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1. 1 Pr sentation de la probl matique Les syst mes automatis s actuellement tudi s en classe de Premi re et Terminale STI G nie Electrotechnique comportent toujours un syst me de conversion d nergie choisi dans l un des domaines suivants _l lectrothermie l clairage la force motrice o par ailleurs la conversion d nergie prend une place pr pond rante L enseignement des syst mes dominante lectrotechnique doit viter les tudes th oriques qui ne seraient pas en relation avec le concret et o les mod lisations ne seraient pas confront es aux ph nom nes physiques mesur s sur le syst me Dans le cas o l on ne dispose pas de syst mes physiques on a donc recours des dossiers d exemples industriels effectivement r alis s ou des dispositifs de simulation industriels Pour cela les l ves des sections STI G nie Electrotechnique tudient des syst mes et sous syst mes qui mat rialisent les v ritables syst mes industriels A travers l ensemble de ces syst mes et sous syst mes il s agit donc de donner le moyen nos l ves d acqu rir un certain nombre de comp tences d crites dans le r f rentiel qui devront tre valid es au terme des deux ann es d tudes qui les pr parent au Baccalaur at La strat gie p dagogique telle qu elle est actuellement d finie doit permettre de valider diff rentes comp tences attendues dans diff rents domaines les outi2. www powersimtech com site Internet de la soci t Powersim Manuel d utilisation du logiciel Psim R f rentiel STI G nie Electrotechnique 30 Irae 1 Descriptif des principaux l ments de la biblioth que de composants du logiciel Psim 51e Composants passifs r sistances inductances condensateurs RL LC R C fie x VV i eA Ta eA ai T La ILC R3 RLS RLC3 he She hf Le NASA be NST AN AIT ie AAA AN Ah Re Interrupteurs diodes diodes zener thyristors Transistors bipolaire MOSFET IGBT Interrupteurs bi directionnel DIODE Circuit Model I 3 l T Vn L GTO NPN PNP MOSFET MOSFET_P GBT pop Ue Convertisseurs statiques monophas triphas BDIODE BTHY 32 BDIODE3 4 BTHY3 BTH Y 3H 1 TF_IF_3W TF IFSW TF_IF SW 1 TF_IF_LTW 8 P p x um TF IF TF IF 4W d 236 IF 3YD Rec Machine courant continu ie ki Armature gt SEDENS ge o Shaft Node Winding 3 det p s Field Winding ES L Machine asynchrone INDM 35 IN DM 38N a 2 4 hc E i S il a neutral Charge m canique MLOAD T Mesures de couble et de vitesse Arbre m canique pouvant alors tre obtenu Master Reference direction of the mechanical system slave at h T T H KC
3. 4 3 Les licences ducatives 5 Exemples de simulation travers un cours de synth se 5 1 Rappel de la probl matique 5 2 Etude de la fonction commander la puissance 5 2 1 Etude de la fonction travers les travaux pratiques 5 2 2 Etude de la fonction travers un cours de synth se 5 3 Le cours de synth se 2 La variation de vitesse d une machine courant continu I La variation de la vitesse l aide d un convertisseur CON CONTINU as nent TEES Pr sentation d un syst me boucl IV Etude des asservissement par mode Tout ou Rien V Etude des asservissement par modulation d nergie V 1 D termination du sch ma bloc moteur V 2 Etude de l influence des correcteurs en boucle ferm e FIChE d SYNMIEeSC D EP o Annexes Annexe 1 Descriptif des principaux l ments de la biblioth que de composants du logiciel PSIM Annexe 2 Documentation commerciale du logiciel Psim
4. wav Boucle ferm e i Correcteur PI K 10 Boucle ferm e Eod ie K 22 2 PN Boucle correcteur P K 1 Tithe On peut donc ais ment expliquer gr ce la simulation l influence des diff rents correcteurs et introduire les 3 crit res qui d finissent les performances d un syst me savoir la rapidit la stabilit la pr cision 96 On peut avec les l ves mesurer l erreur et les temps de r ponse de chacun d eux Ainsi d eux m mes les l ves peuvent tirer les conclusions suivantes Boucler un syst me am liore sa rapidit L action proportionnelle am liore sa pr cision L action int grale annule l erreur statique Simulation 2 on va maintenant simuler des r ponses une consigne de mise en vitesse avec une phase d acc l ration et de d c l ration nn BF PI k 10 1290 00 ip RT 1 1 18 V Consigne de mise ff 477 gt en vitesse Ci 5o DO BF k 10 7 BO La simulation nous permet de voir que seul le correcteur PI nous permet de respecter la loi de consigne Cette derni re peut permettre de faire le lien avec l utilisation des variateurs de vitesse dans l industrie dans lesquels on peut param trer des correcteurs de type Proportionnel ou Proportionnel Int gral Fiche de synth se En fin de s ance une fiche de synth se est distribu e aux l ves Celle ci
5. TESTE te MONTPELLIER Institut Universitaire de Formation des Maltres Site de Nimes Laurent RICOL L utilisation des logiciels de simulation el Elecirotechnique en cours de syntn se M moire Professionnel G nie Electrotechnique Classes de Premi re et de Terminale Lyc e Technologique R gional Dhuoda de Nimes Tuteur Jean Claude CABANEL Assesseur Jean Pierre DELORME Ann e 2002 2003 Je tiens remercier vivement Monsieur Jean Claude CABANEL professeur au Lyc e Technologique R gional Dhuoda de Nimes et tuteur de ce m moire pour son aide et ses pr cieux conseils ainsi que Monsieur DRUETTO Inspecteur P dagogique Regional de l Acad mie de Montpellier pour sa collaboration a l envoi de l enqu te r alis e a l ensemble des tablissements de l Acad mie Observations du Jury R sum Les cours de synth ses sont ils bien adapt s l acquisition des comp tences d couvertes lors des s ances de Travaux Pratiques tournants peut l gitimement se poser la question au vu des d rives constat es concepts difficilement d gag s lors des TP cours de synth ses d cal s qui ne permettent par toujours l tude correcte des fonctions Afin d am liorer la d marche p dagogique et de privil gier les activit s de r flexion et d analyse l id e serait d effectuer partir d un outil de simulation informatique des tudes fonctionnelles cons quentes et facilement compr hensibles par
6. the SimCoupler Module allow co simulation with Matlab Simulink Annual maintenance An annual maintenance plan 18 offer For the cost of 20 of the software price the maintenence plan entitles you to technical support and free version update and upgrate POWERSYS T l 33 0 42 63 60 88 Fax 33 0 4 42 63 61 19 e mail infow powersys fr Information on the product on the website www powersimtech com 41 POWERSYS PSIM VERSIONS The professional version The professional version has the full functionality and has no size limitation Users have three options when buying the professional version A Stand alone version either with a hardlock key dongle or without the key Softkey version The hardlock key version comes with a key which can be connected to either the parallel port or USB port On the other hand the softkey version does not require any key However the only requirement for the softkey version is that it needs to be activated after the software is installed At the moment of activation which normally takes a few seconds the computer must be connected to the internet After the software is activated however the computer no longer needs to be Dongle connected to the internet A Network version which allows multiple users to access and run the software simultaneously over a network The network version comes with a kev Network version with dongle Dongle A Multiuser
7. a f n the kv L oJ i m T 4 d L L T 3 Load Speed Torque Load2 Speed Torque 0 Li Sensor Sensor Sensor 2 Sensor 2 D r rw p m 34 G n rateurs continu sinuso dal carr triangulaire VDC CELL VDC_GND Fonctions de transfert RE J Correcteur Proportionnel Correcteur Int grateur RESETI G T Correcteur D rivateur Cris s T Correcteur Proportionnel Int gral G KS k 35 Filtres pass bas pass haut pass bande coupe bande 2 2 x L rae Cri s k gt Gs 2 4 s 2605 0 s 7260 5 7 0 B s c G s EU Te Cris K DIU 3 B 5 7 0 S B 0 FILTER BS2 Op rateurs sommateur multiplicateur SUM SUM2 SUM2P SUMA TANE a of Input 1 2 pre t UT Input 2 i mi Input Input 2 I Input 3 Denominstar Fonctions math matiques puissance exponentiel racine carr valeur absolue valeur efficace POWER SOROT 36 Composants lectroniques comparateurs multiplexeurs amplificateurs op rationnels fonctions logiques bascules RS et JK _ _ _2 V T A V o 1 V ANDGATE j ANDGATES COMP 1 M oe Va Vin te Le end ORGATE y NOTGATE ORGATES NANDGATE Ha 7 375 AORGAT
8. leur permet d y retrouver toutes les notions importantes vues durant le cours de synth se 27 Fiche de synth se Notions sur les syst mes asservis Objectif Afin d am liorer les performances des processus industriels il est n cessaire de maitriser les grandeurs mises en jeu On est donc amen concevoir des syst mes ou la grandeur d sir e s aligne rigoureusement sur une grandeur de consigne quelque soit l environnement Solution au probl me Mise en uvre d un syst me boucl poss dant une r troaction de la sortie sur l entr e dit syst me asservi Diff rents types de r ponses pour des syst mes non asservis Consigne Consigne Consigne 4 Sortie du syst me Sortie du syst me Sortie du syst me R ponse lente erreur statique R ponse lente d passements tr s R ponse de la sortie importante importants divergente zf Principe l asservissement de la vitesse d une MCC G n ratrice Alimentation tachym trique r seau ar a EER y EE Consigne de vitesse Info vitesse Sortie 1 syst me en boucle ouverte asservie P PP PPS 2 systeme boucl en mode Tout ou Rien oimple et d emploi courant la m thode d asservissement Tout ou Hien ne peut s appliquer qu aux syst mes qui 2 NER supportent des oscillations et des command carts de valeur mesur e autour d une consigne Signal de 22 Les crit r
9. r gulateurs afin d am liorer les performances de ces syst mes Pour tudier la notion d asservissement nous allons donc revenir sur l asservissement de vitesse d une machine courant continu on fait ici r f rence au TP sur l axe Z 1 La variation de vitesse d une machine courant continu Rappel sur la machine courant continu La machine courant continu notamment utilis e pour la commande d axe utilise la variation de vitesse Celle ci peut tre obtenue en agissant sur l induit ou l inducteur de la machine Dans le cas d une machine aimant permanent le seul moyen d agir est de faire varier la tension d alimentation de l induit Ge Probl me comment faire varier cette tension 1 cas on souhaite faire tourner le moteur sa vitesse nominale Nous allons simuler une MCC aliment e par une alimentation continue qui une charge m canique Les caract ristiques de la machine sont les suivantes Coefficient de proportionnalit entre la vitesse angulaire et la fem de l induit Ke 0 5 V rd Coefficient de proportionnalit entre le courant et le couple Kc 0 5 Nm A Vitesse nominale de rotation nm 1500 tr min R sistance de l induit R 1 20 Courant nominal d induit In 8 A Moment d inertie total ramen l axe moteur J 0 02 kg m2 Remarque Pour effectuer la r gulation d un syst me du 1 ordre on n glige l nductance de l induit et les frottement
10. 9 Simulations La simulation pour un rapport cyclique de 0 9 donne une tension de sortie Vs 72V Y C A almoced aim lceonalinmcatati ca bache rer eo Pi vide TAT IRR ee d r pe p i TT T n L 1 way wl 2k L es it L D Tension de sortie Valeur moyenne commande True Li Pour un rapport cyclique diff rent par exemple pour 0 3 on obtient Vs 34 V EE VEN Camee lanam d E EXT F JE ei joe oes Tension de sartie commande LE E is G Di aii tuya Tits Par cons quent on peut montrer que pour x lt 0 5 la valeur moyenne de la tension de sortie est n gative Cette simulation permet de faire comprendre par exemple aux l ves 20 que l on peut inverser le sens de rotation du moteur pour un rapport cyclique inf rieur 0 5 car la tension moyenne aux bornes du moteur est alors n gative Il La variation de la vitesse l aide d un convertisseur continu continu Pour faire varier la vitesse du moteur on l alimente maintenant directement par l interm diaire du hacheur ny A P 0 mj ajl Dos ajan jee ii Jef alaeo Hacheur 4 quadrants
11. E NORGATE Appareils de mesure sondes de tension et de courant voltm tres amp rem tres wattm tres mesure des puissances active et r active facteur de puissance Voltage Probe Current Probe DC Voltmeter AC Voltmeter VP VP2 IP V DC V AC O e Wattmeter VAR Meter 3 phase Wattmeter W WAR WA ew LW Var AS we p r DC Ammeter AC Ammeter A DC EP E 3 phase VAR Meter VARS Wc QD gt Varro k PEE E wi VA Power Factor Meter 3 phase VA Power Factor Meter VA PF VA 38 nne 2 Documentation commerciale du logiciel Psim 39 Simulation software For power electronics and electrical system Simple PSIM software has been specifically developed for simulation of power electronic converters and electrical systems Its user friendly and intuitive interface its fast calculation and its stability make PSIM a simple but powerful simulation tool ideal for system analysis equipment design and teaching A diagram is produced just as quickly as it would be by hand using the mouse to take the required library component and to place it in the circuit Each standard library component is designed according to its principal characteristic The secondary or spurious parameters are not taken into account which has the advantage of considerably reducing the diagram production and simulation time Experience has clearly shown that with PSIM soft
12. E ippn ag 2 a E 17715581 x on y s mem nod y di Dx e i oimulation La Simulation confirme bien que la variation de la tension d alimentation permet de faire varier la vitesse de rotation du moteur 18 Probl me Dans l industrie on ne dispose bien videmment pas d alimentations variables pour r gler la vitesse du moteur mais de variateurs industriels Ces variateurs sont constitu s en fait de convertisseurs statiques continu continu appel s hacheurs qui permettent de faire varier la vitesse en fonction d un rapport cyclique Ce convertisseur est compos de 4 interrupteurs command s qui permettent de faire varier la tension d alimentation en fonction du rapport cyclique La tension de commande est de 0 15V avec un rapport cyclique variable mesure V sortie rapport eve lique variable T m ike 4 Gt 147 1 5 P r J HEH ar d e ET ITE ae OS Te Gr ce la simulation l l ve va tr s facilement comprendre que faire varier le rapport cyclique fait varier la tension de sortie dont il peut par ailleurs mesurer la valeur moyenne On pourra ainsi facilement faire apparaitre la elation qui lie la tension de sortie la tension d entr e savoir Vs 2 1 Ve 1
13. ar 3 modules une librairie de machines lectriques une librairie de fonctions de contr le commande num riques ou discr tes un module permettant une simulation sous le logiciel Matlab Simulink ll existe trois versions de logiciel une version professionnelle une version ducative une version de d monstration La version professionnelle Elle dispose bien videmment de toutes les fonctions dont le logiciel dispose sans aucune limitation de taille au niveau de la conception du sch ma et de la simulation La version ducative A mi chemin entre la version professionnelle et celle de d monstration elle dispose de l ensemble des fonctions du logiciel mais le nombre total de composants est limit 60 12 La version de d monstration Cette version gratuite dispose de l ensemble des fonctions except celle de l diteur de fonctions De plus le nombre d l ments est ici limit 34 4 3 Les licences ducatives La version ducative n est disponible que pour l achat d un minimum de 5 licences L installation des logiciels tr s simple ne prend que quelques secondes et son activation est r alis e par une connexion Internet Les prix des licences Version de base PSIM 123 Euros Modules additionnels librairie de machines lectriques 70 Euros librairie de fonctions contr le commande num riques ou discr tes 70 Euros module de simulation so
14. ation permet de montrer aux l ves que cette m thode de r gulation ne peut s appliquer qu aux syst mes qui supportent des oscillations et des carts de valeur autour d une consigne 23 Vitesse du moteur s L v NA oos E s ne Tension de commande en aaa 0 18 Wet sortie du comparateur Qs La pr cision de type de r gulateur reste faible et n est donc pas adapt e pour type d asservissement Les applications qui lui conviennent sont celles qui ont des constantes de temps assez longues par exemple le chauffage lien avec le TP sur la r gulation de temp rature du bain r gul V Etude des asservissements par modulation d nergie On va donc chercher rendre la r ponse du syst me plus pr cise et plus rapide Pour cela nous allons tudier les syst mes asservis par modulation d nergie en introduisant la notion de correcteurs V 1 D termination du sch ma bloc moteur Nous allons maintenant nous int resser l asservissement du moteur non plus sous sa forme structurelle mais sous forme de sch ma bloc On va donc s attacher dans un premier temps d terminer la fonction de transfert du moteur Rappelons les quations fondamentales qui r gissent le fonctionnement du moteur U t E t R i t L di dt E t k t J d dt K i t Crit 24 Dans un souci de simplification on n glige le couple r sistant ai
15. bu sur laquelle ne figure que l essentiel des notions connaitre 245 5 3 Le cours de synth se Pour ce cours je propose le plan suivant Introduction La variation de vitesse d une machine courant continu Il La variation de la vitesse l aide d un convertisseur continu continu Ill Pr sentation d un syst me boucl IV Etude des asservissement par mode Tout ou Rien V Etude des asservissement par modulation d nergie V 1 D termination du sch ma bloc moteur V 2 Etude de l influence des correcteurs en boucle ferm e Fiche de synth se Introduction Afin d am liorer les performances des processus industriels il est n cessaire de maitriser les grandeurs mises en jeu On est donc amen concevoir des syst mes ou la grandeur d sir e s aligne rigoureusement sur une grandeur de consigne quelque soit l environnement En r gulation ou en asservissement le syst me doit r agir d s qu un changement d tat se manifeste La r gulation est en fait un dispositif qui consiste maintenir une grandeur physique une valeur fix e L asservissement consiste appliquer une loi de variation d termin e l avance une o plusieurs grandeurs physiques Exemples regulation de temp rature a 100 asservissement de la vitesse en fonction d une consigne de vitesse d termin e phases de d marrage et de d arr t A travers les TP les l ves ont t amen s param trer des
16. charge 2 V alim BB V T f mesures vitesse et couple rapport cyclique variable i E mum TT ET ESI mie wise EH Simulation La simulation nous permet de v rifier que la vitesse est d environ 1200tr min pour un rapport cyclique de 0 9 P x vv Salmcaed bacha vesiamon vode EXT pepe Er an aT es me per err err e CC See S x v fe ste dA le I II FC u1 Vni Le A Vitesse d environ p 1200 tr min be nm Tus Li 21 III Pr sentation d un syst me boucl Un syst me asservi est un syst me boucl dans lequel on distingue la chaine directe qui permet de corriger les effets sur le syst me r gulateur actionneur la chaine de retour appel e aussi boucle de r troaction qui surveille en permanence l tat de la sortie pour informer le r gulateur des modifications apporter la chaine directe R gulateur Sortie asservie Correcteur Actionneur Consigne Chaine de retour Le r gulateur il labore un signal de commande n cessaire au pilotage du syst me Il comporte un comparateur qui donne l erreur entre la consigne et la sortie du syst me un correcteur qui permet d am liorer les performances de l asservissement L actionneur il fournit la pui
17. cle ferm e avec un correcteur proportionnel et int gral Conclusion Boucler un syst me am liore sa rapidit L action proportionnelle am liore sa pr cision L action int grale annule l erreur statique 29 Conclusion L utilisation d un logiciel de simulation offre la possibilit de r aliser un cours de synth se tout en ayant la possibilit d observer et d interpr ter en temps r el les ph nom nes et les grandeurs visualis s Gr ce son utilisation il permet de faire la synth se en ce qui concerne les tudes des diff rentes fonctions d crites dans le r f rentiel tout en tant fid le aux syst mes techniques r els Ce rapport met en vidence la compl mentarit des approches pratiques TP indispensables en fili re technologique avec une approche par simulation utilis e durant les cours de synth se L tude des syst mes asservis a t le support p dagogique d velopp pour des l ves de Terminale STI G nie Electrotechnique est bien videmment que de nombreux autres th mes auraient pu tre trait s et adapt s d autres niveaux d enseignements comme des classes de BTS Electrotechnique Mon souhait en tant qu enseignant est de voir se d velopper au sein des quipes enseignantes ces techniques de simulation qui permettraient une approche p dagogique tout en sachant par ailleurs que ces techniques sont extr mement r pandues en milieu industriel Bibliographie
18. e si les syst mes tudi s sont diff rents A partir de l le cours de synth se prendrait alors toute sa dimension car il apparaitrait donc tre le moment id al non pas pour acqu rir de nouvelles connaissances mais justement pour synth tiser et conceptualiser ce que les l ves ont d couvert et appris lors des s ances de TP Si la fonction trait e s y pr te l outil informatique et notamment les logiciels de simulation pourraient alors tre introduits lors de ces s ances de synth ses ce qui permettrait afin de coller au plus pr t de la r alit d effectuer partir de syst mes r els des tudes cons quentes et facilement compr hensibles par les l ves de mettre en vidence les fonctions essentielles et de privil gier les activit s de r flexion et d analyse Je vais donc dans ce qui va suivre vous pr senter tout d abord les r sultats de l enqu te que j ai r alis e aupr s des tablissements de l acad mie concernant les diff rents logiciels utilis s en Electrotechnique puis par la suite faire l inventaire des diff rents logiciels de simulation qui existent sur le march et enfin vous pr senter des exemples de simulation qui pourraient tre r alis s travers un cours de synth ses portant sur l tude d une seule et m me fonction 2 Enqu te r alis e aupr s des tablissement de l acad mie ll s agissait pour moi de faire un tat des lieux des logiciels utilis s dans les 12 lyc es t
19. echnologiques que compte l Acad mie de Montpellier En ce qui me concerne l objectif tait pour moi de savoir d une part si la simulation en G nie Electrotechnique se pratiquait dans certains lyc es et si tel tait le cas de connaitre les logiciels de simulations utilis s au sein de l tablissement ou titre personnel par les enseignants de savoir d autre part si les diff rentes quipes p dagogiques avaient des souhaits pr cis pour de nouveaux logiciels J ai donc envoy une enqu te par Email sous couvert de Monsieur l Inspecteur P dagogique R gional l ensemble des Chefs de Travaux des diff rents tablissements afin qu ils puissent la transmettre aux professeurs de STI G nie Electrotechnique TTE 631 11168 MONTPELLIER Nimes le 4 f vrier 2003 Laurent RICOL Professeur stagiaire PLC2 G nie Electrotechnique Lyc e Dhuoda Nimes l attention de Messieurs les Professeurs de STI et BTS Electrotechnique s c Monsieur l Inspecteur P dagogique R gional s c Messieurs les Chefs des Travaux Objet M moire professionnel Enqu te sur les logiciels de simulation en Electrotechnique Chers coll gues de G nie Electrotechnique Dans le cadre d une enqu te r alis e au sein de l Acad mie de Montpellier je souhaiterais savoir si vous utilisez au sein de votre tablissement ou titre personnel un logiciel de simulation d Electrotechnique exemple Pspice Psim sous Simcad Simulink sous Ma
20. ement quatre quadrants Objectif analyser le fonctionnement d un hacheur 4 quaarants l tude de la loi de commande du variateur de vitesse Objectif relever la loi de commande du variateur et tudier la boucle de r gulation Ces 3 TP formatifs vont me servir de base pour d velopper une s ance de synth se avec l utilisation de l outil de simulation pour l tude des asservissements 5 2 2 Etude de la fonction travers le cours de synth se L objectif de ce cours en utilisant un logiciel de simulation est de permettre aux l ves de revoir le fonctionnement d un hacheur 4 quadrants alimentant un moteur courant continu d aborder avec les l ves la notion d asservissement par le mode Tout ou Rien d tudier l asservissement d un syst me boucl et avec l introduction des notions de r gulation Proportionnel et Proportionnel int gral qui ne sont par ailleurs pas du tout videntes pour des l ves de Terminale On peut donc constater que l tude des asservissements fait appel des connaissances de base Ce cours de synth se vise donner les principes g n raux relatifs aux notions pr c demment cit es Un tel cours s il venait tre r alis avec les l ves se d roulerait de la facon suivante Durant l expos les l ves coutent et sont attentifs la pr sentation orale et aux simulations r alis es en live pendant le cours A la fin de l expos une fiche de synth se leur est distri
21. es l existe 3 crit res importants concernant les performances attendues pour un syst me asservi la pr cision erreur statique E faible la rapidit temps de r ponse rapide tr d fini pour E lt 5 stabilit grandeur de sortie constante Sch ma bloc d un syst me asservi en boucle ferm R gulateur Consigne Correcteur Actionneur oortie asservie Capteur Chaine de retour Le r gulateur il labore un signal de commande n cessaire au pilotage du syst me ll comporte un comparateur qui donne l erreur entre la consigne et la sortie du syst me un correcteur qui permet d am liorer les performances de l asservissement L actionneur il fournit la puissance au processus partir du signal labor par le r gulateur moteur v rin Le capteur il mesure la grandeur de sortie et la transmet au r gulateur g n ratrice tachym trique sonde de temp rature codeur incr mental Influence du correcteur sur les performances de l asservissement 2 types de correcteurs sont utilis s le correcteur proportionnel P constitu d un gain le correcteur Proportionnel et Int gral constitu d un gain associ un int grateur 1 syst me en boucle ouverte 2 syst me en boucle ferm e avec un correcteur proportionnel de gain K 3 syst me en boucle ferm e avec un correcteur proportionnel de gain K K K 4 syst me en bou
22. formation on the product on the website www powersimtech com E 43
23. it ce qui rend le logiciel utilisable pour la plupart des circuits tudi s jusqu au BTS Il a de plus l norme avantage d tre assez simple d utilisation ll existe une version de d monstration qui ne diff re de la version complete que par le nombre d l ments disponibles sur le sch ma et le nombre de points sur les graphes du scope Au vu de cette tude comparative mon choix s est donc naturellement port sur ce dernier logiciel Psim Je me suis donc connect sur le site Internet du fabricant am ricain www powersimtech com sur lequel j ai pu par la suite t l charger la version de d monstration et demander par Email les tarifs des licences 4 Le logiciel PSIM de la soci t Powersim Le logiciel PSIM a t sp cialement d velopp pour simuler des syst mes lectriques comportant de l lectronique de puissance et des convertisseurs 4 1 Presentation generale du logiciel Un circuit lectrique est cree tres rapidement en utilisant la souris pour prendre dans la bibliotheque les elements recherches et les placer dans le circuit est possible de connecter des sources des convertisseurs les charges m caniques des instruments de mesure tout cela sur le m me sch ma 11 comprend donc une biblioth que assez importante de mat riels et de composants du G nie Electrique semi conducteurs transformateurs moteurs capteurs sources de tension ou de courant l ments passifs et fonctio
24. les l ves pour faire l tude des fonctions d crites dans le r f rentiel Mots cl s Logiciel Simulation Psim Cours Synth se Asservissement Summary We can wonder whether the class during which we make a synthesis are suited to develop the knowledges during practical works We are right to wonder about their roles because of the problems we noticed some concepts are difficult to make out during practical works some lectures come too late which makes it difficult to study the functions correctly So as to improve our teaching methods and put an emphasis on analysis and thinking we could use a simulation software to study complex systems which would make it easier to understand for students who will then study the functions described in the syllabus Sommaire 1 Pr sentation de la probl matique 2 Enqu te r alis e aupr s des tablissements de FAC AG Cit 3 Les diff rents logiciels industriels de simulation 9 T MICTOSIM en een dore nee ete 3 2 SIMUINK 3 8 FO IMP IO BP a eR ELE AO AA cea ED etter Sud e Sl IT 4 Le logiciel PSIM de la soci t POWERSIM 4 1 Pr sentation du logiciel 2 4 2 Configuration du logiciel 2 2 2
25. ls d analyse des syst mes techniques distribution et la gestion de l nergie la protection des biens et des personnes l tude et l exploitation d un syst me de conversion l tude et l exploitation d un syst me automatis Etat des lieux Les tudes de syst mes et sous syst mes sont r alis es lors de s ances de Travaux Pratiques tournants TP Les l ves se retrouvent alors en bin me pour tudier un des syst mes ou sous syst mes qui va leur permettre d acqu rir une ou plusieurs comp tences travers l tude d une fonction L inconv nient principal vient du fait que ce mode de fonctionnement ne permet actuellement pas de valider en m me temps les m mes fonctions donc les m mes comp tences pour tous les l ves tant donn que l on est dans l impossibilit mat rielle de tous les faire tudier sur un m me syst me De plus en ce qui concerne le contenu des TP on peut ais ment constater que les concepts sont difficilement d gag s ces derniers essentiellement bas s sur des mesures et des relev s Par ailleurs les cours dits de synth se sont souvent d cal s par rapport aux s ances de TP rappelons le tournants et ne permettent pas toujours une tude correcte des diff rentes fonctions Objectifs vis s Afin d am liorer la d marche p dagogique et au vu des d rives constat es l id e serait donc de faire travailler nos l ves sur une fonction identique m m
26. mais ne concernent pas de logiciel de simulation 3 Les diff rents logiciels industriels de simulation ll y a quelques ann es l offre des logiciels de simulation de circuits lectriques tait assez pauvre Depuis peu elle s est largement toff e et on peut trouver maintenant des produits tr s performants d di s l lectronique l lectronique de puissance ainsi qu l lectrotechnique dont certains sont tr s r pandus dans l industrie Gr ce Internet j ai donc pu trouver une panoplie de logiciels de simulation utilis s en G nie Electrique qui ont bien videmment des performances diff rentes certains sont tr s puissants mais n cessitent parfois une prise en main assez longue certains sont bien adapt s pour r aliser des sch mas fonctionnels sous forme de sch mas blocs et effectuer des boucles d asservissement d autres disposent de biblioth ques tres compl tes pour l lectrotechnique moteurs transformateurs lectronique de puissance Voici une br ve description de ces diff rents logiciels 3 1 Microsim Pspice La r f rence en mati re de simulation en lectronique tr s puissant qui dispose d une biblioth que assez importante Assez bien adapt pour l lectronique de puissance il permet une prise en main tr s rapide Seul inconv nient majeur il ne dispose pas d une biblioth que de composants d Electrotechnique comme des moteurs courant continu des machines asynchrone
27. nnement C 43 Identifier les l ments externes des boucles de r troaction C 44 V rifier l aide de mesurages pertinents les performances attendues du syst me de conversion Lien avec les s ances de travaux pratiques Pour udier cette fonction en TP et acqu rir les comp tences d finies dans le r f rentiel les l ves travaillent sur 2 sous syst mes le bain de traitement thermique sous syst me de la station de brunissage l axe Z sous syst me du transgerbeur ma station de brunissage est un syst me qui permet le trempage de pi ces devant subir un traitement thermique dans diff rents bains Le bain de traitement thermique permet d tudier la r gulation de temp rature des bains de la station de brunissage Le transgerbeur est un syst me qui permet de stocker ou d stocker automatiquement des caisses r f renc es selon 3 axes horizontal vertical transversal L axe Z didactis du lyc e permet d tudier les d placements sur les axes repr sentatifs de ceux effectu s en r alit Actuellement dans les diff rents lyc es de l Acad mie ces 2 sous syst mes permettent aux l ves de terminale d effectuer les TP formatifs suivants Bain de traitement thermique l tude de la r gulation du bain en mode Tout Ou Rien ou en mode proportionnel Objectif relever et caract riser les performances des deux modes de r gulation pr cision rapidit stabilit Axe 7 l tude du fonctionn
28. ns lectronique logique ou math matique est possible de connaitre les caract ristiques des diff rents elements par un simple double clic avec la souris mais aussi de les param trer ou de r gler les conditions initiales Si un m me sous ensemble apparait plusieurs fois il est possible de cr er un bloc fonction que l on pourra alors r utiliser Mon exp rience personnelle m a montr qu il permet une prise en main facile De plus d apr s le fabricant ce logiciel semble tre l un des plus rapides et des plus puissants simulateurs en lectrotechnique disponible sur le march Toutes ces qualit s font donc de lui mon avis un logiciel id al pour les quipes enseignantes de Premi re Terminale STI et de Sections de Technicien Sup rieurs permettant d aborder diff rents aspects d un syst me lectrotechnique lectronique analogique lectronique num rique asservissement 4 2 Configuration du logiciel La version de base du logiciel PSIM int gre donc un diteur graphique avec sa biblioth que un simulateur avec lequel il est possible de param trer le temps de simulation une interface de visualisation sur laquelle s affiche les courbes et gr ce laquelle on peut faire des op rations arithm tiques mesures des valeurs instantan es moyennes efficaces ou m me tracer des spectres de d composition en s rie de Fourier FFT Cette configuration de base peut tre compl t e p
29. nsi que l inductance de l induit Les quations du moteur deviennent U t t R i t J d dt K i t soit en transform e de Laplace U P P Jp P K I P On peut donc d composer le moteur en sch ma bloc tension d alimentation vitesse du moteur Calcul de la fonction de transfert de la MCC P U P K Rup 1 K Rup solt P U P K K Rup Le sch ma bloc du moteur devient alors U P P K RJp V 2 Etude de l influence des correcteurs en boucle ferm e Ayant mod lis le moteur sous forme de schema bloc nous allons maintenant simuler et comparer les reponses a un echelon de consigne d un moteur non asservi c est a dire en boucle ouverte a ses performances en boucle ferm e avec uncorrecteur Proportionnel de gain unitaire uncorrecteur Proportionnel de gain 10 uncorrecteur Proportionnel et Integral de gain 10 25 moteur 1 Boucle ouverte 2 Boucle ferm s Proportionnel Gain unitaire 3 Boucle ferm e 41 Boucle ferm e Proportionnel Propartionnel Gain d 10 Gain de 10 et Int gral r mn a NE PE gt Em ee ae Ces a guion pie da marl pues iq ja rne i u n r2 e af Simulation 1 Les simulations des r ponses a un echelon de consigne sont repr sent es ci dessous ww Chalmcad simulation Fi PRD TX
30. probl matique le cours de synth se prend toute sa dimension lorsqu il s agit d tudier une seule et m me fonction partir de ce que les l ves ont tudi s en TP sur les syst mes et sous syst mes Je vais donc dans ce qui va suivre vous pr senter les simulations que l on pourrait effectuer durant un cours de synth se portant sur une fonction pr cise tout en ayant une d marche tr s progressive au niveau de la difficult de compr hension et d assimilation facilit entre autre par la simulation 5 2 Etude de la fonction commander la puissance 5 2 1 Etude de la fonction travers des Travaux Pratiques On se propose d tudier la fonction commander la puissance Voici donc un extrait du r f rentiel sur les comp tences que les l ves de Terminale doivent acqu rir en vue de leur pr paration au Baccalaur at concernant la fonction commander la puissance par contr le tout ou rien ou par modulation d nergie Caract risation du contr le ou de la modulation Caract res de la charge contr ler Etats de la charge vitesse temp rature luminosit obtenir diff rents tats r gler un d bit maintenir un tat constant asservir un tat une variable faire varier une vitesse de rotation de facon maintenir une vitesse lin aire constante Plage de variation Niveau de stabilit Comp tences attendues C 42 Analyser le circuit de puissance du modulateur et tester son bon fonctio
31. rectly into the diagram in the form of DLL block that will take into account the inputs outputs and the dynamics of the elements Moreover you can compile reports and integrate the diagrams and wavetorms obtained during simulation Ideal for development teams and for teaching this tool which will win you over by tts potential its simplicity and its price is one of the most attractive on the market PSIM Basic PSIM consists of a basic configuration PSIM Basic which integrates three programs PSIM BASIC PSIM Schematics includes an efficient easy to use graphical editor as well as a library of standard components and functions You can use it to build up your own models or to use library models to represent the circuits to be simulated PSIM is the core of the simulator it uses a simulation algorithm adapted to deal with the problems of convergence and the prohibitive calculation time characteristic of the simulations of switching systems SIMVIEW is the waveform display interface It can be used to perform arithmetical operations on curves and with a click of the mouse to obtain the Instantaneous rms and mean maximum and minimum values and to zoom on the interesting transients Additional modules This basic configuration can be complemented with three additional modules the Motor Drive Module library of electrical machines the Digital Control Module library of discret and digital control functions
32. s des charges m caniques ll existe une version de d monstration utilisable pour la plupart des circuits tudi s jusqu au BTS 3 2 Matlab Simulink Issu d un logiciel de calcul Matlab ce logiciel tr s puissant est bien adapt pour simuler des syst mes r gul s ou asservis mais il n cessite malheureusement des qualit s d abstraction en cr ant des fonctions et en les assemblant sous forme de sch mas blocs Simulink De plus il ne permet pas de dessiner un v ritable sch ma lectrique Ce logiciel semble donc tre plus appropri pour des classes Post bac voire des coles d Ing nieurs que pour des classes de Premi re et de Terminale 3 3 Simplorer Ce logiciel visiblement tr s complet permet de r aliser des circuits lectriques et de faire de l automatisme par blocs fonctionnels Ce logiciel priori bien adapt pour l lectrotechnique n cessite malheureusement une prise en main qui demande du temps 3 4 Circuit Ce logiciel permet l analyse et la conception de circuits en lectronique et en lectronique de puissance mais il utilise des mod les de composants trop simplifi s binaires r sistifs 3 5 Psim Ce logiciel permet une simulation pour l lectronique de puissance avec une biblioth que tres compl te pour l lectrotechnique moteurs transformateurs lectronique de puissance La mod lisation des composants est la fois simplifi e mais aussi assez proche de la r al
33. s visqueux Un calcul simple nous permet de d terminer la tension d alimentation afin de faire tourner le moteur sa vitesse nominale sachant qu en r gime permanent U E R 1 avec Ke O Soit U 0 5 1500 2 30 1 2 8 88 V Simulation Apr s avoir trac le sch ma comportant un g n rateur de tension alimentant le moteur pr c demment d fini la simulation permet d obtenir la courbe de mise en vitesse et de v rifier la vitesse du moteur 1500 tr min i CA J ux 177 cad za LLLI aim Lo Als Ajo mj x al V induit Lee charge le ec uh I T AL py y FER re ie Mesures vitesse de et couple EIE ejr pmi 4 eje e 24 s N LE Aaimcad MCC TXT 5 sole x E me al ur TU i 2 Vitesse de 1500 tr min noa cU Dx d x aki H Tita i 29 cas on souhaite faire varier la vitesse du moteur Imaginons que l on souhaite obtenir une vitesse de rotation de 1200 tr min on va donc tre amen diminuer la tension d induit ce qui n cessite un nouveau r glage de la tension d alimentation Soit U 0 5 1200 7 30 1 2 8 70 V Ld LETT TT simula anpali MEC TXT elec y mul i L ram al less le el seal S sloje 2 gt Un TEL 450000 Eis Mitessedu moteur 1 J E EN C N
34. ssance au processus partir du signal labor par le r gulateur moteur v rin Le capteur il mesure la grandeur de sortie et la transmet au r gulateur g n ratrice tachym trique sonde de temp rature codeur incr mental Dans le cas d un asservissement de vitesse l actionneur est compos du hacheur et du moteur le capteur tant quant lui la g n ratrice tachym trique Le retour d information d livr par la g n ratrice tachym trique va donc informer le r gulateur de la vitesse instantan e de rotation du moteur Si celle ci n est pas conforme la loi de commande une correction va tre effectu e pour apporter au hacheur la correction qui doit tre faite Le sch ma bloc associ au sch ma de simulation permet aux l ves de faire le lien entre la repr sentation fonctionnelle et la structure mat rielle 29 G n ratrice Alimentation tachym trique r seau Consigne de vitesse Info Aitesse ri DICTA a T 78 Ei Eu ICI ME 1 Fh ATX Machen 4 quadrants D RC AERE s charge g n rateur v COnzi J E de vitesse IV Etude des asservissement en mode tout ou rien L asservissement en mode Tout Ou Rien consiste commander le moteur tant que la consigne n est pas atteinte c est dire que ce type de r gulateur d livre l actionneur soit la puissance totale soit aucune puissance Simulation La simul
35. tlab Si tel est le cas veuillez me pr ciser de quel s logiciel s s agit il et quelles en sont les applications en Electrotechnique lectronique de puissance asservissement lectronique analogique et num rique Je vous remercie par avance de votre participation et du temps que vous consacrerez en r ponse cette enqu te Laurent RICOL Professeur de G nie Electrotechnique PJ document r ponse Je vous remercie de pouvoir me retourner cette enqu te par Mail si possible avant les vacances de F vrier Par Email ricollaurent yahoo fr Par courrier Lyc e Technologique R gional Dhuoda Monsieur Laurent RICOL 17 rue Dhuoda BP 7155 30913 NIMES Cedex 2 Logiciels pr sents dans votre tablissement pour les applications suivantes Electrotechnique sch ma lectronique de puissance lectronique analogique aSsServViISSeMeEN mn nn Bilan de l enqu te Je tiens remercier les tablissements qui ont r pondu cette enqu te ce qui concerne les r ponses obtenues aucun lyc e n utilise de logiciel de simulation d Electrotechnique Seuls sont respectivement utilis s les logiciels Workbench et Sch maplic pour concevoir et simuler des circuits lectroniques ou des sch mas lectriques Les souhaits p dagogiques sont divers et vari s
36. us Matlab simulink 70 Euros Remarque Pour 20 du prix de la licence soit 24 Euros une maintenance annuelle donne droit une aide technique et aux versions de mises jour Pour un devis ou toutes informations compl mentaires il est possible de contacter le distributeur europ en par Email ou par courrier aux coordonn es suivantes POWERSYS Les grandes terres 13650 Meyrargues France Tel 04 42 63 60 88 Fax 04 42 63 61 19 Email info powersys fr A noter que la soci t Powersys a pr sent au Lyc e Dhuoda le logiciel Monsieur Delorme Chef des Travaux Adjoint de l tablissement ainsi qu diff rents professeurs de G nie Electrotechnique dont Monsieur Cabanel 5 Exemples de simulation travers un cours de synth se 5 1 Rappel de la probl matique Les enseignements technologiques en classe de Premi re et Terminale STI G nie Electrotechnique s appuient sur des syst mes techniques industriels transgerbeur station de pompage station de brunissage Les tudes fonctionnelles et mat rielles se font g n ralement sur des sous syst mes associ s ex r gulation d un bain pour la station de brunissage axe Z pour le transgerbeur qui consistent en une identification des mat riels utilis s une justification des choix technologiques des mesures afin de v rifier les performances des r glages de configurations et de param trages Comme je l ai pr sent dans la
37. version This version runs with one dongle which has to be connected on the parallel port of each PC no limit number to start the software Multiuser version The student version The student version is a version halfway between the professional version and the evaluation version It has the full functionality but the total element size is limited to 60 It is available in softkey version only and from a minimum quantity of 5 licences The demo version The demo version is free It has the full functionality with the exception that the subcircuit and library editing functions are disabled The total element size is limited to 34 In addition there are further limits on individual elements POWERSYS T l 33 0 4 42 63 60 88 Fax 33 0 4 42 63 61 19 e mail mfo powersys fr Information on the product on the website www powersimtech com 49 Stand alone Version Soft Key Version PSIM Basic 6 0 Motor Drive 4 0 Digital Control 3 0 Sim Coupler 1 0 PSIM 6 0 Suite Basic 6 0 Motor Drive 4 0 Digital Control 3 0 simCoupler 1 0 PSIM Student Prices for Europe Education in Euros Soft Key Version Soft Key Version Version Contact us POWERSYS Tel 33 4 42 63 60 88 Fax 33 4 42 63 61 19 Email info powersys fr General information on the web site www powersimtech com POWERSYS T l 33 0 4 42 63 60 88 Fax 33 0 4 42 63 61 19 e mail info powersys fr In
38. ware you can start working immediatly Robust PSIM is one of the fastest and the most robust power converter simulator on the market PSIM deals perfectly with switched systems and with all the components and equipment of electric network PSIM can be used easily for simulations even for complex systems Complete You connect the sources the converters the loads including motors and mechanical loads the control and Tisma Lirim 2211 qi af Si b fero Cercenk Seitching Flyback Converter feedback loops and the measuring instruments on the same diagram PSIM includes comprehensive library of ANS icc Pos bk electrical engineering items semiconductors transformers motors sensors different current and FT T un d 7 42 7 voltage sources control mathematic and logic functions passive elements Each parameter is accessible simply ea with a double click on the corresponding element in order d to adjust its value and initial conditions POWERSYS T l 33 0M 42 63 60 88 Fax 33 0 4 42 63 61 19 e mail info powersys fr Information on the product on the website www powersimtech com 40 POWERSYS If the same sub assembly appears several times vou can make up a block and insert it as many times as necessary If vou have already programmed a model or parameters on C FORTRAN language vou can integrate them di
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