Electronique Appliquée, Electromécanique sousSimscape & SimPowerSystems (Matlab/Simulink)

• Mohand Mokhtari Nadia Martaj

Electronique Appliquée, Electromécanique sous Simscape & SimPowerSystems(Matlab/Simulink)

ISBN 978-3-642-24200-7 ISBN 978-3-642-24201-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-24201-4 Springer Heidelberg New York Dordrecht London Library of Congress Control Number: 2012941507 © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012 This work is subject to copyright. All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed. Exempted from this legal reservation are brief excerpts in connection with reviews or scholarly analysis or material supplied specifically for the purpose of being entered and executed on a computer system, for exclusive use by the purchaser of the work. Duplication of this publication or parts thereof is permitted only under the provisions of the Copyright Law of the Publisher’s location, in its current version, and permission for use must always be obtained from Springer. Permissions for use may be obtained through RightsLink at the Copyright Clearance Center. Violations are liable to prosecution under the respective Copyright Law. The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in this publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use. While the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication, neither the authors nor the editors nor the publisher can accept any legal responsibility for any errors or omissions that may be made. The publisher makes no warranty, express or implied, with respect to the material contained herein. Printed on acid-free paper Springer is part of Springer Science+Business Media (www.springer.com)

Mohand Mokhtari Nadia Martaj

France Ville ’AvrayPôle Scientifique et Technologique Université Paris X

dFrance Parise-Xpert Engineering

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Chapitre 1 – Prise en main de Simscape I. Introduction ........................................................................................................................... 2 II. Mesure de paramètres des circuits RC et RLC ................................................................ 4

II.1. Mesure de tension, de courant dans un circuit RC......................................................... 4 II.2. Modélisation de résistance, capacité et inductance ...................................................... 11

III. Transistor à effet de champ, modélisation, en petits signaux ...................................... 20 IV. Montages à amplificateur opérationnel ......................................................................... 23

IV.1. Montage differential ................................................................................................... 23 IV.2. Modélisation d’un amplificateur opérationnel ........................................................... 24 IV.3. Amplificateur non inverseur ....................................................................................... 25 IV.4. Montage sommateur ................................................................................................... 27

V. Systèmes mécaniques de translation et de rotation ........................................................ 28

V.1. Mouvement de translation ........................................................................................... 28 V.2. Mouvement de rotation ................................................................................................ 32

VI. Système magnétique ........................................................................................................ 34

VI.1. Force magnétomotrice et reluctance .......................................................................... 35 VI.2. Réluctance variable .................................................................................................... 36 VI.3. Convertisseur électromagnétique ............................................................................... 37 VI.4. Actionneur à réluctance variable ................................................................................ 39

VII. Circuits électromécaniques ............................................................................................ 40

VII.1. Exemple d’un moteur à courant continu (DC Motor) ............................................... 40 VII.2. Ajout de moments d’inertie et couple de frottements ............................................... 43

VIII. Systèmes électroniques ................................................................................................. 44

VIII.1. Circuit astable à portes NAND ................................................................................ 44 VIII.2. Amplificateurs à transistors ..................................................................................... 46

Table des matières

V

VI Table des matières

Chapitre 2 - Librairies de Simscape I. La librairie « Foundation Library » ................................................................................. 51

I.1. Electrical ....................................................................................................................... 51 I.2. Physical Signals ............................................................................................................ 69 I.3. Magnetic ........................................................................................................................ 81 I.4. Mechanical .................................................................................................................... 92 I.5. Thermal ....................................................................................................................... 101

II. Utilities ............................................................................................................................. 108 III. SimElectronics ............................................................................................................... 110

III.1. Actuators & Drivers ................................................................................................. 111 III.2. Integrated circuits ..................................................................................................... 140 III.3. Passive Devices ........................................................................................................ 154 III.4. Semiconductor Devices ............................................................................................ 164 III.5. Additional Components ............................................................................................ 173 III.6. Sensors ...................................................................................................................... 186

Chapitre 3 - Applications de Simscape I. Schéma interne de l’amplificateur opérationnel ............................................................ 192

I.1. Schéma à 20 transistors bipolaires .............................................................................. 192 I.2. Schéma à 6 transistors bipolaires ................................................................................ 193

II. Applications des amplificateurs opérationnels ............................................................. 195

II.1. Sommateur et différentiateur ..................................................................................... 197 II.2. Amplificateur d’instrumentation ................................................................................ 200 II.3. Les multivibrateurs .................................................................................................... 204

III. Oscillateurs rectangulaires ........................................................................................... 208

III.1. Circuits à portes logiques ......................................................................................... 208 III.2. Astable à transistors .................................................................................................. 216

IV. Oscillateurs sinusoïdaux ................................................................................................ 218

IV.1. Oscillateur à pont de Wien ....................................................................................... 218 IV.2. Oscillateur à déphasage ............................................................................................ 220 IV.3. Oscillateur LC .......................................................................................................... 223

V. Filtres actifs ...................................................................................................................... 232

V.1. Filtre actif passe bas du 1er ordre ............................................................................... 232 V.2. Filtre actif passe bande .............................................................................................. 234 V.3. Filtrage passe bas du 2nd ordre ................................................................................... 237

VI. Générateurs de signal PWM ......................................................................................... 239

VI.1. Comparaison d’un triangle à une constante ............................................................. 239 VI.2. Signal PWM modulé ................................................................................................ 243

Table des matières VII VII. Oscillateurs à quartz .................................................................................................... 244

VII.2. Oscillateur Pierce rectangulaire .............................................................................. 247 VIII. Régulateur PI et PID analogiques ............................................................................. 248

VIII.1. Régulateur PI ......................................................................................................... 248 VIII.2. Régulateur PID ...................................................................................................... 254

IX. Commande d’éléments de puissance ............................................................................ 258

IX.1. Amplificateur opérationnel et transistor bipolaire.................................................... 258 IX.2. Demi pont en H ........................................................................................................ 259 IX.3. Demi pont en H bidirectionnel ................................................................................. 262 IX.4. Pont en H .................................................................................................................. 269

X. Modulation et démodulation d’amplitude .................................................................... 272

X.1. Bloc Multiplier .......................................................................................................... 272 X.2. Modulation d’amplitude ............................................................................................ 273 X.3. Démodulation ............................................................................................................ 276

XI. Circuit inverseur SN 7404 de Texas Instruments ....................................................... 281 XII. Systèmes électromécaniques ........................................................................................ 283

XII.1. Mouvement de translation ....................................................................................... 283 XII.2. Mouvement de rotation ........................................................................................... 289 XII.3. Mouvement mixte ................................................................................................... 289

Chapitre 4 - Le langage Simscape I. Introduction ....................................................................................................................... 296 II. Création de composants .................................................................................................. 297

II.1. Différentes sections d’un programme ........................................................................ 297 II.2. Librairie générée par Simscape .................................................................................. 298 II.3. Applications ............................................................................................................... 306 II.4. Protection du code ..................................................................................................... 319

III. Héritage et classes .......................................................................................................... 320 Chapitre 5 - Applications du langage Simscape I. Modélisation d’un transistor à effet de champ ............................................................. 328 II. Modélisation d’un moteur DC à excitation séparée ..................................................... 331 III. Modélisation d’un transistor bipolaire NPN ............................................................... 334 IV. Modélisation d’une charge mécanique ........................................................................ 336

VII.1. Oscillateur Pierce sinuso dal .................................................................................. 246 ï

VIII Table des matières

V. Schéma de Giacoletto d’un transistor bipolaire ........................................................... 339 VI. Modélisation d’un régulateur PID analogique ............................................................ 342 VII. Les différents répertoires et fichiers ........................................................................... 345 Chapitre 6 - Prise en main de SimPowerSystems I. Circuit passe bande avec circuit LC série ..................................................................... 350 II. Modélisation de quelques composants électroniques ................................................... 352

II.1. Circuit RLC avec simulation de la capacité et de l’inductance ................................. 352 II.2. Modélisation d’état et commande power_analyze ..................................................... 356 II.3. Simulation d’une résistance non linéaire ................................................................... 361

III. Modélisation d’un amplificateur opérationnel ........................................................... 369

III.1. Amplificateur inverseur ............................................................................................ 369 III.2. Montage intégrateur .................................................................................................. 370 III.3. Oscillateur à pont de Wien ....................................................................................... 371

IV. Filtrage analogique ........................................................................................................ 373

IV.1. Caractéristiques du filter .......................................................................................... 373 IV.2. Analyse temporelle et fréquentielle de la sortie du filter ......................................... 376

V. Redresseur à 2 diodes et transformateur avec secondaire à point milieu .................. 379 VI. Systèmes triphasés ......................................................................................................... 381

VI.1. Mesures triphasées ................................................................................................... 381 VI.2. Transmission triphasée par ligne en PI .................................................................... 383 VI.3. Redressement triphasé .............................................................................................. 385

VII. Moteur à courant continu ............................................................................................ 388 VIII. Régulation analogique ................................................................................................ 389 IX. Utilisation de l’IGBT ..................................................................................................... 390 X. Moteur à courant continu régulé en vitesse .................................................................. 391 XI. Charge et décharge d’une batterie ............................................................................... 393 XII. Application du MOSFET de puissance ...................................................................... 395 Chapitre 7 - Librairies de SimPowerSystems I. Introduction ....................................................................................................................... 400 II. Librairie Electrical Sources ........................................................................................... 401

Table des matières IX

III. Librairie Elements ......................................................................................................... 405 III.1. Catégorie Elements ................................................................................................... 406 III.2. Applications .............................................................................................................. 409

III.4. Catégorie Lines ......................................................................................................... 417 IV. Librairie Measurements ................................................................................................ 420

IV.1. Charge et décharge d’un condensateur ..................................................................... 422

IV.3. Mesure triphasée, blocs RMS et Fourier .................................................................. 429 V. Librairie Power Electronics .......................................................................................... 441

V.1. Les composants de puissance .................................................................................... 441 V.2. Applications ............................................................................................................... 442

VI. Applications Librairies .................................................................................................. 456

VI.1. Electric Drives Library ............................................................................................. 456 VI.2. Flexible AC Transmission Systems, FACTS Library .............................................. 459

VII. Librairie Extra Library ............................................................................................... 460

VII.1. Régulation discrète d’un processus analogique ...................................................... 461 VII.2. Blocs Measurements ............................................................................................... 463 VII.3. Mesure de puissance active et reactive ................................................................... 465

VIII. Librairie Machines ..................................................................................................... 469

VIII.1. Moteur synchrone .................................................................................................. 470 VIII.2. Moteur à courant continu ....................................................................................... 473

IX. Le bloc Powergui et son interface graphique .............................................................. 474

IX.1. Analyse d’un circuit électrique................................................................................. 475 IX.2. Analyse en régime permanent .................................................................................. 490 IX.3. Analyse fréquentielle ................................................................................................ 492 IX.4. Modélisation d’état électrique d’un circuit .............................................................. 494 IX.5. Mesure d’impédance ................................................................................................ 502 IX.6. Autres fonctionnalités du bloc powergui ................................................................. 506 IX.7. Représentation d’un système triphasé en notation phaseur ..................................... 515

Chapitre 8 – Applications de SimPowerSystems I. Introduction ....................................................................................................................... 524 II. Régulation de vitesse d’un moteur à courant continu ................................................. 524 III. Analyse d’un circuit RLC ............................................................................................. 526

III.1. Modélisation d’état ................................................................................................... 526 III.2. Retour d’état ............................................................................................................. 529 III.3. Régulation de la tension u et du courant i ................................................................ 531

III.3. Connexion des capacités .......................................................................................... 414

IV.2. Mesures par le bloc Multimete ...................................................... 425 r (multimètre) ....

X Table des matières

IV. Hacheur série et parallèle .............................................................................................. 532 IV.1. Hacheur série ............................................................................................................ 532 IV.2. Régulation PID du courant de sortie du hacheur série ............................................ 537 IV.3. Hacheur parallèle ...................................................................................................... 541

V. Onduleur .......................................................................................................................... 547

V.1. Onduleur monophasé ................................................................................................. 547 V.2. Onduleur triphasé ...................................................................................................... 558

VI. Redresseurs ..................................................................................................................... 560

VI.1. Redressement monoalternance à 1 thyristor ............................................................. 560 VI.2. Charge inductive avec force électromotrice ............................................................. 562 VI.3. Redressement triphasé par pont de Graëtz à diodes ................................................. 564

VII. Commande de machines à courant continu ............................................................... 567

VII.1. Driver DC3 .............................................................................................................. 567 VII.2. Commande PWM par pont en H à MOSFETs ........................................................ 569

VIII. Moteur asynchrone ..................................................................................................... 571

VIII.1. Moteur asynchrone en boucle ouverte ................................................................... 572 VIII.2. Régulation de la vitesse par le bloc PID de Simulink ........................................... 577 VIII.3. Utilisation du driver AC4 ...................................................................................... 580

IX. Moteur synchrone .......................................................................................................... 583

IX.1. Moteur en boucle ouverte ......................................................................................... 584 IX.2. Etude du driver AC6 PM Synchronous Motor Drive ............................................... 585

X. Systèmes triphasés ........................................................................................................... 588

X.1. Système triphasé équilibré ......................................................................................... 588 X.2. Séquences ou composantes symétriques de Fortescue .............................................. 592 X.3. Relations entre le système triphasé et diphasique ..................................................... 599

Annexe 1 - Les fonctions Callbacks I. Définition des fonctions Callbacks .................................................................................. 606

I.2. Fonctions Callbacks liées à un bloc ............................................................................ 619 II. Aide pour les fonctions Callbacks .................................................................................. 625

IV.1. Ouverture automatique des oscilloscopes ................................................................ 630 IV.2. Evaluation des Callbacks programmés dans un modèle Simulink ........................... 631 IV.3. Liste des Callbacks liés à un modèle Simulink ........................................................ 631 IV.4. Liste des Callbacks liés à un bloc ............................................................................. 632 IV.5. Fichier startup. ........................................................ 633

. .................................................

I.1. Fonctions Callbacks liées à un modèle Simulink et un bloc ...................................... 606

III. Programmation des Callbacks avec la commande set_param .................................. 626 IV. Autres façons de programmer des Callbacks et fichier startup ................................ 630

Table des matières XI

Annexe 2 – Masquage ou encapsulation de blocs I. Etapes de masquage d’un ensemble de blocs ................................................................. 638

I.1. Sous-système ............................................................................................................... 638 I.2. Masquage de sous-systèmes ........................................................................................ 641

II. Masques dynamiques ...................................................................................................... 648

II.1. Programmation du sinus cardinal .............................................................................. 648 II.2. Programmation du signal PWM ................................................................................ 649

III. Création du masque ....................................................................................................... 651

III.1. Onglet Icon & Ports .................................................................................................. 651 III.2. Onglet Parameters .................................................................................................... 652 III.3. Onglet Initialization .................................................................................................. 655 III.4. Onglet Documentation .............................................................................................. 656

Références bibliographiques Ouvrages ................................................................................................................................ 659 Ressources Internet .............................................................................................................. 660 Logiciel de dessin utilisé ....................................................................................................... 660

...................................................................................................................................... 661 Index

Avant-propos

Ce livre s’adresse tant aux Ingénieurs, qu’aux chercheurs, professeurs et étudiants. Il est consacré essentiellement aux outils Simscape et SimPowerSystems utilisés dans les domaines de l’électronique, l’électronique de puissance, l’électromécanique. Simscape est une extension à Simulink pour modéliser des systèmes physiques dans les domaines électriques, mécaniques, et thermiques, etc. Contrairement à Simulink, basé sur la notion de fonction de transfert ou des entrées-sorties d’un système, les composants de Simscape sont décrits par les relations mathématiques qui relient ses grandeurs physiques. Simscape possède, dans sa librairie Foundation Library/Electrical, des composants électriques de base comme la résistance, capacité ou inductance. L’outil additionnel SimElectronics dispose de composants plus élaborés, tels des circuits intégrés ou des transistors bipolaires ou à effet de champ. Le système physique qui utilise des connections physiques (comme le couple ou la vitesse pour un moteur) peut être directement relié à un modèle Simulink pour le contrôle de ces signaux physiques. Simscape dispose d’un langage qui permet de créer d’autres composants personnalisés selon les besoins de l’utilisateur dans son propre domaine physique. Ce langage est basé sur la programmation textuelle orientée objets de Matlab. Ces composants peuvent être créés à partir des programmes des composants déjà présents dans la librairie Foundation Library. Grâce à ce langage orienté objets, Simscape permet la création textuelle de nouveaux composants et domaines que l’on peut utiliser dans l’environnement Simulink. Simscape permet aussi de créer des systèmes multi-domaines (comme le moteur à courant continu avec sa partie électrique d’induit et mécanique sur lequel on peut insérer des couples d’inertie, frottements et faire des mesures de vitesse, couple, etc.). SimPowerSystems, une autre extension de Simulink, permet la modélisation et la simulation des circuits électriques de puissance. Cet outil fournit des composants de puissance comme les machines triphasées (synchrones, asynchrones, etc.), les systèmes de production d’énergie (éoliennes, alternateurs, etc.), les systèmes de transmission (lignes, FACTS, …). SimPowerSystems offre la possibilité d’analyser les systèmes électriques de puissance comme l’analyse harmonique, le calcul du taux d’harmonique (THD). Leur simulation dans l’environnement Simulink peut être réalisée en mode continu, discret ou phaseurs. Les modes discrets et phaseurs permettent une exécution plus rapide du modèle.

XIII

XIV Avant- propos

Ces systèmes électriques de puissance peuvent être en courant alternatif, continu ou mixte. Comme Simscape, SimPowerSystems, développé par la société Hydro-Québec de Montréal, est bâti autour de bibliothèques de composants propres aux applications d’électronique de puissance. Ces bibliothèques peuvent être classées en 5 catégories :

- sources électriques de tension et de courant mono et triphasées, - éléments comme les branches et charges RLC, les lignes de transmission et

transformateurs, - machines comme les moteurs alternatifs et à courant continu, régulateurs, - Composants d’électronique de puissance (thyristor, IGBT, MOSFET, etc.), - Mesures de tension, courant, multimètre, etc.

Groupe – Technologie