencie l’amplificateur réalisé des amplificateurs audio puisqu’il permet un fonctionnement continu dans les quatre quadrants. La solution idéale aurait été d’avoir une unité qui régénère l’énergie vers une autre source de tension permettant ainsi de récupérer l’énergie pour d’autres applications. La majorité des auteurs couverts par la revue de littérature préconisent d’ailleurs cette approche en raison de la puissance importante de leur projet. Toutefois, dans le cadre du partenariat avec Opal-RT, cette unité a été considérée comme un autre projet à part entière qui pourra être conçu dans une deuxième phase. Ainsi, l’approche dissipative a été privilégiée à la récupération d’énergie. L’énergie dissipée est uniquement égale à l’énergie absorbée lorsque le moteur est en traction, ce qui permet d’obtenir des rendements tout de même supérieurs à l’amplificateur linéaire. Cette approche est possible puisque la puissance moyenne de l’application est de seulement 150W. Des puissances supérieures n’auraient pu mener à de telles décisions. Privilégiant l’approche dissipative, la source d’alimentation DC ne fonctionne alors que dans un seul quadrant, celui fournissant l’énergie à l’amplificateur. Ainsi, une telle source ne tolère pas l’absorption de puissance puisqu’elle ne possède aucun moyen de gérer ce surplus d’énergie. Il faut donc ajouter un dispositif (diode) bloquant la régénération d’énergie vers la source DC. Lors d’un fonctionnement en mode absorption, l’énergie absorbée se dirige vers le banc de condensateurs d’entrée. Étant donné que la régénération vers la source est impossible, l’énergie absorbée est entièrement accumulée dans le banc de condensateurs qui en voit la tension à ses bornes augmentée. Afin de limiter l’augmentation de la tension et de pouvoir opérer continuellement en absorption d’énergie, un élément dissipatif contrôlable doit être ajouté. Un moyen simple d’obtenir cette fonctionnalité est de commuter des résistances aux bornes des condensateurs avec un rapport cyclique variable.
Efficacité du modul
L’objectif de ce module est de dissiper l’énergie absorbée provenant de l’entraînement de moteur. Cet aspect a orienté quelques choix de conception. La Figure 6.12 présente le circuit complet du module d’absorption. On y voit premièrement que les alimentations des circuits d’attaque de grille sont obtenues à l’aide de résistances et de diodes Zener. Cette méthode est inefficace surtout dans un contexte où un module existe déjà pour fournir les alimentations aux autres circuits. Toutefois, étant donné que l’objectif du module est de dissiper de la chaleur, ces pertes supplémentaires dans les résistances et les diodes Zener n’ont pas été jugées problématiques et simplifient le module d’alimentations auxiliaires. Deuxièmement, on voit que le condensateur de découplage aux bornes de la maille de commutation avec la résistance est omis. Généralement, une telle omission créerait des oscillations importantes à chaque commutation en raison de l’inductance de fuite. Afin d’éliminer ces oscillations, la commutation des transistors a été ralentie de manière à ce que la constante de temps du circuit oscillant soit de beaucoup inférieure aux temps d’ouverture et de fermeture. Ceci se traduit par des pertes supplémentaires dans les transistors, mais elles n’ont pas d’importance puisque le module vise la création de ces pertes (tant que le transistor le tolère). Diode antirégénération
Déséquilibre des tensions des condensateurs
Le module d’absorption est constitué de deux condensateurs en série de manière à créer une tension médiane pour les filtres de sortie, le neutre. Dans certains cas de fonctionnement, les tensions de ces deux condensateurs (idéalement égales) peuvent se déséquilibrer. Afin d’avoir un contrôle sur ce déséquilibre, l’élément dissipatif a été séparé en deux sections, une pour chaque condensateur. La charge de chaque condensateur pouvant ainsi être variée, on contrôle la tension de chacun d’eux. Dans un cas idéal, où aucun déséquilibre ne surviendrait, les puissances dissipées dans les deux résistances seraient identiques; c’est d’ailleurs ce que suppose la section .
Application d’émulation de moteu
On doit se questionner sur la source du déséquilibre du bus DC. Est-ce que l’application type d’émulation de moteur crée un tel déséquilibre? En raison de l’importance de la capacité du bus DC, le déséquilibre ne peut être dû aux dynamiques de commutation, de haute fréquence. Pour cette raison, on analyse le circuit en valeur moyenne et l’on simplifie le filtre de sortie par un circuit d’ordre un, puisque ce dernier ne sert qu’à atténuer les hautes fréquences. La Figure 6.13 propose ce circuit en valeur moyenne ainsi que les variables d’intérêt. Les courants I ’a , I ’b et l ’c sont ceux à la sortie du convertisseur de puissance, les courants I a , I b et le sont ceux de l’émulateur de moteur et les courants ls et In sont les courants de source et de neutre respectivement. Les variables DA, DB et De décrivent quant à elles le rapport cyclique de chacun des bras du convertisseur triphasé. On écrit ensuite les équations des quatre nœuds d’intérêt Ni, Nÿ, N3 et N4 (Éqn. 6.1). Il y a déséquilibre lorsque les courants des condensateurs (Jh et I£) ne sont pas égaux.
L’application d’émulation de moteur ne permet aucune connexion de l’entraînement de moteur au neutre. La somme des cornants de phase de ce système triphasé est alors nulle (IA + /s + /c = 0 ) puisqu’aucun autre retour de courant n’est offert à l’entraînement de moteur. En appliquant cette relation à N] et N2 , on obtient l’équation du troisième nœud (N3 ),
ce qui prouve que le déséquilibre est uniquement dû au courant de neutre auquel l’entraînement de moteur n’a aucune emprise.
Le courant du neutre dépend seulement des tensions de sortie (N4 ). Pour des tensions
triphasées sinusoïdales de même amplitude, le courant de déséquilibre est nul puisque la
composante homopolaire est nulle. Toutefois, pour des tensions de sortie trapézoïdales, la
composante homopolaire est non nulle. Toutefois, puisque les amplitudes des tensions de
sortie sont les mêmes, le courant de déséquilibre est négligeable. Ainsi, on établit que
l’application type de l’émulateur de moteur n’apporte pas de déséquilibre. De plus, le vrai
filtre de sortie possède un condensateur en série avec la résistance de charge, ce qui diminue
largement l’amplitude des courants de neutre de basse fréquence.
Utilisation de l’amplificateur pour d’autres applications
Le déséquilibre des tensions du bus DC provient donc de l’utilisation de l’amplificateur pour d’autres applications, celles utilisant le neutre. Dans ce cas, le courant de neutre peut être non nul et non négligeable. Un déséquilibre, dont l’amplitude varie selon l’amplitude du courant de neutre, est alors éminent. Puisqu’il ne s’agit pas d’un cas de fonctionnement normal pour l’émulateur de moteur, on n’établit pas ici les équations régissant ce déséquilibre. Toutefois, en expérimentation, ce phénomène a été observé lors du branchement d’une charge résistive entre une sortie et le neutre. Le signal d’entrée ayant une légère composante DC, le courant moyen du neutre était non nul et menait à un déséquilibre des tensions du bus DC. Ce déséquilibre affecte la génération de signaux d’amplitude importante et a été compensé par le contrôle adéquat des modules de dissipation (Section 6.3.4).
Dimensionnement des condensateurs et des résistances
La puissance moyenne de l’application est de seulement 150W, avec des puissances crêtes atteignant 1500W. On considère que cette puissance crête doit soit être délivrée pendant 0.1s ou soit absorbée pendant 0.1s. Le rapport cyclique de ces impulsions de puissance étant de 10%, 0.9s doivent ensuite s’écouler avant que l’amplificateur ne doive supporter une autre impulsion de puissance. Ces impulsions de puissance produisent des variations importantes de la tension aux bornes des condensateurs d’entrée (bus DC). Le module d’absorption doit être conçu pour que la variation de tension du bus DC soit tolérable dans les deux modes.
Mode absorption
En mode absorption, on choisit la capacité du bus DC selon la limite maximale de tension que l’on tolère; par rapport à une tension d’alimentation de 200V, on juge qu’une surtension de 240V est acceptable. Dans ce mode, le courant de la source est nul puisque la tension du bus DC est toujours égale ou supérieure à celle-ci, supposant un bus DC initialement chargé à la tension de source. De plus, on suppose que les tensions aux bornes des deux condensateurs sont identiques. On établit ainsi le modèle équivalent moyen du module d’absorption en simplifiant Convertisseur triphasé il On effectue alors un bilan d’énergies pour connaître l’élévation de tension aux bornes du bus DC. On sait que peu importe la valeur des résistances de dissipation, celles-ci doivent être commutées de façon à ne pas dépasser leur limite de puissance (P r è s)- La Figure 6.15 montre les flots de puissance ainsi que la variation de tension du bus DC attendus. Afin que le bus DC puisse se décharger complètement avant la prochaine impulsion de puissance, Près doit être supérieur à la puissance moyenne absorbée (Éqn. 6.2). En établissant le bilan d’énergie dans le module d’absorption lors de la charge du bus DC, on écrit l’équation 6.3. Ensuite, on détermine la puissance devant être dissipée par les résistances selon la capacité du bus DC et la variation de tension permise.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Type de simulations
1.1.1 Simulation en temps réel avec HIL
1.1.2 Simulation en temps réel PHIL avec banc d’essai dynamométrique
1.1.3 Simulation PHIL avec charge électronique
1.2 Émulateurs de charges
1.3 Comparaison des émulateurs de moteurs
1.3.1 Type de moteur
1.3.2 Modèles de moteur
1.3.3 Fréquence de commutation
1.3.4 Topologie de l’émulateur
1.3.5 Impédances et stratégies de contrôle
1.4 Retour sur la revue de littérature
CHAPITRE 2 DESCRIPTION GLOBALE DU PROJET
2.1 Exigences d’Opal-RT
2.2 Structure de l’émulateur
2.3 Bienfaits et inconvénients de la structure d’émulateur proposée
CHAPITRE 3 RÉALISATION DE L’ÉMULATEUR
3.1 Technologie linéaire
3.1.1 Performances du MP
3.1.2 Fonctionnement de l’amplificateur de classe AB dans les quatre quadrants
3.1.3 Estimation du surdimensionnement de l’amplificateur de classe A B
3.1.4 Modifications de l’amplificateur de classe AB
3.2 Amplificateurs audio
3.3 Conception d’un convertisseur en commutation
3.3.1 Rétroaction d’un amplificateur de classe D
3.3.2 Convertisseurs multiniveaux
3.3.2.1 Avantages des topologies multiniveaux
3.3.2.2 Amplitude des harmoniques de commutation selon le nombre de niveaux
3.3.2.3 Bénéfices sur le filtre
3.3.2.4 Convertisseurs multiniveaux pour l’émulateur de moteur
3.4 Retour sur la topologie de l’émulateur
CHAPITRE 4 SIMULATION DE RÉFÉRENCE
4.1 Modèle du système mécanique
4.2 Modèle du moteur BLDC
4.3 Contrôleurs de position et de couple
4.4 Modulateur MLI et convertisseur de puissance.
4.5 Résultats de simulation
4.6 Retour sur la simulation de référence
CHAPITRE 5 CONCEPTION DU FILTRE DE L’ÉMULATEUR
5.1 Exigences du filtre
5.2 Les filtres de Butterworth
5.3 Conception d’un filtre pour l’émulateur de moteur
5.4 Retour sur l’évolution du filtre
CHAPITRE 6 CONCEPTION DE LA SOURCE DE TENSION DEL’ÉMULATEUR
6.1 Application globale
6.2 Modules de l’amplificateur triphasé
6.3 Module d’absorption d’énergie
6.4 Module de commande
6.5 Spécifications expérimentales
6.6 Retour sur la conception de l’émulateur
CHAPITRE 7 SIMULATION EN TEMPS RÉEL
7.1 Simulations en temps différé et en temps réel
7.1.1 Adaptation de la simulation en temps différé
7.1.2 Simulation temps réel
7.2 Cas de test : Variations des paramètres de simulation
7.3 Ajustements à la suite des résultats en temps réel
7.3.1 Saturation des inductances
7.3.2 Modélisation du convertisseur de puissance
7.3.3 Résumé des modifications ayant suivi l’expérimentation
7.4 Comparaison des résultats en temps réel
7.5 Retour sur l’expérimentation
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
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