variateur mot asynchrone GEN4 secon IUT Ainsne - e-Kart

UNIVERSITE DE PICARDIE JULES VERNE
INSTITUT UNIVERSITAIRE DE TECHNOLOGIE DE L’AISNE
DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE
13, Avenue François Mitterrand, 02880 CUFFIES
Génie
Electrique
Informatique
Industrielle
I.U.T G.E.I.I Soissons
www.i.u.t-aisne.fr
DOUSSAULT Thomas - BABRON Jérémy
[email protected]
www.e-kart.fr
Tuteur M. SIVERT
02/04/2010
Sommaire
I - Introduction, Remerciements, Avantages du moteur AC......................................................................... 3
II - Caractéristiques électriques du variateur GEN4 ..................................................................................... 4
III - Caractéristiques mécaniques du karting (voir dossier transmission) ..................................................... 4
IV - Caractéristiques électriques du moteur asynchrone .............................................................................. 5
V - Rappel des équations de la commande vectorielle ............................................................................... 10
VI - Caractéristiques du moto variateur ...................................................................................................... 10
VII - Câblage et Présentation des logiciels du variateur SEVCON GEN4 ................................................ 12
VIII - Configuration et Programmation du moto variateur ......................................................................... 18
IX - Essai du moto variateur ....................................................................................................................... 26
X – Etude énergétique de la batterie ........................................................................................................... 28
XI - Conclusion ........................................................................................................................................... 32
XII - Bibliographies .................................................................................................................................... 32
2
I - Introduction, Remerciements, Avantages du moteur AC
Le variateur GEN4 est conçu pour commander des moteurs asynchrones avec une commande par flux
vectorielle pour des systèmes élévateurs (transpalette électrique, voiture de golf, chariots…).
Nous allons voir les possibilités de ce variateur sur un véhicule correspondant à un karting électrique.
Remerciements
L’I.U.T G.E.I.I de Soissons avec tous les étudiants qui ont aidé à réaliser ce karting, l’Agence
SEVCON d’Argenteuil pour leurs réponses, leurs explications, leurs patiences, leurs offres de prix qui
ont permis à ce jour de faire tourner le karting et de comprendre comment configurer ce variateur
«GEN4»
Les avantages d’un moteur asynchrone par rapport au moteur DC sont :
- sa robustesse mécanique (pas d’entretien balai)
- un indice de protection IP 55 (anti poussière et eau) à la place d’un IP 2 (anti doigt seulement).
- De plus, le moteur asynchrone étant plus gros que le moteur DC sa constante de temps thermique
est bien plus grande. Donc, il peut fournir un surcouple plus important que le moteur DC.
- les pertes joules du moteur asynchrone étant sur le stator alors que sur le moteur DC ces pertes
sont au rotor, il est plus facile d’évacuer ces pertes et de protéger le moteur par un capteur de
température.
De plus la carcasse du moteur asynchrone étant en aluminium cela avantage la dispersion
thermique.
- le moteur asynchrone peut monter en vitesse à 5000 tr/mn alors que le moteur DC est saturé à
3000 tr/mn à cause de la limitation de la tension des batteries.
Par contre, la réalisation d’un variateur est plus difficile c’est pourquoi le prix du variateur est légèrement
plus cher (550 Euros pour un GEN4 au lieu de 450 Euros pour un millipak).
3
II - Caractéristiques électriques du variateur GEN4
D’après « GEN4 Product manual » [1] version 2.0 SEVCON fichier PDF de 99 pages.
-
-
Onduleur de tension triphasée 28 V avec transistor MOSFET pouvant fournir 450 A max pendant
2 minutes, 180A en nominal et 540 A en Boost pendant 2 s.
Donc le variateur peut commander des moteurs (Pabs nominal= 28V.180A.30.5.0.8=6.6 KW).
L’électronique du variateur est alimentée par du 48 V (fusible 5 A).
L’accélération est commandée par un potentiomètre 5 kΩ (PB6 3 fils) ou par un module à effet
hall propre à SEVCON (SEVControl).
Le freinage électrique peut être commandé par un potentiomètre 5 kΩ ou par un Switch ce qui est
bien utile car de nombreux pilotes appuient en même temps sur le frein hydraulique et la pédale
d’accélération ce qui est préjudiciable pour la consommation énergétique et l’échauffement du
frein.
Le freinage est prioritaire, par rapport à l’accélération.
Possibilité de commander en couple ou en vitesse avec commande vectorielle de flux (codeur)
le moteur peut être commandé en couple sans codeur avec une loi U(V)/F(Hz) constant avec un
autre logiciel que DriveWizard
protection thermique du variateur par PTC (capteur à résistance positive)
paramétrage de plusieurs profil de fonctionnement, mode Boost, mode économie ou mode lent
pour les gens qui font du karting pour la première fois.
Paramétrage et lecture des données du variateur par bus CAN via un PC.
III - Caractéristiques mécaniques du karting (voir dossier transmission)
Un moteur asynchrone doit entrainer un karting
électrique par l’intermédiaire d’une courroie crantée.
La poulie du moteur Dm est composée de 18 dents et
la poulie des roues Da de 65 dents.
Les roues arrière ont un rayon de 12.5 cm.
Le moteur est alimenté par un onduleur via des
batteries 48 V.
fig 1 : Transmission du karting
P utile moteur
Couple mo teu r
Moteur
asynchro ne
P abs orbée
N tr.mn
-1
Réducteur
Dm/Da
18/65
Couple meca
Roue
12.5cm
Nroue (tr.mn- 1)
force res istante
Vitesse
linéaire
Fig. 2 : schéma fonctionnel de la transmission mécanique
J=
= 0.24 Kg.m
2
J : inertie du karting ramené sur l’arbre moteur
Dm/Da : réducteur de vitesse
N : vitesse du moteur en tr.mn-1
V : vitesse du karting en km/h
L’étude de la transmission a été effectué dans le dossier « Etude transmission karting didacticiel
V.1 pour millipak » [2] Arnaud Sivert I.U.T GE.I.I Soissons 36 pages.
N
⋅2⋅π Dm
3600
⋅
⋅ R roue ⋅
V= moteur
60
Da
1000
4
IV - Caractéristiques électriques du moteur asynchrone
La plaque signalétique de notre moteur asynchrone du fabricant ABM est la suivante :
Codeur SKF 32 pas par tour
Réf=6205/VU102
En 10V
Fig. 3 : plaque signalétique du
moteur
On peut voir sur le schéma mécanique fig. 4 qu’il y a 2 CTP KTY 83/122 dans le moteur.
Après quelques mesures, les 2 CTP ont été mises en série. Pourquoi ? (mesure sur 2 bobinages peut être)
Les impédances en fonction de la température sont les suivantes :
T=0°C
R=1656 Ω
T=25°C
R=2020 Ω
T=40°C
R=2260 Ω
T=60°C
R=2601 Ω
T=80°C
R=2974 Ω
T=100°C
R=3374 Ω
Le variateur limitera le courant moteur à partir de 90°C et se coupera à 100°C.
Entre la température interne du moteur et externe, il y a une différence de 10°C.
Lors de son refroidissement naturel, il faut 40 minutes pour avoir une diminution de 10°C
5
Fig. 4 : fiche technique du moteur fournit par speed max via le constructeur ABM
6
Le choix de la motorisation est
donc un moteur asynchrone de
7.6 kW à 2420 tr/mn puis 4.6
kW à 4350 tr/mn dont on peut
observer les caractéristiques sur
la figure suivante.
fig 5 : caractéristiques
constructeur du motor
Torquema
Courant
Torquen
Power
Tension
Le moteur est alimenté par un onduleur via des batteries 48 V. Donc, L’onduleur électrique peut fournir
seulement une tension 28V (28*30.5=48V) entre phases avec une plage de fréquence allant de 0 Hz à 200
Hz. Par conséquent, le moteur est couplé en triangle. D’ailleurs sur la plaque signalétique, il y a le
symbole triangle.
On remarque sur la figure 5 que la tension augmente proportionnellement avec la vitesse pour une plage
de 0 à 2420 tr/mn puis reste constant de 2420 à 4500 tr/mn.
En effet, le couple est constant dans la première
plage puis, le couple diminue lorsque la tension
Couple constant Puissance constante
est saturée. Puis, la puissance est constante de
2420 tr/m à 4500 tr/mn comme on peut le voir
sur la figure suivante. Donc, le couple diminue
Torquen
de façon hyperbolique pour cette plage de
vitesse.
P
P
C= n
C = n avec Pn = constante
ωn
ωn
Tension
fig 6 : caractéristiques couple et puissance
constante
Mais sur la figure 5, le constructeur diminue la puissance (de 2420 tr/m à 4500 tr/mn) mais augmente le
service type S2 « service temporaire de fonctionnement ». Ce service correspond aux temps pour que le
moteur atteigne sa température maximale. Dans le point suivant donné par le constructeur, le courant est
plus petit, donc le temps de fonctionnement est plus long. De plus, le moteur étant auto-ventilé avec une
vitesse plus grande le moteur est refroidi plus rapidement. Ce dernier point fournit par le constructeur
correspond à la plaque signalétique de notre moteur.
7
Pour notre karting, Il faudrait mieux utiliser la plaque signalétique suivante avec un service type de 10 mn
puisque nous fonctionnons 10 mn à 15 mn puis nous rechargeons de suite.
16
7.6
220
10 mn
A partir des données constructeurs :
• La vitesse de synchronisme du moteur à 150 Hz et de 4500 tr/mn donc le nombre de paire de pole
F(Hz) ⋅ 60
P est de 2.
N=
P
7600.60
• Le couple nominal du moteur est de C n =
=16 N.m
4500 ⋅ 2.π
• le courant nominal demandé au moteur est de I n =
• glissement en nominal du moteur gn= =
7600
0.74 ⋅ 28 ⋅ 3 ⋅ 0.85
=
Putile
ηn ⋅ U ⋅ 3 ⋅ cos φ
N s − N n 4500 − 4350
=
=3.33%
Ns
4500
=230A
gn*Fs=slip=6Hz
• Avec un couple de charge au niveau du moteur de 10 N.m,
• si la consigne de vitesse est de 4500 tr/mn alors la puissance mécanique est
Putile = C n ⋅ ωn = 10 ⋅ 471 = 4700 W correspondant à la puissance nominal du moteur et du variateur
pour un service type de 10 minutes.
• si la consigne de vitesse est de 1500 tr/mn alors la puissance est Putile = 10 ⋅157 = 1570 W la
puissance est faible par rapport à la puissance nominal du moteur.
• si consigne de vitesse est de 6000 tr/mn alors la puissance est Putile = 10.628=6280 W donc
l’échauffement sera trop important pour le moteur est le relais thermique du variateur va se
déclencher.
8
Chez ABM, il y a un autre moteur qui est commercialisé pour les voitures sans permis AIXAM (Lyon).
On peut voir les caractéristiques de ce moteur sur la figure suivante :
Ce moteur est un peu plus gros, Mais il développe 7 KW à 5000 tr/mn, il serait intéressant à implanter sur
un karting électrique.
9
V - Rappel des équations de la commande vectorielle
Id courant du flux
Iq courant du couple
(En attente)
VI - Caractéristiques du moto variateur
Pour vérifier les caractéristiques du moto variateur et la programmation de celui-ci, Nous allons faire un
ensemble de calcul. En effet, il y a un compromis entre le courant max, l’échauffement du moteur, la
consommation des batteries. Donc, il faut pouvoir répondre aux questions suivantes pour bien
programmer le moto variateur.
On limite le courant Iq à 300 A, le karting fonctionne avec
le profil trapézoïdal de la figure 8 pendant 10 mn. La
décélération est effectuée électriquement sans toucher au
frein mécanique
1*) Déterminer le courant équivalent thermique.
Est ce que le moteur peut supporter ce
fonctionnement ?
=
(tr/min)
4500
300 A
vitesse
140 A
courant
200 A
temps (s)
=216 A < In = 230A
ta=3s
tvc=8
td=3s
fig 8 : profil trapezoidal pour effectuer 173m
Le moteur peut supporter ce fonctionnement
2*) Calculer l’accélération, la décélération et le couple moteur sachant que le couple résistant est de 10
N.m. Cette valeur de 10 N.m du couple résistant sera gardée pour les questions suivantes.
Remplir le tableau suivant pour déterminer le couple équivalent thermique
profil de
temps (s) accélération
couple
Signe et
vitesse
moteur puissance max
angulaire
trapézoïdal
(rad/s2)
(N.m)
(Watt)
avant
accélération
3
471/3 = 157 0,24*157+
+
Quadrant de
fonctionnement
Couple=f(w)
Q1
10 = 48
avant
avant
paliers
décélération
4
3
0
= Cr = 10
-471/3= -157 0,24* -157
+
+
Q1
Q1
+ 10 = -28
3*) Calculer le couple équivalent thermique avec le tableau précédent. Comparer avec le couple nominal
du moteur pour savoir si celui-ci convient.
=
= 31 N.m < Cn= 16 N.m
10
4*) On augmente le courant de limitation pour
augmenter les dynamiques du karting. La
décélération se fait par le biais du freinage
mécanique.
A partir du profil trapézoïdal suivant, calculer le
couple max accélérateur fournit par le moto
variateur avec le courant de 540A.
P= U.I= 48V * 540A = 25920 W
P= C.Ω
=> C = P / Ω = 25920W / 471 rad/s = 55 N.m
En régime établi de vitesse, le courant batterie est
pratiquement similaire au courant onduleur. En
effet, le courant batterie correspond à l’équation
suivante :
U ⋅ I ⋅ 3 ⋅ cos φ
IB = m m
UB
En régime établi de vitesse U B = U m 3 ⇒ 48V
(tr/min)
4500
vitesse
540 A
140 A
courant
temps (s)
ta=1s
tvc=10
td=1
fig 9 : profil trapezoidal pour effectuer 173m
Coura nt IB
500 A
180 A
temps (s)
ta=1
tvc=10
td=1
fig 10 : courant batterie pour effectuer 173m
On a mesuré le courant batterie pour le profil trapézoïdal de la figure 9
Déterminer la capacité énergétique des batteries en A.H pour un fonctionnement de 10 mn du karting.
5*) Est ce que des batteries de 48 A.H suffisent ?
28 ⋅ ((540 + 10 *140) / 12) ⋅ 3 ⋅ 0,85
= 139 A
IB =
48
pour un cycle de 12 secondes
=> 11633 W pour 10 minutes.
Energie totale batterie = 48*3600 =172800 W
=> Donc les batteries de 48 A.H suffisent.
6*) Conclusions entre le courant Iq max, les temps d’accélération, l’échauffement, les couples
accélérateurs, la consommation énergétique des batteries
Il faut mieux privilégié un freinage mécanique plutôt qu’un freinage électrique.
Le courant Iq max sera plus faible pour la course de 2 heures que pour la course de 50m afin de minimiser
la consommation énergétique des batteries.
Ces questions sont cruciales car
- lorsque le courant augmente, il y a des saturations magnétiques du moteur,
- lorsque la fréquence augmente les pertes fers changes, il y a des effets de peau au niveau des
conducteurs…
- lorsque la température augmente, la résistivité augmente…
Donc seul des essais permettent de connaître réellement les performances dynamiques du moto variateurs
et son couple accélérateur. L’avantage du flux vectoriel est de réguler le couple et d’avoir une meilleure
dynamique par rapport à la commande scalaire (U/F constant).
En effet avec la commande U/F constant, on peut seulement faire varier la fréquence et la tension pour
ainsi imposer les rampes d’accélérations et de décélérations de la fréquence.
Maintenant que ces questions sont acquises, nous allons voir comment est câblé le variateur puis sa
programmation et vérifier les performances de celui
11
VII - Câblage et Présentation des logiciels du variateur SEVCON GEN4
3 cont1
2
24
CAN Low
CAN high
48V
KM1
CAN connection
for configuration
1
and service 2
7
3
13
8
4
9
4 cont1 supply
CN1
Connecteur femelle SUBD9
KM1
5A F1
1
4
S1
6
1
10
3
KM1
1/L1
2
S2
1
2
2
1
12 V
E
1
marron
gris
1
2
3
4
blanc
noir
X1
X2
X3
jaune
vert
26
14
bleu
25
blanc 15
X4
12 V
B3
2
U
3~M
1
B4
2
V
12 V
M1
W
Accélérateur
3
1
2
22
GEN 4
F2
425 A
12 V
2
P1
+
1
1
2
P2
3
1
B+
18
+10 V
encoder A
encoder B
0V
30
M1
31
Forward
Reverse
1
2/T1
B2
23
34
48 V
B1
35
Footbrake
19
2
1
2
Foot swicth sur l'accélérateur
2
2
CAN Term
5
1
1
2
6
boost/Economic
M2
M3
thermistor
0V
B-
Fig.11 : câblage du moto variateur
Pour communiquer avec le variateur, il faut un convertisseur bus CAN => USB.
Reference USB to CAN compact:
1.01.0087.10200
L’installation du driver fournit avec n’est pas
un problème
Celui-ci peut être acheté directement chez :
> www.IXXAT.com
Fig 11: Convertisseur bus CAN = USB
Il faut choisir le bon port COM. Puis la led du convertisseur s’active.
Pour programmer les variables du variateur SEVCON Gen4 450A, il y a un logiciel DriveWizard.
Mais, il faut que le moteur soit modélisé pour que la commande à flux vectoriel fonctionne.
Cette modélisation a été effectuée par Monsieur Jonathan SPERANDIO de chez SEVCON.
12
Il faut placer le fichier "Gen4_pc0x0701302d_rev0x00010009.eds" correspondant à la modélisation dans
le dossier EDS.
Les versions .eds
sont constamment
réactualisées.
Pour la connexion DriveWizard/Variateur il faut
créer un profil ; "Add new profil", entrer un nom
de profil, le Customer ID ainsi que le passcode
(Customer ID : 0 et passcode : 19423).
Ensuite cliquer sur "TestConnection".
La connexion s’établie avec le variateur.
Le logiciel DriveWizard se connecte au variateur
en « pré opérationnel » donc vous pouvez
observer tous les menus. Mais pas les valeurs qui
sont déjà programmées.
Pour cela, il faut se connecter en opérationnel.
Connexion au variateur en opérationnel
(monitoring des variables)
Connexion au variateur
en pré-opérationnel
Fig.12 : Fenêtre de DriveWizard
Pour voir en temps réel les variables, vitesse, couple, courant Id (flux du moteur), courant Iq …
Il faut cliquer gauche sur la variable et l’envoyer dans le monitoring. Celle-ci change de couleur et on
peut voir son évolution dans le temps dans le monitoring.
Mais ce logiciel ne peut tracer les variables en fonction du temps malgré l’icône « graph ». Cette fonction
est en cours de développement. La gestion des axes n’est pas encore au point.
Il faut utiliser le logiciel suivant en lançant le programme dVT_TCL (Active TCL)
Remarque : il ne faut pas que DriveWizard soit ouvert en même temps sinon il y a un conflit de
lecture du bus CAN. Il faut choisir le CAN baud 1000 (1 MHz) et la fenêtre CAN des données s’active
avec un bus load de 1% à 2 %.
13
Puis cliquer sur l’icône « petite roue » pour ouvrir le véhicule interface.
Petite roue
Fig 13 : Logiciel de commande du bus CAN
Après avoir cliqué sur l’icône « petite roue » pour ouvrir le véhicule interface, la fenêtre suivante s’ouvre.
On peut y voir de nombreuses variables du variateur.
Couple Moteur
Vitesse
14
Ces nombreuses variables peuvent être enregistrées, dans le Logging fonction filename sous un format
.TXT. L’enregistrement ce fait grâce aux icones lecture et pause. Le fichier s’appellera log-suivi de la
date et de l’heure.
Grace à une macro sous Excel du nom « Vehicle_Interface_Log_Viewer_txt.xls » suivante ces données
enregistrées vont être mis dans un tableur et sous forme graphique.
Suite à un échelon de consigne de vitesse de 18 à 22 s. On peut voir le profil trapézoïdal de vitesse max
de 4500 tr/mn. Une accélération de 2250 tr.mn-1/s et une décélération de 7 s. Il y a aussi de nombreuses
informations comme on peut le voir sur la légende mais il faut diminuer les échelles ou retirer des
variables de l’axe des ordonnées pour voir leur dynamique.
Fig 14 : Essai à Vide avec le variateur ESPAC
Après avoir retiré la vitesse, on peut voir d’autres variables.
15
Agrandissement des autres variables. Nous pouvons voir qu’il y a trop d’informations
Sinon, il faut tracer ces propres graphiques et réaliser ses propres macros à partir du fichier .Txt qui est en
arrière plan du graphique de la figure suivante.
D’ailleurs, il serait plus simple de travailler avec des logiciels tels que Mathlab, mathCAd ou Mapple.
On peut voir sur la figure suivante comment, on ajoute une courbe dans un graphique à partir d’une
colonne de données correspondant à notre profil de vitesse précédent.
Fig 14.1 : Essai à Vide(vitesse) avec EXCEL
Après avoir modélisé les paramètres du moteur après plusieurs essais réalisés par le variateur et après
avoir paramétré les correcteurs proportionnels intégral de la boucle du flux du moteur asynchrone
(courant Id) et de la boucle du couple (courant Iq),
Ce qui nous intéresse plus particulièrement, c’est de paramétrer la vitesse max, l’accélération, la
décélération, le couple max donc la saturation du courant Iq, l’échauffement du moteur et du variateur.
16
On peut voir sur les figures suivantes, le couple et la vitesse, puis le courant Iq
Mais avant de faire des essais, il faut tout d’abord configurer le variateur.
17
VIII - Configuration et Programmation du moto variateur
Il faut lire dans un premier temps le PDF Gen4 Applications Référence Manual [1] de 99 pages.
Le câblage n’est jamais correcte du premier coup, il vaut mieux ne pas mettre la puissance donc on
retirera l’alimentation de la bobine de KM1 pour configurer le variateur, donc il n’y aura pas de
puissance.
Puis, il faut connecter le bus CAN au variateur et mettre l’alimentation. La LED du variateur doit
s’allumer. Ensuite il faut ouvrir DriveWizard.
Dans un premier temps, il faut vérifier le
réglage du codeur (alimentation et nombre
de pas du codeur) ;
De plus, nous avons une chance sur 2 que
la voie A et voie B qui permettent de
connaître le sens de la vitesse soit correcte.
Donc, lors des essais, si le variateur se met
en défaut dés le démarrage il faut
intervertir les 2 voies A et B ou intervertir
2 fils d’alimentation du moteur.
Fig 15 : Fenêtre de la programmation du
codeur avec driveWizard
Dans un deuxième temps, il faut vérifier
l’alimentation du contacteur de puissance.
Le notre demande 48V en appel, puis pour
minimiser la consommation énergétique,
la tension passera à 36V en maintient au
bout d’une seconde (PWM). Mais pour
cela, il faut que reduce line contacteur
soit enable évidemment.
On utilisera aussi l’external LED du
variateur en sortie qui permet de connaitre
l’état du variateur. Celle-ci clignote s’il y a
un défaut. Le clignotement de la LED est
différent suivant le défaut. Nous pouvons
donc connaitre le défaut en comptant le
nombre de clignotement et en regardant
dans le tableau fourni dans le PDF [1]
Donc external LED sera configuré sur on.
Fig 16 : Fenêtre pour configurer le contacteur
Mais il est aussi possible de mettre un frein à manque de courant, un buzzer pour la marche arrière,…
Pour cela, il faudra configurer les entrées et sorties dans Comms object setup wizard. D’ailleurs, si on
clique dessus, on peut voir sur la figure suivante :
- les sorties contacteur line, motor, led externe
- les entrées analogiques, la pédale d’accélération et du frein, le capteur de température.
- les entrés numériques Switch forward, reverse…
On peut voir en grisé qu’il y a encore de nombreuses entrées et sorties qui ne sont pas paramétrées.
On peut observer aussi une partie des données qui seront transmises sur le bus CAN.
18
Fig 17 : Fenêtre pour configurer les entrées
et les sorties
Nous allons voir comment configurer une nouvelle entrée.
Il faut passer en pré-opérationnel, ensuite aller dans "comms objects setup wizard".
Dans le coin en haut à droite nous pouvons voir deux cadre le premier "Dig I/Ps" pour tous ce qui est
switch (digital) et le second "Alg I/Ps" pour tous ce qui est potentiomètre (analogique).
Nous allons prendre l’exemple du "footbrake switch", donc nous allons travailler dans "Dig I/Ps".
Faire un clic droit sur la première ligne grisée de "Dig I/Ps" (dans notre cas en dessous de "Seat switch")
et sélectionner "enable internal PDO up to dig i/p 5", il devrait apparaitre "not mapped" (ou le nom
d’une autre fonction du variateur), faire un clic gauche sur cette ligne, elle devient rouge.
Développer l’arborescence dans la partie gauche de l’écran et aller pour notre exemple dans
Gen4/traction/IO/digital inputs, pour le "footbrake switch" (fin de course frein).
Faire un clic gauche sur la variable choisi dans l’arborescence et la faire glisser dans la partie de droite
de l’écran sur la ligne qui est devenue rouge. Normalement dans le cadre "dig I/Ps" nous avons la
variable sélectionnée en plus des autres.
Ensuite, Il faut quitter le menu "comms objects setup wizard" en faisant un clic droit "quitter".
Voila, il suffit de couper le contact pour valider les modifications.
Pour configurer le potentiomètre de frein, il faut effectuer les même manipulations mais dans "Alg I/Ps".
Il faut aller chercher la variable analogique dans Gen4/traction/IO/analogue inputs
Lorsque nous avons activé une nouvelle entrée, il faut l’affecter physiquement. On peut observer
sur la figure suivante le chemin pour cette affectation.
Fig 18 : Fenêtre pour configurer physiquement les entrées et les sorties
19
Dans un troisième temps, il faut vérifier la
programmation des valeurs maximales et
minimales du variateur en fonction des
tensions des batteries.
Cela permet au karting de ne pas partir
avec des batteries déchargées.
Fig 19 : Fenêtre pour configurer la plage de
fonctionnement du karting en fonction des tensions
batteries
Maintenant, il faut vérifier le réglage des potentiomètres d’accélération et de décélération.
On peut voir sur la figure suivante les entrées et les paramètres de la pédale d’accélération et du frein.
Avec le frein prioritaire. En fonction, de la course de vos pédales, il faut paramétrer ces valeurs comme
sur la figure suivante.
Fig 20 : Fenêtre de programmation des entrées de DriveWizard
Pour que le frein soit prioritaire nous avions deux possibilités :
- Configurer et programmer le potentiomètre de frein comme dans la fenêtre ci-dessus (Option retenue).
- Câbler le Switch frein entre le commutateur forward/reverse et la masse comme sur le schéma
suivant.
1
19
2
30
Forward
Reverse
1
18
Foot swicth sur l'accélérateur
Lorsque nous freinons le Switch frein est actionné donc cela est équivalent au neutre. Le moteur
n’est plus entrainé.
Sur la courbe suivante, on peut observer comment est programmé la pédale d’accélération. Donc, lorsque
l’on relâche la pédale d’accélération inferieur à 0,19V, il y aura un freinage électrique à partir de 0,15V à
0V. Par contre, lorsque la pédale d’accélération est à fond, nous avons une tension de 7V, donc la
programmation de fin de voltage a été choisie arbitrairement à 6.5V
20
(1) 100% couple max positif
en consigne (accélération)
(-1) -100% couple max négatif en consigne (décélération)
Fig 21 : Courbe de la Gestion de la consigne (pédale accélératrice)
On peut voir sur la figure suivante les valeurs de
la tension du potentiomètre de l’accélération
(input 1) et de freinage (input 4). On peut aussi
observer sur l’input 5, la résistance de la mesure
de température (PTC). L’analog 5 sera la tension
fournit par la PTC. Donc 5.5V pour 1980 Ω.
Nous verons par la suite (sur la figure 23 bis)
comment paramétrer la température d’arret de
fonctionnement du moteur.
Fig 22 : Fenêtre de la lecture des entrées de
DriveWizard
Pour voir les valeurs évoluer, il faut faire clic
droit « monitoring This » sur la variable à
observer dans le tableau de droite.
La valeur du Potentiomètre de la pédale
d’accélérateur est à 3 V (input 1) ; environ la
moitié de 6,5 V (valeur pour la pédale à fond)
donc la pédale est à moitié enfoncée.
La valeur du Potentiomètre de la pédale de
frein est à 0 V (input 4) donc la pédale est
relâchée.
Fig. 22.1 : Fenêtres de lecture des valeurs
des potentiométres
La valeur du Potentiomètre de la pédale
d’accélérateur est à 0 V (input1) donc la pédale
est relâchée.
La valeur du Potentiomètre de la pédale de
frein est à 4,87 V (input 4) donc la pédale est à
fond.
21
Pour savoir si le Karting est au neutre, en
marche avant ou en marche arrière, nous
pouvons visualiser les valeurs du commutateur
de changement de direction (Forward Switch et
Reverse Switch)
Dans ce cas, le commutateur du karting est en
position Neutre.
Dans ce cas, le commutateur du karting est en
position Marche Avant.
Fig. 22.2 : Fenêtres de lecture des valeurs du
commutateur de changement de direction
Dans ce cas, le commutateur du karting est en
position Marche Arrière.
Nous pouvons aussi déceler une anomalie sur
certain contacteur comme par exemple le FS1
qui est le contacteur fin de course (au repos) du
potentiomètre d’accélération.
Celui-ci est vérifié à chaque allumage du karting
pour des raisons de sécurité; donc s’il y a une
anomalie avant l’allumage (par exemple une
cosse débranchée), le moteur du karting n’est
pas alimenté.
On peut observer sur la fenêtre ci-contre, le type
de capteur de température.
Nous n’avons pas de relation mathématique
donné entre la tension est la valeur de la
résistance PTC.
Pour connaître la température, il faut indiquer au
variateur la tension pour les températures 0°C et
100°C.
Dans notre cas la résistance sera respectivement
de 1656 Ω et 3374 Ω. Donc, nous plaçons un
potentiomètre à la place de la PTC puis, nous
mesurons les 2 tensions pour les deux valeurs
ohmiques précédentes. Puis, nous les insérons
dans high et low voltage temperature.
Ensuite, nous vérifierons la température estimée
Fig 23 : Fenêtre de configuration de la temperature de
de la sonde.
protection du moteur
Le bobinage du moteur étant de classe F, le
vernis ne peut supporter une température
supérieure à 115°C. Donc à partir de 90°C, le
variateur limitera le courant, cela permettra au
karting de rentrer au stand tranquillement. Mais
si la température augmente encore, dans notre
cas 100°C, le variateur stoppera le courant.
22
Maintenant, nous alons paramétrer le profil du couple en fonction du temps.
Fig 24 : Fenêtre de la programmation du profil du couple
Etant donné que le variateur est en régulation de couple, il faut paramétrer les valeurs extrêmes de
couple :
- à 100% lors de la marche avant avec une vitesse max de 4500 RPM,
- à 50% en marche arrière, avec une vitesse max de 2000 RPM pour des raisons évidentes de
sécurités.
En effet, avec la régulation du couple, la vitesse va diverger. Donc, il faut limiter la vitesse max.
Le profil du couple est représenté sur la figure suivante :
N.m
100%
couple
Pedale plus actionnée ou
Switch accélération o u
Neutral actionné
temps (s)
15%
tm
tv
td
Arret du couple
vitesse nulle
Fig 25 : profil de couple
Il ne faut pas tenir compte des unités de la fenêtre précédente pour les temps de montée de couple. Le
temps tm correspondra à l’équation suivante :
Couple ⋅ 1000
100%couple ⋅ 1000
tm =
=
=1 s
accelerate rate drive
1000 s −1
Si le taux d’accélération avait été de 2000 alors tm aurait été de 0.5 s.
Lors de la décélération, par sécurité la rampe doit être rapide donc le taux sera de 5000 pour avoir un
temps de 0.2s.
Le freinage électrique ne sera pas trop utilisé car il y a un échauffement supplémentaire pour le moteur
même s’il y a un retour d’énergies aux batteries (→ Voir X – Etude énergétique de la batterie). De plus,
lorsqu’il y a un freinage électrique trop important la courroie saute. Ici 15% du couple maximal, lors du
relâchement de la pédale d’accélération a été choisi de façon arbitraire.
Par contre, lorsque le freinage mécanique est activé, ici le freinage a été programmé à 100% du couple
maximal.
Dans notre cas cette variable n’est jamais utilisée car le frein mécanique est prioritaire.
23
Sur la prochaine fenêtre, on peut voir l’estimation du couple max en fonction de la vitesse lors des essais
sur le moteur pour un courant de 450 A.
Couple max
Couple nominal
Tension
Fig 26 : Fenêtre d’estimation du couple max en fonction
de la vitesse pour le courant max du variateur (450 A)
Fig 27 : Couple max et couple en regime
établi que peut fournir le motovariateur
Sur la fenêtre ci-jointe, nous pouvons
observer les valeurs de la modélisation du
moteur Rs, Rr, Ls, Lm….
Mais aussi les valeurs nominales du moteur
(tension, courant, vitesse, puissance,
nombre de paire de pole…)
Nous pouvons voir aussi le courant
magnétisant et le courant max du couple.
C’est à partir de ces valeurs que le variateur
a estimé le couple max de la fenêtre
précédente.
Fig 28 : Fenêtre de la modélisation du moteur
On peut augmenter le courant Is max
pour avoir plus de couple. Mais, le
couple max a été défini par la
modélisation du moteur fig. 26. De plus,
Le variateur diminuera le courant
maximal en fonction de la courbe
suivante. Donc, il réduira le couple.
Fig 28bis : Courant que peut fournir le
variateur
1,2.450 A=540 A
450 A
2 mn
0,4.450
A
A=180
24
Maintenant, nous allons voir les fenêtres
qui sont importantes au niveau des
mesures. L’état du variateur et la mesure
de la vitesse évidement.
Fig 29 : Fenêtre de l’état de la vitesse
Mesure de la tension des batteries et de la
température du radiateur du variateur.
Mais, nous savons que nous pouvons avoir
la bonne tension aux batteries avec une
résistance importantes qui ne permet pas
au variateur de fournir le courant
nécessaire au moteur.
Fig 30 : Fenêtre de la tension des
batteries
Mesure de la température interne du
moteur (mesurée par la PTC), mesure de
la tension et du courant actuelle aux
bornes du moteur.
Fig 31 : Fenêtre des coutant Id et Iq,
temperature moteur…
Il est difficile de conduire et de regarder le PC portable donc il faut enregistrer ces données dans DCF
monitoring de DriveWizard ou par le DVT du chapitre 5.
Pour enregistrer ou pour aller chercher une autre configuration, il faut cliquer gauche puis sur DCF store
Il faut remplir le DCF store puis sauvegarder
ou le changer comme le montre les deux
figures ci-jointes
Fig 32 : enregistrement de la configuration
sur votre PC…
Maintenant que nous avons pris en main DriveWizard pour configurer le variateur, nous allons faire
quelques essais pour confirmer la programmation et vérifier les dynamiques du moto variateur.
25
IX - Essai du moto variateur
Nous n’avons pas eut le temps de présenter et de faire des essais pour vérifier la programmation comme
pour l’étude du millipak de chez SEVCON. Mais voici juste quelques essais, qu’il faudrait exploiter.
7.1 Essai à vide (karting surélevé) Fig 32:
30 % du couple max
Vitesse en fonction du temps
Le couple moteur est bien positif pendant
l’accélération et le regime établi de vitesse. Puis, le
couple est négatif lors de la décélération. Le couple
n’a pas besoin d’atteindre le couple max car le
profil de vitesse ne le demande pas.
la vitesse limitée est bien de 4500 tr/mn, Le temps
pour atteindre cette vitesse est bien de 1 seconde
Courant Iq (A)
Tension des batteries …
Le courant est très faible avec peu d’inertie pour On peut voir la tension des batteries qui diminue
filtrer la vitesse. Donc, la régulation a du mal à fortement en fonction du courant batterie et du
maitriser cette boucle.
courant moteur (accélération) puis la tension qui
augmente lors de la décélération électrique.
Courant moteur
26
7.2 Essai en charge Fig 33 sur une pente à 10%:
Vitesse en fonction du temps
Iq en fonction du temps
Entre 43 à 45 s, la vitesse augmente linéairement de
On peut voir que la boucle de courant est bien
500 à 1500 tr.mn pour le couple de 100% (65N.m)
stable en charge.
100 % du couple max
Le couple en fonction du temps
Temperature du moteur (PTC) on peut voir Ce couple suit bien le courant Iq. Il est bien de
l’échauffement du moteur du à l’accélération puis 100% (65 N.m). Il y a bien 1 seconde de temps de
la température augmente encore du à la propagation montée (voir fig 24 et 25) pour atteindre cette
valeur max. Puis au bout de 2 secondes, le courant
thermique.
diminu (Fig 28 bis). Puis, Le couple moteur atteint
le couple resitant car la vitesse atteint son regime
établi de vitesse. A partir de 51s, la pédale
d’accélération est relaché, le couple est bien de 15% comme prevu.
7.4 Essai en charge Fig 34 pente -10%:
7.5 Essai en charge Fig 33 plat:
Nous n’avons pas eut le temps de faire ces deux derniers essais mais ils seront réalisés avant le challenge
e-kart (stage).
27
X – Etude énergétique de la batterie
Lors des décélérations du karting le moteur retournent l’énergie aux batteries. Les décélérations
sont courtes (1 à 4s) avec des freinages électriques plus ou moins faible en fonction de la programmation
du variateur.
Chimiquement, on ne sait pas si les batteries récupèrent réellement ce courant de freinage. En effet, le
temps de restitution de l’énergie lors de la décélération ne dure pas très longtemps. D’ailleurs dans la
littérature internationale, il est proposé d’utiliser des super condos lors du freinage.
On se propose de vérifier, la valeur de l’énergie récupérer dans les batteries.
I) Dans un premier temps, nous avons déchargé une batterie à 23 A, puis rechargé à 10A en continu. Les
relevés de courbes sont tous réalisés à l’aide d’une pince Fluke.
Sur ces courbes nous observons toute la durée de l’expérience avec la décharge de la batterie durant 10
minutes puis la charge entière de cette dernière.
Décharge à
23A
Energie perdue dans
la batterie. (10WH)
Décharge
=U*I*t
=13*23*(10/60)
=50WH
Charge à 10 A max
10min
Figure1 : Energie de la batterie
∆U chute de tension
de 1V
Charge à Tension constante
Charge à courant
constant à 10A max
On charge dans un
premier temps à
courant constant puis
à tension constante.
Décharge constante
à 23A
Figure 2 : Courant et tension de la batterie
*La mesure du courant est réalisé en TRMS donc elle n’est que positive.
Nous pouvons voir qu’il y a une différence de 10 W.h entre la charge et la décharge.
Cette différence correspond aux pertes dans la batterie.
28
La courbe noire ci-dessus représente la décharge énergétique de la batterie qui est identique avec et sans
charge à 10A pendant 4s. La courbe bleue représente l’énergie dans la batterie sans la charge à 10A
pendant 4s et la courbe rouge symbolise l’énergie dans la batterie avec la charge.
18W.h
10W.h
-61W.h
Figure 3 : Courbe théorique de l’étude énergétique de la batterie
II) Dans un deuxième temps, nous déchargeons la batterie à 23A pendant 17s, puis nous rechargeons à 10
A continu pendant 4 s. Ce qui nous donne les relevés de courbes suivants :
Tension batterie
12V
Décharge
pendant 17s
Décharge à 23A
Charge pendant 4s
Courant batterie
Charge à 10A
Figure 4 : courant et tension dans la batterie en TRMS
L’image a été relevée à l’aide d’un oscilloscope Tektronix TDS 1001B avec une pince ampéremètrique
calibrée en 5mV/A.
I) Calcul sans la charge à 10A pendant 4s (cas ou la batterie ne prendrais pas la charge) :
Imoy= (-17*23)/ (17+4+2)=-17A Energie=U*Imoy*t=12*(-17)*(20/60)=-68W.h
II) Calcul avec la charge à 10A pendant 4s (courbe réelle) :
Imoy= (-17*23+4*10)/ (17+4+2)=-15,26 A Energie=U*Imoy*t=12*(-15,26)*(20/60)=-61W.h
29
La différence d’énergie avec ou sans la charge de 10 A pendant 4 secondes sera de 7 W.h
∆Energie=68-61=7W.h
Sans la charge de 10A pendant 4s
∆Energie de 7 W.h
10W.h d’énergie
perdue dans la
batterie comme
sur la fig1.
Décharge à 23A
pendant 17s et
charge à 10A
pendant 4 s
61W.h
Charge à 10A
Avec la charge à
10A pendant 4 s
Figure 5 : Energie de la batterie
A partir de la figure 5, Nous pouvons voir qu’il faut toujours 10 W.h lors de la charge et non 17 W.h.
Ce qui nous prouve bien que la batterie a emmagasiné de l’énergie, c’est le fait que nous trouvions la
même énergie perdue dans l’étude avec la charge à 10A pendant 4s que sans cette charge. En effet si la
batterie ne prenait pas la charge l’énergie perdue serait de 10W.h + 7W.h (∆Energie) = 17W.h alors que
nous avons toujours nos 10W.h
30
Si chimiquement la batterie n’avait pas pris la charge de 10A pendant 4s alors l’énergie totale
devrait être de 68W.h+10W.h, les 10W.h correspondent à l’énergie perdue dans la batterie.
Par contre si la batterie a pris la charge, l’énergie devrait être de 61W.h+10W.h.
A partir de la figure précédente on voit que l’énergie emmagasinée correspond bien à 61W.h+10W.h ce
qui prouve bien que la batterie prend la charge.
Charge totale de la batterie
Figure 6 : Courbe de la puissance
Charge totale de la batterie
Figure 7 et 8 : Courbe de la tension et du courant toujours en TRMS
Après nos expériences nous en sommes arrivés à la conclusion que les batteries prenaient bien la
charge pendant les freinages et par conséquent quelles se rechargeaient. D’après notre étude nous
pouvons donc certifier que les batteries se rechargent bien. Afin d’optimiser la recharge de la batterie
durant les différentes courses il faudra programmer le variateur en conséquant, pour que les batteries se
recharges au maximum durant de très court délais de décélération.
Nous avons également essayé avec une décharge à 40 A pendant 20 secondes et recharge à 40 A pendant
4 secondes et nous aboutissons à la même conclusion, les batteries se rechargent.
Maintenant reste à savoir si la batterie se rechargerait pour un freinage d’une durée encore plus courte,
une seconde par exemple, nous ne voyons pas pourquoi cela ne fonctionnerai pas !
Maintenant que nous avons validé la configuration et la programmation du variateur, nous allons pouvoir
conclure.
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XI - Conclusion
Il n’est pas facile d’appréhender pour des étudiants ce type de variateur et sa programmation.
Heureusement que l’équipe SEVCON a répondu à toutes nos questions et que monsieur SIVERT avait
déjà exploité ce variateur.
Grâce au bus CAN, nous pouvons faire de nombreuses mesures, mais aussi vérifier le bon fonctionnement
du variateur, le câblage...
La commande et les protections du variateur sont très bien faite, fruits de l’expérience de SEVCON.
Grâce à ce variateur, le karting a de très bonnes dynamiques que nous pourrions encore améliorer.
Mais, il faut vérifier la puissance du moteur par rapport à son service type. Donc, il faut faire l’étude
thermique du moteur en fonction de courses effectuées par le moto variateur.
De plus, lorsque nous freinons brusquement, la courroie saute (craquement). Nous pensons que la
décélération provoquée par le frein hydraulique est trop brutales pour le variateur.
XII - Bibliographies
« GEN4 Product manual » [1] version 2.0 SEVCON fichier PDF de 99 pages.
« Etude transmission karting didacticiel V.1 pour millipak » [2] Arnaud Sivert I.U.T GE.I.I
Soissons 36 pages Mars 2009.
Code des produits :
Variateur GEN4
Bus CAN => USB
Logiciel PCpack (DriveWizard, DVT TCL)
Module accélération
Réf: SEVCON Gen4 48V~450A
Réf: IXXAT
Réf:
SEVcontrol
Merci
à SEVCON et plus
particulièrement à monsieur
Jonathan SPERANDIO qui fut
notre principal contact et qui a
répondu à toutes nos
interrogations.
450 Euros UHT
250 Euros UHT
60 Euros UHT
Sevcon SAS
12 rue Jean poulmarch,
95 100 Argenteuil
France
MERCI à monsieur SIVERT qui nous a supportés
tous les jeudi après-midi !
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