d’une excitation shunt
Dans cette partie nous nous int´eresserons aux r´esultats exp´erimentaux obtenus avec une machine classique qui nous a ´et´e gracieusement prˆet´ee par l’entreprise Leroy Somer. Il s’agit d’une machine de 7.5 kVA, 2 paires de pˆoles, 50 Hz, 400 V et 11 A. C’est grˆace `a cette machine que nous avons pu comparer, l’ensemble de nos travaux avec une r´ealisation industrielle d´ej`a commercialis´ee. Le but ´etant bien sˆur de montrer que des am´eliorations peuvent ˆetre apport´ees par un design sp´ecial du syst`eme d’excitation et l’utilisation de lois de commande modernes.
1.5.1
La machine ´equip´ee d’excitatrice classique
Cette machine dite globale poss`ede les mˆemes caract´eristiques param´etriques que celle que nous utiliserons dans notre travail. La diff´erence fondamentale r´eside dans son syst`eme d’excitation et la commande. La machine fournie par Leroy Somer, utilise une excitation SHUNT dont la structure est fournie pr´ec´edemment (Fig.1.5) pour alimenter le rotor de la g´en´eratrice principale. Une photo de la boite `a bornes de cette machine est fournie par la figure 1.10.
Nous pouvons distinguer nettement les trois phases a, b et c coupl´ees en ´etoiles avec point neutre. Le r´egulateur (R230) utilis´e, est de type PID analogique dont le r´eglage s’ef- fectue via l’ajustement de potentiom`etres (actions P, I et D) permettant ainsi d’assurer un bon suivi de consigne ainsi que des performances sp´ecifiques. Il contrˆole le courant d’exci- tation de l’excitatrice en fonction de la tension sortie de l’alternateur [lsa37]. Dans cette section, nous nous int´eresserons `a ses performances vis-`a-vis de perturbations ´eventuelles. Pour ce faire, plusieurs r´eglages du r´egulateur ont ´et´e faits afin de mieux comprendre son fonctionnement et surtout d’en d´eduire le meilleur c’est `a dire celle qui donne les meilleures performances quant au suivi de consigne, au temps de r´eponse, au rejet de perturbation et au THD.
1.5.2
Conditions exp´erimentales
Afin d’analyser les performances du syst`eme de r´egulation classique implant´e dans la machine, un essai d’impact/d´elestage de charge et un essai de d´emarrage de machine asynchrone ont ´et´e r´ealis´es.
Pour ce faire, la GS est entraˆın´ee `a la vitesse nominale jusqu’`a son r´egime permanent en termes de tension de sortie. C’est alors qu’une variation brusque de charge est alors pratiqu´ee afin d’augmenter le courant de charge. Puis, une fois que le syst`eme a retrouv´e de nouveau son r´egime permanent, la charge qui a servi `a l’impact est subitement retir´ee, ce qui constitue un d´elestage. Comme l’on peut s’en douter, lors de ces essais une variation potentielle de la vitesse de rotation peut ˆetre remarqu´ee. Mais grˆace `a un design convenable du syst`eme d’entraˆınement, ce probl`eme peut ˆetre consid´er´e comme mineur mais nous y reviendrons dans les chapitres suivants. Le tableau ci-dessous donne les conditions d’essais avant et apr`es l’impact de charge.
charge initiale charge apr`es impact
Libell´e P S Q PF I P S Q PF I
Valeurs 3.38 3.38 0.15 1.0 4.9 4.31 7.2 5.77 0.6 10.5 Table 1.2 – Conditions exp´erimentales d’essais d’impact de charge
Dans ce tableau, P d´esigne la puissance active en kiloWatt (kW), S la puissance ap- parente en kiloVolt-Amp`ere (kVA), Q la puissance r´eactive en kVAR, PF est le facteur de puissance et I est le courant efficace dans une phase en Amp`ere. Comme on peut le voir sur ce tableau, l’impact de charge a consist´e en une augmentation de charge de plus de 50 %. Ceci a pour cons´equence de conduire le courant de 4.9 A `a 10.5 A (quasiment le courant nominal). Quant au facteur de puissance, il subit une variation de l’ordre de 40 %.
Le deuxi`eme essai que nous avons r´ealis´e fut le d´emarrage d’une machine asynchrone. L`a encore la GS est entraˆın´ee `a vitesse nominale jusqu’`a son r´egime permanent en termes de tension de sortie. Mais au lieu de faire une variation de charge r´esistive ou inductive, une machine asynchrone de puissance 1.1 kW lui est subitement connect´ee. Le d´emarrage de cette machine asynchrone, induit un appel tr`es important de courant par rapport `a l’essai
d’impact/d´elestage de charge. Le but de cet essai est de solliciter le r´egulateur ainsi que le syst`eme d’excitation, dans des conditions extrˆemes et d’analyser le comportement de la machine principale. Les conditions sous lesquelles la machine asynchrone a ´et´e d´emarr´ee sont d´efinies dans le tableau suivant :
charge initiale
Libell´e P(kW) S(kVA) Q(kVAR) PF I(A)
Valeurs 4.47 5.57 3.33 0.8 8.1
Table 1.3 – Condition initiale avant le d´emarrage de la MAS de 1.1 kW
Nous pr´esenterons dans la suite les r´esultats obtenus avec ces deux essais et nous d´egagerons les voies d’am´eliorations possibles des g´en´eratrices synchrones.
1.5.3
R´esultats exp´erimentaux
Nous rappelons que les r´esultats pr´esent´es dans cette partie sont obtenus avec le meilleur r´eglage possible du r´egulateur implant´e dans la g´en´eratrice synchrone ´equip´ee d’une excitation SHUNT (Fig.1.10).
1.5.3.1 Essai d’impact et de d´elestage
La tension et le courant de phase lors de cet essai sont fournis par la figure 1.11
0.5 1 1.5 2 2.5 3 −1 −0.5 0 0.5 1
Tension de phase (p.u)
0.5 1 1.5 2 2.5 3 −20 −10 0 10 20 30 Temps(s)
Courant de phase (A) Instant d’impact de charge Instant de délestage
Sur cette figure, le courant comme on s’y attendait, augmente lors de l’impact de charge avec pour cons´equence une chute de la tension de sortie de la machine. Malgr´e le r´egulateur de tension, cette chute est sup´erieure `a 10 % par rapport `a la tension de consigne. Lors de cet essai, le syst`eme retrouve son r´egime permanent et sa consigne de tension en 320 millisecondes.
Une fois ce r´egime atteint, un d´elestage est r´ealis´e afin de ramener le syst`eme `a son ´etat initial. On assiste alors `a une chute du courant de phase et une surtension d’environ 7% par rapport `a la consigne. Cette surtension, comme nous pouvons le voir sur la figure 1.11, est ´elimin´ee un peu plus rapidement que la chute de tension lors de l’impact de charge (environ 240 milisecondes).
La figure 1.12, fournit la tension et le courant d’inducteur de l’excitatrice.
0.5 1 1.5 2 2.5 3 −50 0 50 100 150 200 Tension d’excitation 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 1 2 3 4 Temps(s) Courant d’excitation 1.82 1.84 0 50 100 150 1.8 1.85 1 2 3 4
Figure 1.12 – Courant et tension d’inducteur de l’excitatrice
Lors de l’impact de charge, on assiste `a une augmentation du courant d’excitation de l’excitatrice, ce qui induit une augmentation de la tension aux bornes de cette derni`ere. Ainsi grˆace au pont `a diodes de la roue polaire, une tension d’excitation plus importante, alimente alors l’inducteur de la machine principale et permet de rem´edier `a la chute de tension engendr´ee par cet impact de charge. La visualisation de cette derni`ere tension, n´ecessite l’utilisation de bagues et balais dont la machine, utilis´ee dans cette ´etude, n’en est pas ´equip´ee. Avec ces bagues et balais, nous aurions alors pu remarquer que lors de certains essais, le temps mis par le syst`eme pour retrouver son r´egime permanent est souvent accru par un ph´enom`ene de roue libre se produisant au niveau du pont redresseur `a diodes. Nous y reviendrons dans l’´etude th´eorique de la commande de la machine synchrone. Lors du d´elestage, la tension d’excitation de l’excitatrice devient nulle pendant un court instant,
`a cause de la surtension. Ceci a pour cons´equence d’acc´el´erer le retour de la tension `a sa valeur de consigne.
1.5.3.2 D´emarrage de machine asynchrone
Les r´esultats relatifs `a la tension et au courant de phase sont donn´es par la figure 1.13.
0.5 1 1.5 −1 −0.5 0 0.5 1
Tension de phase (p.u)
0.5 1 1.5 −30 −20 −10 0 10 20 30 Temps (s)
Courant de phase (A) Instant de démarrage de MAS
Figure 1.13 – Tension et courant de phase lors du d´emarrage de MAS
Comme nous pouvons le voir sur cette figure, le courant dans la phase augmente tr`es rapidement pour atteindre des pics de l’ordre de 25A faisant fonctionner la machine en surcharge pendant une centaine de millisecondes. Au del`a de ce temps, le courant devient r´egulier avec une amplitude un peu plus importante que celle d’avant le d´emarrage de la MAS (11.4 A). Pour ce qui est de la tension de sortie de la GS, compte tenu du fort appel de courant, la chute est plus nette et atteint 15 % de la consigne. Un l´eger d´epassement de tension d’environ 5 % est aussi remarqu´e pendant cet essai. Finalement, le syst`eme retrouve son r´egime permanent en terme de tension de sortie en 300 millisecondes grˆace au r´egulateur R230 et aussi parce que la charge devient fixe.
1.5.4
R´esum´e des r´esultats obtenus
Le tableau 1.4 fait un r´esum´e chiffr´e des informations sur les performances obtenues lors des essais d’impact de charge, de d´elestage et de d´emarrage de MAS que nous avons effectu´es sur la GS. Dans ce tableau, Tr d´esigne le temps mis par le syst`eme pour retrou-
ver son r´egime permanent. En ce qui concerne l’essai d’impact et de d´elestage nous avons distingu´e le temps mis par le syst`eme pour retrouver sa consigne `a l’issue de l’impact de
charge (Tcr) d’une part et du d´elestage (Tdr) d’autre part, pour plus de clart´e dans l’inter-
pr´etation des r´esultats. Dr repr´esente le d´epassement relatif de tension lors du d´elestage
et Cr la chute relative de tension lors de l’impact. Ces deux derniers param`etres, donn´es
en pourcentage, sont calcul´es par rapport `a la tension de sortie nominale (ou de consigne) de la machine. Pour ´evaluer la qualit´e des signaux de sortie, le taux de distorsion harmo- nique de la tension (T HDt) est fourni. Le THD du courant ne nous est d’aucune utilit´e
puisqu’il est ´etroitement li´e `a la nature de la charge qui joue un rˆole de filtre.
Type d’essais Tr(ms) Dr(%) Cr(%) T HDt(%)
Impact/d´elestage Tcr=320 ; Tdr=260 7 13 6.38
D´emarrage de MAS 300 5 15 4.42
Table 1.4 – Tableau r´ecapitulatif des r´esultats exp´erimentaux
`
A la vue de ces r´esultats, force est de constater que le temps de r´eponse est relativement ´elev´e et m´erite que l’on s’y int´eresse. De mˆeme, les chutes de tension, les d´epassements ainsi que le taux de distorsion de la tension de sortie peuvent ˆetre am´elior´es. Les es- sais que nous avons effectu´es nous ont montr´e que le syst`eme de commande (syst`eme d’excitation et r´egulateur) pr´esente des r´esultats int´eressants mais que des am´eliorations peuvent ˆetre apport´ees afin de r´epondre au mieux aux exigences de syst`emes complexes qui n´ecessitent des tensions d’alimentation de tr`es bonne qualit´e et des dynamiques tr`es rapides. Un travail approfondi doit alors ˆetre r´ealis´e non seulement sur la structure mˆeme du syst`eme d’excitation, mais aussi la commande afin d’am´eliorer de fa¸con importante les performances de la g´en´eratrice synchrone.