SIEMEL Pilotage du système ERGHEL par automate programmable

Épreuve E5:

Projet technique industriel

Pilotage du système ERGHEL par automate programmable

BTS Électrotechnique Juin 2011

SIEMEL

CALABRIA Franck DUBOIS Tristan EL MARBOUH Jamel

GARCIA Diane Lycée Antonin Artaud

25, chemin Notre Dame

de la Consolation

13013 MARSEILLE

Sommaire

I. Présentation générale ...3

II. Cahier des charges ...4

III. Répartition des tâches...5

IV. Système Erghel...6

IV.1. Module « puissance »...6

IV.2. Module « pilote »...6

IV.3. Simulation du module puissance...7

IV.4. Générateurs...8

IV.5. Fonctionnement...9

V. Étude de la norme 13201 appliquée à l'éclairage public...9

VI. Choix du matériel...11

VI.1. Automate ...11

VI.2. Protections ...12

VI.3. Contacteurs ...13

VI.4. Parafoudre ...13

VI.5. Capteur de tension ...14

VI.6. Variation de tension dans le cas d'un défaut lampe ...15

VI.7. Alimentation du capteur de tension...16

VI.8. Lampes ...17

VI.9. Batteries et couplage ...17

VI.10. Panneaux photovoltaïques ...18

VI.11. Régulateur de charge ...19

VI.12. Diviseur de tension...20

VI.13. Compteur d'énergie ...20

VI.14. Armoire électrique...21

VI.15. Boîtiers des générateurs Erghel...21

VI.16. Sectionneurs et fusibles de protection des générateurs Erghel...21

VII. Liste du matériel ...22

VIII. Plan d'installation du système...23

IX. Schémas électriques...24

X. Programmation...28

X.1. Programme millenium3 CROUZET...28

X.2. Explication du programme...29

XI. Essais et mesures...29

XI.1. Essai du capteur de tension et de son alimentation ...29

XI.2. Essai du défaut lampe ...30

XI.3. Mesures avec l'analyseur de réseau...30

XI.4. Essais du système photovoltaïque...30

XII. Annexes...31

XII.1. Plan d'un boîtier générateur...31

XII.2. Plan de la face avant de l'armoire ...32

XII.3. Plan d'implantation de la grille de l'armoire ...33

XII.4. Plan du boîtier des batteries ...34

XII.5. Le système et l'équipe de ...35

XII.6. Système en fonctionnement...35

XII.7. Boîtier lampe ouvert...36

XII.8. Boîtier lampe...36

XII.9. Régulateur de charge...37

XII.10. Automate...37

XII.11. Coffret batteries...38

XII.12. Panneaux photovoltaïques...38

I. Présentation générale

L'éclairage des lieux publics, voies communales, parkings, rocades…, est aujourd'hui un facteur fondamental de la sécurité. Il contribue à assurer la tranquillité et l'ordre public, la sécurité des personnes et des biens.

L’éclairage constitue le poste le plus important de la consommation d'électricité d'une commune (40%). La mise en œuvre de nouvelles technologies permet de diminuer la facture énergétique ainsi que le coût d'exploitation. Selon les fonctionnalités offertes les technologies disponibles sont conformes à tout ou partie des certificats d’économies d’énergie régissant le secteur de l’éclairage public.

Le système Erghel est une de ces technologies. Il est conforme aux 3 certificats d’économie d’énergie du secteur de l’EP. La société SE3 qui développe ce système, souhaite compléter les fonctionnalités offertes, suivant le cahier des charges ci-après.

Le système ERGHEL adapte le niveau d'éclairement aux besoins réels (passage en basse consommation aux heures les moins fréquentées de la nuit). Il s’intègre dans le réseau d’éclairage existant et assure l’isolation galvanique du réseau de distribution. Le niveau d’éclairement des lampes est piloté par la tension du courant continu. Les ballasts ferromagnétiques sont remplacés par des générateurs haute fréquence (> à 30khz) alimentant des lampes SHP ayant une plus grande efficacité énergétique dans ces conditions.

Avantages :

• entretien réduit du fait de l'augmentation de la durée de vie des lampes: leur allumage est progressif et s’établit sans appel de courant.

• La puissance distribuée au réseau d’EP est indépendante de la tension du réseau de distribution 50hz et la valeur de la tension continue alimentant les générateurs et les lampes SHP n’est pas affectée par les fluctuations du réseau 50hz. Cette fonctionnalité (CEE n° 1) correspond à une économie de consommation électrique supérieure à 10%.

• excellent facteur de puissance (supérieur à 0.98) et faible taux d'harmoniques (inférieur à 5%). Cette fonctionnalité (CEE n° 2) correspond à une économie de consommation électrique supérieure à 5%.

• fonctionnement en variation de puissance avec 3 niveaux d'éclairement (100%, 70% et 50%) : ceci permet une économie d'énergie de l'ordre de 35%. Cette fonctionnalité correspond au CEE n°3 de l’EP.

• suppression de l'effet stroboscopique et du flicking (papillotement de la lumière provoqué par de faibles fluctuations de la tension du réseau).

• faible temps de retour sur investissement (3 à 4 ans).

• sécurité accrue pour le personnel de maintenance.

II. Cahier des charges

Franck CALABRIA

La société SE3 souhaite ajouter une « option solaire » afin de pouvoir utiliser l'énergie produite dans la journée par des capteurs photovoltaïques, en la restituant la nuit au module de puissance. Ceci permettra de décaler l'heure de pointe due à l'allumage des lampes d'éclairage public et de réduire la facture énergétique.

La mise en marche et l'arrêt de l'éclairage seront déclenchés par horloge astronomique.

D'autre part, le personnel de maintenance sera contacté automatiquement, en cas de défaut sur une ou plusieurs lampes.

Un module programmable Millenium3 de Crouzet assurera la gestion de cet automatisme :

 la mise en marche et l'arrêt de l'éclairage (horloge astronomique intégrée)

 la gestion des niveaux d'éclairement (100%, 70% ou 50% par contact sec)

 la sélection de la source d'énergie (réseau 50 Hz ou batterie d'accumulateurs)

 le contrôle de l'état de charge de la batterie (entrée analogique)

 la gestion et le signalement d'un « défaut lampe » (entrée analogique)

 la transmission par réseau Ethernet vers le service de maintenance (lycée)

La batterie aura une tension nominale de 48 V. Si elle est déchargée, le couplage sur le réseau de distribution 230V/50Hz s'effectuera automatiquement. La puissance crête des panneaux solaires, ainsi que la capacité de la batterie, seront à définir en fonction des besoins.

En l'absence d'« option solaire », le système fonctionnera par défaut sur le réseau de distribution.

Le module « pilote » assure la programmation des différents niveaux d’éclairement (profil de dimming), élabore les consignes, transmet aux modules « puissance » l’ordre de conduction, contrôle le bon fonctionnement et assure la sécurité. Le module puissance reçoit l’ordre de conduction et le transforme en doses d’énergie injectées dans le réseau d’éclairage.

Pour la partie CC, le module puissance sera toujours alimenté avant le module pilote.

Pour la partie CA, les modules pilote et puissance seront toujours alimentés simultanément.

Le « système d'essai » à réaliser comprendra 4 lampes Sodium Haute Pression (150 W, 2 x100 W, 70 W). Un « défaut lampe » sera détecté pour toute variation de la tension continue supérieure à 2% de la valeur de régime établi. Il sera créé artificiellement par connexion- déconnexion d'une lampe fluocompacte de 15 W.

III. Répartition des tâches

Franck CALABRIA

• Cahier des charges

• Choix de l'automate

• Programmation de l'automate

• Variation de tension dans le cas d'un défaut lampe

• Schéma folio 1

• Implantation et câblage de l'automate

• Essai du défaut lampe

Tristan DUBOIS

• Choix des batteries et couplage

• Choix des panneaux photovoltaïques

• Choix du régulateur de charge

• Choix du compteur d'énergie

• Choix de l'armoire électrique

• Installation de l'armoire

• Câblage des panneaux photovoltaïques

• Schéma folio 4

• Implantation et câblage des batteries, du régulateur de charge et du compteur d'énergie

• Essai du système photovoltaïque

• Plan de la face avant de l'armoire

• Plan du boîtier des batteries

Jamel EL MARBOUH

• Étude du module puissance

• Étude du module pilote

• Fonctionnement du système Erghel

• Choix des protections

• Choix des contacteurs

• Choix du parafoudre

• Schéma folio 2

• Implantation et câblage des protections, des contacteurs, du parafoudre, des modules de puissance et des modules pilotes

• Mesures avec analyseur de réseau

• Plan d'implantation de la grille de l'armoire

Diane GARCIA

• Simulation du module puissance

• Étude des générateurs

• Choix du capteur de tension

• Choix de l'alimentation du capteur de tension

• Choix des lampes

• Choix des boitiers des générateurs Erghel - lampes

• Choix des sectionneurs et fusibles de protection des générateurs Erghel

• Plan d'installation du système

• Schéma folio 3

• Implantation et câblage du capteur de tension, de l'alimentation, des boîtiers générateurs

• Essai du capteur de tension et de son alimentation

• Essai du défaut lampe

• Plan d'un boîtier générateur

IV. Système Erghel

IV.1. Module « puissance » Jamel EL MARBOUH

Le module puissance, reçoit l'ordre de conduction et le transforme en doses d'énergie injectées dans le réseau d'éclairage. La puissance nominale d'un module puissance est de 2,5kW, mais dans notre système ce module est bloqué à 435W (=la puissance des lampes).

Le module de puissance isole galvaniquement le réseau d'éclairage du réseau électrique 50Hz de ses variations et/ou perturbations (surtensions supérieures à 253V, ondes de tension) protégeant ainsi l'appareillage, améliorant la sécurité des usagers et augmentant la durée de vie des lampes.

Nous avons deux modules de puissance :

• module de puissance en CA, alimenté par le réseau 220V / 50Hz

• module de puissance en CC, alimenté par des batteries 48V

IV.2. Module « pilote » Jamel EL MARBOUH

Le module pilote assure la programmation des différents niveaux d'éclairement (profil de dimming), élabore les consignes, transmet aux modules puissance l'ordre de conduction, contrôle le bon fonctionnement et assure la sécurité. Ce module permet la commande des interrupteurs du module de puissance à une fréquence proche de 20kHz avec un rapport cyclique ajusté en fonction de la puissance de sortie.

Il dispose d'une entrée (contact sec) pour autoriser le fonctionnement en « dimming ».

• Mise en service → plein éclairement (100%)

• Fermeture du contact → dimming A: 5^ème LED (70%)

• Ouverture du contact → dimming B: 6^ème LED (50%)

• Fermeture du contact → dimming A: 3^ème LED (70%)

• Ouverture du contact → plein éclairement (100%)

La liaison entre les modules pilote et puissance est effectuée par des connecteurs débrochables 4 plots situés sur modules.

IV.3. Simulation du module puissance Diane GARCIA

Schéma de principe d'un convertisseur de type Flyback:

L'élément magnétique fonctionne en inductance d'accumulation d'énergie.

Courbes de fonctionnement lors des phases de charge et de décharge:

IV.4. Générateurs Diane GARCIA

Étude de l'onduleur:

Schéma de principe de l'onduleur sur logiciel PSIM:

On utilise deux condensateurs afin de diviser la tension. Nous avons modélisé une lampe de 100 W par une résistance pour faciliter l'étude, cependant, cette modélisation est fausse: une lampe SHP n'est pas uniquement résistive et sa caractéristique est non linéaire.

Les valeurs: E=220V C1=C2=0,0001F R1=100Ω F=30 kHz

La fréquence est bien compatible avec celle du système qui est de 30 000Hz.

Les courbes que l'on obtient sur PSIM sont les suivantes:

IV.5. Fonctionnement Jamel EL MARBOUH

Nous avons deux modules « puissance »:

 un module puissance alimenté en 48V continu par les batteries

 un module puissance alimenté par le réseau 230V / 50Hz

Le module pilote démarre progressivement le système (par une rampe). Le module puissance doit toujours être alimenté avant le module pilote pour qu'il puisse démarrer progressivement suivant la rampe. Le module de puissance pourrait être endommagé si la procédure précédente n'est pas respectée.

Dans le cas de la partie CC, il faut d'abord alimenter la partie puissance du module puissance par les batteries, puis sa partie contrôle-commande simultanément avec le pilote, par le réseau 230V/50Hz.

Dans le cas de la partie CA, il faut alimenter le module puissance et le pilote simultanément par le réseau 230V/50Hz.

V. Étude de la norme 13201 appliquée à l'éclairage public

La nuit, les performances photométriques de l'éclairage public doivent permettre d'accéder aux exigences indispensables à l'accomplissement des différentes tâches visuelles de chaque catégorie d'usager. C'est la raison pour laquelle la notion d'« éclairer juste » s'impose et se décline au travers de valeurs d'éclairements et de luminances minimales à maintenir. Ce sont ces valeurs qui sont exprimées dans la norme européenne EN 13201. Elles permettent de voir vite et bien, ce qui sert la cause de la réduction de nuit des accidents de la route et de l'amélioration des sécurités objectives et subjectives que le citoyen est en droit d'exiger.

La norme européenne EN 13201 comprend quatre parties:

 EN 13201-1: Rapport technique et sélection des classes d'éclairage

Le rapport technique présent dans la première partie de la norme EN 13201 offre une aide pour la sélection des classes d'éclairage et de ses différentes prescriptions.

Il s'applique aux installations d'éclairage fixes offrant à l'usager une perception visuelle correcte des zones de circulation publique en extérieur pendant les périodes d'obscurité dans le but d'assurer la sécurité et le bon écoulement du trafic ainsi que la sécurité publique.

On peut donc trouver les différentes situations d'éclairage: A1, A2, A3, B1, B2, C1, E1, E2, D1, D2, D3, D4.

Des zones d'études spécifiques doivent être étudiées de manière indépendante telles que les zones de conflit, les dispositifs ralentisseurs et les passages piétons.

De plus, le rendu des couleurs de la source lumineuse, le contrôle de l'éblouissement sont des paramètres à prendre en considération pour chacune des différentes situations d'éclairage.

 EN 13201-2: Exigence des performances

La deuxième partie de la norme EN 13201 définie les différentes classes d'éclairage, d'intensité lumineuse et d'indice d'éblouissement.

Une classe d'éclairage est définie par un ensemble de prescriptions photométriques axées sur les besoins visuels de certains usagers de la route dans certains types de zones de la route et d'environnement.

Dans cette partie, on peut trouver des définitions de termes utilisés pour les calculs de dimensionnement des voies ou zones telles que: les différents éclairements possibles, l'uniformité générale et le niveau maintenu.

Les différentes classes d'éclairage sont: ME/MEW, CE, S-, A-, ES-, EV-.

De plus, l'étude et l'implantation des équipements d'éclairage public peuvent jouer un grand rôle dans l'aspect et l'environnement d'une route de jour comme de nuit. Ceci s'applique non seulement aux usagers de la route, mais également à tout usager observant l'installation d'éclairage à quelque distance de la route.

Plusieurs classes entrent donc en compte: la classe d'indice d'éblouissement et la classe d'intensité lumineuse.

 EN 13201-3: Calcul des performances

Dans la troisième partie de la norme EN 13201 figurent les méthodes de calcul qui permettent de déterminer les caractéristiques qualitatives de l'éclairage routier à l'aide de procédures agréées, de telle manière que les résultats obtenus par différentes sources s'appuient sur une base uniforme.

On peut trouver des définitions de termes utilisés pour les calculs telles que: les différents angles de calculs, l'azimut, les différents coefficients de luminance, l'orientation, la rotation et les directions.

Le calcul des performances demande certaines données et formules afin d’effectuer les bons calculs.

Dans un premier temps, on donne les caractéristiques photométriques: explications des différents types d'interpolations (linéaire et quadratique).

Ensuite, des conventions mathématiques sont données pour le calcul de I(C,γ).

Les méthodes pour calculer des grandeurs photométriques sont données: luminance, éclairements, positions et luminaires.

Enfin, les méthodes pour les calculs des caractéristiques de qualité pour la luminance moyenne et l'uniformité générale ou longitudinale.

 EN 13201-4: Méthodes de mesure des performances photométriques

La dernière partie de la norme établit les conventions et les procédures pour les mesures d'installation d'éclairage sur route et donne des conseils pour l'utilisation et la sélection des luminance-mètres et des luxmètres.

Mesures photométriques:

Lorsque les mesures sont effectuées pour être comparées à des valeurs calculées, la plus grande rigueur est alors prescrite pour assurer une comparaison valable.

Le nombre de points de mesure est plus important dans le cas de mesures dynamiques:

• pour chaque point de mesure,il faut définir la position de la cellule photométrique en termes de hauteur et de distances transversale et longitudinale

• réduire tout effet que le véhicule peut avoir sur les lectures du détecteur

• être équipé de cellules photométriques en conformité avec les exigences spécifiée.

Mesures non-photométriques:

Lorsque les mesures sont prescrites pour être comparées à des valeurs calculées, des mesures non-photométriques détaillées se révèlent nécessaires.

Lorsque les mesures sont prescrites dans le but de contrôler l’état d’une installation, il est alors possible que des mesures non-photométriques moins détaillées soient suffisantes.

VI. Choix du matériel

VI.1. Automate Franck CALABRIA

Il existe différentes marques de module programmable. On peut retrouver ces modules dans la marque CROUZET, SIEMENS et SCHNEIDER.

 Choix de l'automate:

L'automate choisi est le « Millenium 3 CUSTOM XD26R 24V DC » avec afficheur référence fabricant (Crouzet) : 88974161

référence commande : 536-9001

Caractéristiques Besoins

16 entrées dont 6 pouvant être configurées comme entrées analogiques

10 sorties (8 relais 8A et 2 relais 5A)

11 entrées dont 2 entrées analogiques

8 sorties résolution entrée analogique 10 bits (0-10V)

Solution évolutive "Hautes performances" avec afficheur.

Mémoire étendue: 120 lignes en langage LADDER et jusqu'à 700 blocs "typiques" en langage FBD.

Afficheur LCD de 4 lignes de 18 caractères, avec rétro-éclairage pilotable.

Paramétrage sélectif : possibilité de choisir les paramètres réglables en face avant.

Entrées analogiques 0-20 mA/Pt 100 avec convertisseurs

Ouvert vers les extensions de communication réseaux XN et les extensions d'entrée/sortie TOR ou extensions analogiques.

La version CUSTOM du Millenium 3 par rapport à la version STANDARD, répond à des applications plus spécifiques comme dans les énergies renouvelables, des environnements plus sévères ou traitement de l'eau par exemple.

 Choix de l'alimentation automate:

L'alimentation automate choisi est « PS 24VDC » référence fabricant (Crouzet) : 88950304 référence commande : 413-500

Entrée : 100 à 240V alternatif monophasé fréquence : 50/60Hz Pointe de courant à la mise sous-tension <20A

Protection thermique, protection court-circuit, protection surcharge

Protection en amont nécessaire : fusible gG 2A ou disjoncteur 2A courbe D

 Choix du module Ethernet

Le module Ethernet qui s'adapte à l'automate que l'on a choisi est : référence fabricant (Crouzet) : 88970270

référence commande : 615-0123

 Tableau des différentes E/S

Désignation mnémonique Entrée

Mode manu manu I1

Mode auto auto I2

Puissance à 50% 50 I3

Puissance à 100% 100 I4

Alim. réseau CA CA I5

Acquittement défaut Acq I6

Contact NO Module puiss. CC sous tension CC I7

Compteur énergie cpt I8

Tension batterie (analogique) Ubat ID

Tension bus CC (analogique) Ubus IF

Désignation mnémonique Sortie

Module puissance CC puCC Q1

Module pilote CC piCC Q2

Module puissance et pilote CA puCA Q3

Variation CC VaCC Q5

Variation CA VaCA Q6

Voyant batterie faible batf Q8

Voyant défaut lampe défL QA

VI.2. Protections Jamel EL MARBOUH

Les deux modules de puissance sont réglés pour une puissance de 435W (puissance des lampes). Les deux modules pilotes ont une puissance de 10W.

 Deux Disjoncteurs 1A (pour module pilote CC et CA) Caractéristiques générales:

• tension:U=230V

• intensité: I =1A

• pouvoir de coupure: Pdc=10kA

• type de courbe: C

Pour le choix du disjoncteur, on calcule I:

P=10W U=230V on suppose cosφ=1

I=P/(U*cosφ)=10/230=43,5mA On choisit un calibre 1A→

 Disjoncteur 10A (pour module de puissance CA) Caractéristiques générales:

• tension:U=230V

• intensité: I=10A

• pouvoir de coupure: Pdc=10kA

• type de courbe: C

Pour le choix du disjoncteur, on calcule I;

Pmax=2kW U=230V on suppose cosφ=1 I=2000/230=8,7A

Plampes=435W U=230V on suppose cosφ=1 I=P/U=435/230=2A

On choisit un calibre 10A pour pouvoir éventuellement fonctionner à puissance maximale.

 Disjoncteur 10A (pour module de puissance CC) Caractéristiques générales:

• tension: U=48V continue

• intensité: I=10A

• pouvoir de coupure: Pdc=10kA

• type de courbe: C

Pour le choix du disjoncteur, on calcule I

U=Ubatterie=48V Plampes=435W I=P/U=435/48=9,1 A

On choisit un calibre 10A.

 Interrupteur différentiel 40A Caractéristiques :

• Tension: U=230V

• Intensité nominale: I=40A

• Type: AC-30mA

VI.3. Contacteurs Jamel EL MARBOUH

Caractéristiques :

• Tension de commande: U=230V

• Fréquence: f=50/60 Hz

 contacteur LC1 D09P7 (pour module de puissance CA) I=2A < 20 A (en catégorie AC1)

 contacteur LC1 D09P7 (pour module de puissance CC) I=9,1A < 20 A (en catégorie AC1)

 contacteur LC1 K0601P7 (pour module pilote CA et CC) I=0,043A < 6A

VI.4. Parafoudre Jamel EL MARBOUH

Caractéristiques:

• Référence: SPN040C

• Tension: U=230V

• Courant maximal de décharge: Imax=40kA

• Courant minimal de décharge: Imin=15kA

• Fréquence: f=50/60 Hz

Le choix du parafoudre se fait en fonction de la zone géographique. Dans notre cas, nous nous situerons au Lycée Antonin Artaud.

Choix du parafoudre:

• densité de foudroiement (niveau Ng): Ng≥2.7 Ng=Nk/10 d'où Nk=Ng*10=2.7*10=27

niveau kéraunique (niveau Nk) : définit le nombre de jours d'orage par an

• BT longueur de la ligne aérienne entre le transformateur et l'installation BT=0

• HT nature du réseau Haute Tension HT=0 (ligne enterrée)

• d situation de la ligne aérienne BT et du bâtiment d=0 (ligne enterrée)

• S sensibilité du matériel aux surtensions: sensibilité moyenne S=2

• C coût du matériel: coût moyen C=2

• I incidence de l'indisponibilité du matériel: incidence moyenne: I=2 E = Ng(1+BT+HT+d) = 2,7(1+0+0+0) = 2,7

R = S + C + I=2 + 2 + 2=6

Choix du courant maximal de décharge Imax:

Imax E=<1 1<E<4 E>=4

R = 8 ou 9 30 - 40kA 65kA 65kA

R = 6 ou 7 15kA 30 - 40kA 65kA

R =<5 15kA 15kA 30 - 40kA

Choix du calibre du disjoncteur de déconnexion:

Imax Calibre courbe

8 à 40kA 20A C

65kA 50A C

D'après le tableau ci dessus, on choisit un disjoncteur C 20A, la référence est 406 870.

VI.5. Capteur de tension Diane GARCIA

Nous avons le choix entre deux capteurs de tension de la marque LEM:

 LV25-200: Vpn=200V

 AV100-250: Vpn=50...2000V Voici leurs principales caractéristiques:

LV25-200 AV100-250

Vpn=200V Vpn=250V

Vpm=0..±300V Vpm=±375V

Isn=25mA Isn=50mA

Volume=115,2cm³ Volume=553,8cm³

Prix=60€ Prix=138€

Les deux capteurs de tension ayant des caractéristiques électriques compatibles avec le système, on choisit celui qui est le moins cher. On choisit donc le capteur LV25-200.

La liaison entre la sortie du capteur de tension et l'entrée analogique de l'automate sera réalisée avec deux fils torsadés.

D'après la documentation technique: Vpn=200V Is =25mA Supposons la tension maximale de l'installation: Vpn=240V → Is=30mA Le courant de consommation est : Ic=10+30=40mA → choix alimentation La résistance de mesure R1 est donc: R1=U/I=10/0,03=333Ω

D'après la documentation technique du capteur de tension, sous 200V, la valeur de la résistance R1 doit être comprise entre 100Ω et 320Ω: 100Ω<R1<320Ω

On prendra donc une valeur normalisée de la résistance inférieure à 320Ω: R1=270Ω Cette valeur est bien comprise entre 100Ω et 320Ω.

Donc U=R1*Ic=270*0.03=8,1V pour Vpn=240V

On peut donc déterminer la puissance: P=RI²=270*0,03²=0,243W soit environ 1/4W.

VI.6. Variation de tension dans le cas d'un défaut lampe Franck CALABRIA

L'installation comporte 4 lampes SHP - 150W – 2x100W – 70W et une lampe fluocompacte 15W.

Puissance totale des lampes: 435W

La tension nominale sur le réseau continu est 220V CC La résistance équivalente des lampes est donc:

R=U²/P = 220²/435 = 111,264Ω

Lorsque la lampe 15W est déconnectée, la résistance équivalente des lampes est:

U²/P = 220²/420 = 115,238Ω Le module de puissance fournit une puissance constante de 435W La tension sur le réseau continu passe à:

√(P x R) = √(435 x 115,238) = 223,9V La tension sur le réseau continu augmente donc de 4V soit (1,8%)

Le courant qui circule dans la résistance de mesure du module LEM est de 25mA pour 200V donc de 27,5mA pour 220V

La résistance de mesure est 270Ω

La tension délivrée sur l'entrée analogique de l'automate est:

U = 270x0,0275 = 7,425 V

Si la tension passe à 223,9V sur le réseau continu, le courant de mesure devient:

I = 25x223,9/200 = 28 mA et la tension sur l'entrée analogique de l'automate:

U = 270x0,028 =7,56 V

On converti en numérique pour le fonctionnement avec l'automate:

L'entrée analogique est 0-10V pour 10 bits (0 à 1023) 0 →0 V

1023 →10 V

Pour 7,425V la valeur numérique reçue par l'automate est:

1023x7,425/10 = 759 ou 760 Pour 7,56V la valeur numérique reçue par l'automate est:

1023x7,56/10 = 773 ou 774 On peut prendre un seuil de comparaison à 770.

> 770 défaut→ lampe

< 770 pas de défaut→

VI.7. Alimentation du capteur de tension Diane GARCIA

On a le choix entre deux alimentations sur le site Radiospare:

 LPS230/12-0,5

 TMT15215C

On a déterminé précédemment le courant de consommation : Ic = 10+30 = 40mA Voici leurs principales caractéristiques:

LPS230/12-0,5 TMT15215C

Tension d'entrée=115/230Vac Tension d'entrée=115/230Vac Courant d'entrée=0,5/0,25A Courant d'entrée=0,28/0,18A Tension de sortie=±12...15Vdc Tension de sortie=±15Vdc

Courant de sortie=0,5A Courant de sortie=0,5A

Volume=936cm³ Volume=91,476cm³

Prix=86,4€ Prix=57,95€

Pour des raisons de gain de place et d'économies, on choisit l'alimentation TMT15215C.

Il s'agit d'une alimentation à découpage à 100kHz.

VI.8. Lampes Diane GARCIA

Il existe plusieurs types de lampes sur le marché:

Dénomination Température de couleur

(°K)

IRC (Indice de Rendu

des Couleurs)

Présence dans le parc (%)

Efficacité lumineuse

(Lm/W)

Durée de vie

(h) Coût (€) Vapeur de

Mercure (VM) 3300 – 4300 45 – 55 15 40 - 60 29000 1,52 –

1,82 Sodium Haute

Pression (SHP) 1900 - 2100 ≤ 25 80 80 - 130 12000

- 25000

5,86 – 7,63 Iodure

Métallique (IM) 4100 - 4700 70 5 80 – 95 15000 25,35 - 44

L.E.D. 3500 - 4500 - - 150 60000 370

Nous choisissons pour le projet des lampes SHP ovoïdes (les tubulaires étant trop éblouissantes pour une application dans une salle).

Dénomination Référence Culot Efficacité lumineuse

(lm/W) IRC T (°K) Prix HT unitaire

(€)

Lampe SHP 70W NAV-E70/E E27 89 12 1900 10,5

Lampe SHP 100W NAV-E100 E40 90 14 1900 16,05

Lampe SHP 150W NAV-E150 E40 101 16 2000 11,01

VI.9. Batteries et couplage Tristan DUBOIS

Une batterie d'accumulateurs permet de stocker l'énergie électrique afin de la restituer par la suite, en fonction des besoins.

Choix des batteries:

Puissance totale des lampes: 435W Temps d'autonomie: 1h

Tension: 48V Courant :9.0625 A C=I*T=9.0625 Ah

E=C*U=433.2 Wh

Les batteries qui nous ont été fournies par Solengie ont une capacité de 27Ah, nettement supérieure aux besoins. Il faut 4 batteries de 12V que l'on met en série pour obtenir 48V.

Elles sont placées dans un coffret spécifique et ventilé, de dimensions (l*p*h) 540*450*190mm. La protection sera assurée par fusible de 10A.

Batterie FIAMM FG 22703 Prix: 69,18€

Tension: 12V Capacité d'accumulation: 27 Ah Courant de charge maximal: 6,75A

Résistance interne: 13,3mΩ en état de charge complet Poids: 8,5kg

Dimensions(l*h*p): 166*125*170mm Temps de charge:

Le courant de charge maximal est celui fourni par les panneaux photovoltaïques (4,89A) Capacité = courant*temps

27= 4,89*T

T=27/4,89=5,52=5h32

VI.10. Panneaux photovoltaïques Tristan DUBOIS

Panneau solaire: Solar Module monocristallin YE6180M - Yohkon Energia Prix:550€ TTC

Tension:24V - Puissance maximale: 175W

Tension au point de puissance maximale (V) Vmpp : 35,78 VDC Courant au point de puissance maximale (A) Impp : 4,89A Tension en circuit ouvert (V) Voc : 43,56 VDC

Courant de court-circuit (A) Isc : 5,29A Rendement % : 13,93

Poids=17kg

Maximum système voltage:1000V Résistance au vent: 130 km/h→

Températures de fonctionnement: -40°C a 85°C Dimensions(l*h):810*158mm

Il en faudra deux branchés en série pour avoir 48V, nous atteindrons au maximum 71,56V.

L'énergie fournie aux lampes est de 435Wh

L'énergie maximale fournie par les panneaux est 175*2 = 350Wh Il faudra environ 1h15 pour que les batteries accumulent cette énergie.

Calcul de la chute de tension:

∆U=2*Rc*I

I= courant nominal panneaux

Rc=ρ( L/S) L=29m S=section 2,5mm ρ=1,7*10^-8Ωm Rc=1,7*10-8(29/2,5*10-6)=0,197Ω

∆U=2*0,197*4,89=1,926 V

Protection des panneaux photovoltaïques:

I fusible > Icc Panneaux Icc Panneaux= 5,29A

Donc il faudra un fusible de calibre 6A minimum.

VI.11. Régulateur de charge Tristan DUBOIS

Xantrex C series - charge controller C40 Prix: 168€

Type: Régulateur de charge Tension de la batterie: 48V DC

Tension d'entrée<=125V DC – circuit ouvert Chute de tension: 0,3 V

Courant de charge: 40 A à 25 °C

Consommation de courant typique: 15 mA en fonctionnement et 3mA au repos Type de boîtier: ventilé

Dispositif de montage mural: vertical Dimensions(h*L*P): 254*127*63,5mm

Le régulateur est équipé d'une LED qui montre l'état de charge des batteries:

– Constante (Bulk): la LED verte clignote cycliquement de 1 à 5 fois en fonction de l'état de charge

– Absorption: la LED verte clignote cycliquement 5 fois – Maintien (Float): la LED verte est fixe

– Erreur: la LED clignote en orange Courbe de charge:

Paramètres de réglage:

Positions des cavaliers:

EQ/LVR: manu

Tension du système: 48V Régulation: charge Réglage des tensions:

Il faut ajuster la tension de charge constante et de maintien. Le potentiomètre correspondant à la tension de charge constante est réglé à 57,6V (14,4V) et celui pour maintenir la tension de charge est réglé à 54V (13,5V).

VI.12. Diviseur de tension

Il permet d'adapter la tension de la batterie à l'entrée analogique 0-10V de l'automate

U: tension batterie u: tension entrée analogique automate

R=12KΩ (impédance entrée analogique automate) R3=8,2KΩ R4=2,2KΩ

Une batterie de 12V contient 6 éléments donc nous aurons 24 éléments pour 48V Batterie chargée:2,1*24=50,4V Batterie déchargé:1.8*24=43,2V Rx=(R4*R)/(R4+R)=(2,2*12)/(2,2+12)=1,85KΩ

Batterie chargée: u=(Rx/(R3+Rx))*Umax=(1,85/(8,2*1,85))*50,4=9,27 V Batterie déchargée: u=(Rx/(R3+Rx))*Umin=(1,85/(8,2*1,85))*43,2=7,95V Conversion numérique:

L'entrée analogique est 10bits 2^10=1024 variation de 0 à 1023→ → 10V 1023 → 9,27V 948 → 7,95V 813→

VI.13. Compteur d'énergie Tristan DUBOIS

EC 150

Prix: 314,57€

Tension d'alimentation: 230V +/- 15% Fréquence: 50/60Hz Branchement: raccordement direct

I max du circuit de mesure: 63A

Type de pôles: 1P+N Poids impulsion: 100Wh Durée de l’impulsion : 100 ms Courant de fonctionnement :0,04 à 63 A

Nombre de modules: 3 Puissance consommée: 1,3VA

Ce compteur d'énergie mesure l’énergie électrique active consommée par un circuit électrique.

Il est équipé d’un afficheur digital qui permet de visualiser l'énergie consommée dans le tarif en cours: la consommation totale (kWh), la consommation partielle (kWh), la puissance instantanée. Le compteur totalisateur et le compteur partiel sont équipés d'une possibilité de remise à zéro.

VI.14. Armoire électrique Tristan DUBOIS

Coffret Spacial S3D (fournisseur Schneider Electric) Indice de Protection: IP66

Dimensions : H=800mm L=800mm P=250mm Référence : NSYS3D8825P

Avec serrure

(Aération derrière le coffret)

VI.15. Boîtiers des générateurs Erghel Diane GARCIA

Les dimensions d'un générateur sont: 70mm*122mm*28mm (l*L*h)

Il y aura dans chaque boîtier un générateur, un porte-fusible et il faudra prévoir assez de place pour les branchements nécessaires.

On choisit donc des boîtiers de dimensions suivantes:130mm*180mm*125mm(l*L*h) référence:289-6336 sur Radiospare d'une valeur unitaire de 20,46€HT

VI.16. Sectionneurs et fusibles de protection des générateurs Erghel Diane GARCIA

Dans chaque boîtier générateur, il y a un sectionneur porte fusible, on choisit le fusible associé à chaque lampe:

• Lampe 150W: I=P/U=150/220=0,68A

• Lampes 100W: I=P/U=100/220=0,45A

• Lampe 70W: I=P/U=70/220=0,32A

• Lampe 15W: I=P/U=15/220=0,07A On choisit donc un fusible adapté lors d'un court-circuit:

Calibre=2A Dimensions: 8,5 x 23mm Unom=250Vca

Pdc=6KA Ref=11 302 Prix=0,759€/10

Fabricant: Legrand (site Radiospare)

On choisit des sectionneurs adaptés et faciles à trouver sur le marché.

Calibre: 10A Référence: 15620

VII. Liste du matériel

Franck CALABRIA

Désignation du matériel Valeur Fournisseur Prix UHT Prix Total

Lampe SHP 150W 4050300015613 OSRAM 1 11,01 11,01

Lampe SHP 100W 4050300087300 OSRAM 2 16,05 32,10

Lampe SHP 70W 4050300015767 OSRAM 1 10,50 10,50

4050300811635 OSRAM 1 7,50 7,50

boitier couvercle gris 289-6336 4 20,46 81,84

Douilles E40 BJB 171-051 3 13,18 39,54

Douilles E27 BJB (lot de 5) 482-3728 1 5,50 5,50

Compteur énergie 230V 50Hz EC150 1 314,57 314,57

230-1181 5 5,76 28,80

Contacteur LC1D09P7 – 25A LC1D09P7 2 23,02 46,04

Interrupteur différentiel 2P 40A 30mA AC 08831 1 82,20 82,20

Disjoncteur magnéto-thermique P+N 10A 6394 3 49,90 149,70

Disjoncteur magnéto-thermique P+N 1A uni + neutre 6388 2 65,10 130,20

Contacteur LC1K0601P7 – 6A LC1K0601P7 2 17,43 34,86

Coffret SPACIAL S3D NSYS3D8825P 1 180,45 180,45

Support pour panneau SUPP50W 4 156,00 624,00

FIAMM FG 22703 4 69,18 276,72

Parafoudre In 15kA SPN040C 1 117,55 117,55

Prise de courant SN216 3 12,26 36,78

Régulateur de charge 48V / 254*127*63,5mm C charge C40 1 168,00 168,00

Disjoncteur P+N 20A 406870 1 25,60 25,60

Alimentation chas +/-15V 15W 131-959 1 57,95 57,95

Fusibles 2A 8,5x23 (boite de 10) Merlin Gerin 15666 2508784579 1 85,50 85,50

2508784664 1 52,40 52,40

704-8333 1 285,81 285,81

Capteur de tension LV 25-200 90.28.44.000.0 LEM 1 60,05 60,05

413-500 1 54,08 54,08

Fil de câblage 1 mm² rouge (bobine de 100 m) 628-5027 1 17,34 17,34 Fil de câblage 1 mm² bleu (bobine de 100 m) 628-5011 1 14,86 14,86 Fil de câblage 1 mm² vert-jaune (bobine de 100 m) 628-5061 1 14,86 14,86

Voyant défaut rouge ou jaune 230V XB7EV04MP 2 12,28 24,56

Module de puissance ERGHEL 2 500,00 1000,00

Module pilote ERGHEL 2 400,00 800,00

générateur (onduleur haute fréquence) ERGHEL 4 150,00 600,00

Commutateur 3 position XB7ED33P 2 8,53 17,06

Commutateur 2 positions XB7ED25P 1 7,74 7,74

615-0123 1 179,79 179,79

disjoncteur porte-fusible 10A 15620 5 11,28 56,40

Boitier pour capteur de tension PCD65T H = 80 L = 170 P = 65 188-2263 1 16,32 16,32

YE6180M 2 500 1000,00

Coffret batteries IP66 (L*l*p) 540*270*171mm 205 1561 1 94,79 94,79

Protège doigt 120*120mm 92164-2-2929 4 2,67 10,68

150,00 Total HT 7003,65 TVA 19,6% 1372,72 Total TTC 8376,37 Qté

Lampe fluocompacte 15W

Radiospares Radiospares Radiospares

Hager Coupe-circuit à fusible Merlin Gerin 15620 Radiospares

Télémecanique Legrand Legrand Legrand Télémecanique Télémecanique APB energy

Batterie 12V 27Ah fiamm

Hager Hager Xantrex Legrand Radiospares Radiospares Fusibles 10A 8,5x23 (boite de 10) Merlin Gerin 15660 Radiospares Automate Millenium 3 CUSTOM XD26R 24VDC 88974161 Radiospares Alimentation Millenium PS 24VDC 15W-0,6A 88950304 Radiospares Radiospares Radiospares Radiospares Télémecanique

Télémecanique Télémecanique Module Extension ethernet crouzet 88970270 Radiospares

Merlin gerin fibox Panneau Photovoltaïque 20W 12V Yohkon Energia Yohkon

Radiospares Radiospares Divers (Goulottes, cables phase/neutre/terre, raïl, etc...) Legrand

VIII. Plan d'installation du système

Diane GARCIA

IX. Schémas électriques

Franck CALABRIA

Jamel EL MARBOUH

Diane GARCIA

Tristan DUBOIS

X. Programmation

Franck CALABRIA

X.1. Programme millenium3 CROUZET

X.2. Explication du programme

Le programme est composé de 5 grandes parties : – Variation de puissance

– Pilotage de l'éclairage Auto/Manu – Détection batterie faible

– Détection défaut lampe

– Envoi du message « défaut lampe »

La variation de puissance est créée par un contact sec. Cette variation entraine 3 valeurs possibles: 100% / 70% / 50% de la puissance nominale.

A l'allumage le module de puissance est à 100% de sa puissance totale, contact ouvert. A chaque étape de fermeture du contact, la puissance change. Après un allumage (100%), la fermeture du contact permet de passer à 70% et la réouverture du contact de passer à 50%.

Ainsi de suite..

Contact OUVERT 100% FERME 70% OUV 50% FER 70% OUV 100% ...→ → → → →

Le pilotage de l'éclairage Auto/Manu se différencie par le choix de l'alimentation réseau ou batteries.

– lorsque les batteries alimentent le système, le module de puissances doit être alimenté avant le module pilote. Un contact auxiliaire du contacteur permet de sécuriser cette contrainte

– lorsque le réseau alimente le système, les modules puissance et pilote sont alimentés simultanément.

La détection batterie faible se fait par une entrée analogique qui est comparée à une valeur de seuil de batterie faible. Lorsque ce seuil est atteint, il déclenche un voyant de signalisation. En mode AUTO, la détection batterie faible déclenchera aussi le transfert de l'alimentation qui passe des batteries au réseau 50Hz automatiquement.

La détection défaut lampe se fait par une entrée analogique qui est comparée à 2 seuils de comparaison, valeur maximum et valeur minimum. Une première valeur est enregistrée manuellement en appuyant sur le bouton A de l'automate, puis grâce à cet enregistrement les valeurs de seuil s'enregistrent automatiquement pour être comparées une fois par jour à la valeur mesurée. Si cette valeur dépasse les limites définies par ces seuils, le défaut lampe est détecté et déclenche le voyant « défaut lampe ».

La détection « défaut lampe » est envoyée sur le réseau Ethernet du lycée pour être visible sur tout ce réseau. On pourra identifier la date et l'heure de ce défaut et acquitter ce défaut à distance.

XI. Essais et mesures

XI.1. Essai du capteur de tension et de son alimentation Diane GARCIA

Lors de cet essai sur table, on branche une alimentation continue réglée sur 60V pour modéliser le bus continu. On mesure à l'aide d'un voltmètre, une tension en sortie du capteur de 2V (entre les bornes 112-113).

On a déterminé précédemment (voir VI.6) que pour 223,9V on trouve en sortie 7,56V On a donc en extrapolant la mesure:

(223.9*2)/60=7.46V≈7.56V

La mesure est conforme à la valeur calculée.

Les essais réalisés lors du fonctionnement du système complet ont donné les résultats suivant:

Fonctionnement Tension bus continu Tension sortie

capteur Mot numérique entrée automate

100% 233V 7,6V 783

70% 214V 7V 720

50% 200V 6,6V 670

XI.2. Essai du défaut lampe Diane GARCIA, Franck CALABRIA

Le défaut lampe est modélisé par une lampe de 15W. On la dévisse si l'on veut simuler un défaut lampe et on la visse pour le faire disparaître.

Grâce à l'étude précédente (voir IV.6) :

 La valeur numérique de l'automate lampe installée est de 760 (=7,425V)

 La valeur numérique de l'automate lampe désinstallée est de 773 (=7,56V)

Nous avons déterminé un seuil de comparaison à 770. Or, lors de l'essai, le défaut lampe ne fonctionne pas. En effet, nous avons constaté pendant les essais qu'il y a variation de cette valeur :

 Lampe installée variation de 780 à 786→

 Lampe désinstallée variation de 782 à 788→

Ces variations sont trop proches pour pouvoir assurer une détection fiable.

Le défaut est trop faible pour que l'automate le détecte.

Nous avons procédé à un essai avec une ampoule à incandescence de valeur 60W. Les essais ont été concluants.

XI.3. Mesures avec l'analyseur de réseau Jamel EL MARBOUH

Fonctionnement Tension

réseau Puissance

réseau Taux harmoniques

courant

Taux harmoniques

tension

Facteur de

puissance Cosφ

100% 231,9V 440W 5,1% 1,8% 0,98 0,99

70% 231,8V 390W 5,9% 1,8% 0,98 0,99

50% 231V 235W 9% 1,8% 0,97 0,98

XI.4. Essais du système photovoltaïque Tristan DUBOIS

Tension des panneaux à vide: 77,5V Tension des panneaux en charge: 51V

Le courant fourni par les panneaux et le même que celui reçu par les batteries = 3,4 A Lorsque les batteries sont chargées, elles alimentent le système en courant continu.

Tension des batteries à vide: 51,32V

Fonctionnement Ibat Ubat Pfournie

100% 6,2A 48,58V 301,2W

70% 5,8A 48,2V 279,6W

50% 5,1A 48,2V 245,8W

Quand les batteries sont déchargées et qu'elles atteignent le seuil de 43,2V le système passe automatiquement du fonctionnement courant continu au fonctionnement courant alternatif.

XII. Annexes

XII.1. Plan d'un boîtier générateur Diane GARCIA

XII.2. Plan de la face avant de l'armoire Tristan DUBOIS

XII.3. Plan d'implantation de la grille de l'armoire Jamel EL MARBOUH

XII.4. Plan du boîtier des batteries Tristan DUBOIS

XII.5. Le système et l'équipe de

XII.6. Système en fonctionnement

XII.7. Boîtier lampe ouvert

XII.8. Boîtier lampe

XII.9. Régulateur de charge

XII.10. Automate

XII.11. Coffret batteries

XII.12. Panneaux photovoltaïques