Cours Logiciels de Simulation 2021 [PDF]

Zitiervorschau

Université de Laghouat Département d’électrotechnique 3eme année Lic/ELT

Cours : Logiciels de simulation

Programme Chapitre 1 : Généralités sur les logiciels de simulation - Introduction - Les étapes de simulation - Les logiciels de simulation utilisés en génie électrique - Notions sur la programmation et la simulation sous Matlab

Chapitre 2 : Modélisation et Simulation des circuits électrique - Simulation des équations différentielles - Simulation de circuits RC, RL, RLC Chapitre 3 : Modélisation et Simulation des circuits d’électronique de puissance - Modélisation et simulation des circuits non commandés - Modélisation et simulation des circuits commandés

Chapitre 4 : Simulation des machines électriques - Modélisation et simulation des machines à courant continu - Modélisation et simulation des machines à courant alternatif Chapitre 5 : simulation des circuits de régulation - Modélisation et simulation de régulateur PI - Modélisation et simulation de régulateur PID 1

- Application 1 : Régulation de vitesse de machine a courant continu

Chapitre 6 : Simulation des réseaux électriques

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Chapitre I : Généralités sur les logiciels de simulation I.1 Introduction La simulation est l’un des outils d’aide à la décision les plus efficaces à la disposition des concepteurs et des gestionnaires des systèmes complexes. Elle consiste à construire un modèle d’un système réel , conduire des expériences sur ce modèle et interpréter les observations fournies par le déroulement du modèle afin de comprendre le comportement de ce système, formuler des décisions et d’en améliorer les performances du système. . Le but c’est de comprendre le comportement dynamique du système, de comparer des configurations, d’évaluer différentes stratégies de pilotage, d’évaluer et d’optimiser des performances. Implémentation de modèle

Le système

Bloc 1 Bloc 4

Bloc 2 Bloc 3

Simulation simulation

Les logiciels de simulation permettent de simuler le comportement dynamique d'un système qui est représenté par un modèle mathématique. À chaque étape de la simulation du modèle, l'état de chaque partie du système est calculé à l'aide de solveurs basés sur le temps ou sur événement. En règle générale, les logiciels de simulation intègrent également des outils de visualisation, tels que des systèmes d'affichage des données, qui permettent de surveiller la simulation pendant son exécution. 3

 

Les ingénieurs et les scientifiques utilisent les logiciels de simulation pour de nombreuses raisons : Il est souvent moins coûteux et plus simple de créer et simuler un modèle que de créer et tester un prototype matériel. Si le prototype matériel n'est pas disponible suffisamment tôt au cours du processus de développement, les logiciels de simulation permettent d’explorer l'espace de conception et tester différents scénarios. I.2 Les étapes de la simulation I.2.1 Analyse du problème Elle permet de préciser le contexte de l'étude. Elle se décompose en:  Identification du problème; spécification des objectifs.  Réalisation d'une première ébauche du modèle qui a pour but d'en délimiter les frontières et de spécifier les données dont on a besoin.  Validation auprès de l'utilisateur (celui qui est à l'origine de l'étude). Le but à atteindre dans cette étape est de construire un modèle valide qui soit le plus simple possible, tout en restant cohérent avec les objectifs de l'étude. Il faut donc tout d’abord formuler explicitement ces objectifs, et les divers scénarios à étudier. Le compromis difficile à trouver; en effet, le concepteur du modèle cherche toujours la simplification, alors que l'utilisateur souhaite que soient finement représentés les constituants du système, la condition indispensable pour que l'utilisateur accepte les résultats de la simulation est qu'il soit convaincu que le modèle construit est fidèle à la réalité. Par exemple, s'il s'agit de modéliser une machine, l’utilisateur imposerait à modéliser tous les processus physiques générateurs de délais (changements d'outils, bridage, réglage, usinage, ...). Cette dernière approche, si elle a l'inconvénient d'alourdir le modèle, présente cependant un avantage important: I.2.2 Construction du modèle Elle comprend la modélisation logico-mathématique, ou il est important de construire un programme facilement modifiable. Cette étape se termine par une validation qui consiste à comparer le comportement du modèle avec celui du système physique qu'il est censé représenter. I.2.3 Exploitation du modèle Quand le modèle est validé, il peut servir à l'évaluation du comportement du système. Cette phase nécessite une définition précise de la campagne d'exploitation (quelles hypothèses veut-on vérifier, dans quel contexte), la production de mesures par la simulation, la mise en forme et la comparaison des résultats obtenus aux objectifs poursuivis. S'ils n'ont pas été atteints, de nouveaux scénarios sont proposés et testés jusqu'à satisfaction. Cette étape nécessite que soient déterminés avec rigueur la durée de la simulation et le nombre de réplications (exécutions du modèle de simulation). I.3 Les logiciels de simulation utilisés en Génie électrique Plusieurs logiciels sont disponibles dans le domaine génie électrique, nous allons citer quelques logiciels les plus utilisés. I.3.1 Simulation des circuits avec Excel : Excel est un outil de gestion de données et peut aussi faire la simulation, en effet, le classeur Excel comprend un grand nombre de formule dépendante des unes et des autres plus a des outils d'analyse de simulation qui permettent de connaître les situations possibles grâce au modèle déjà en place et donc en émettant des hypothèses et connaître les résultats de ces 4

hypothèses. Il existe plusieurs outils sous Excel, mais les deux plus importants sont la valeur cible (qui permet de déterminer le résultat voulu et Excel va trouver une combinaison possible et réelle) et le solveur (permettant de faire les calcul ).

I.3.2 Le logiciel PSPICE PSPICE est un programme de simulation et des logiciels utiles qui permet de créer, analyser et simuler les performances des circuits électriques ou électroniques dans un laboratoire virtuel puissant.

I.3.3 COMSOL Multiphysics Le COMSOL Multiphysics (ancien nom : Femlab), est un logiciel de simulation numérique qui prend comme méthode de calcul les éléments finis. Ce logiciel permet de simuler de nombreuses physiques et applications en ingénierie, il contient plusieurs modules parmi les quelles nous citons ; - Le Semiconductor Module qui permet une analyse détaillée du fonctionnement de composants semi-conducteurs. - L'AC/DC Module qui permet de simuler des champs électriques, magnétiques et électromagnétiques dans des applications statiques et à basses fréquences. Les applications type concernées sont les condensateurs, les inducteurs, les isolateurs, les bobines, les moteurs, les actionneurs et les capteurs 5

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Le Wave Optics Module qui propose des outils dédiés à la simulation de la propagation des ondes électromagnétiques dans des milieux optiques linéaires et non linéaires, afin de permettre une simulation précise des composants optiques et une optimisation de leurs designs. A l’aide de ce module, vous pourrez simuler des ondes électromagnétiques à haute fréquence dans les domaines temporel ou fréquentiel au sein de structures optiques. Heat Transfer Module, il est possible d'étudier les effets du chauffage et du refroidissement dans les dispositifs, les composants ou les procédés

I.3.4 les logiciels ANSYS ANSYS développe des logiciel de simulation en 2 et 3D, parmi les quels on trouve ANSYS Maxwell qui est le logiciel de simulation de champs électromagnétiques pour la conception et l'analyse des moteurs électriques, actionneurs, capteurs, transformateurs et autres dispositifs électromagnétiques et électromécaniques. il comprend des interfaces de conception spécialisées pour les machines électriques et les convertisseurs de puissance.

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I.3.5 Logiciel Psim Le logiciel Psim est un logiciel de simulation pour l’électricité, l’électronique et l’électrotechnique. Le module Psim permet de : de réaliser le schéma du montage, à partir des éléments de la bibliothèque (composants, machines, transformateurs, interrupteurs électroniques et leurs éléments de commande, appareils de mesures…). de configurer et de lancer la simulation des grandeurs (électriques, mécaniques). Le module Simview.exe permet de visualiser les courbes de variation des grandeurs définies par les appareils de mesure.

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I.3.6 Simulink sous Matlab Simulink est un logiciel de modélisation système multi-physique, il peut modéliser un système, simuler son comportement, décomposer le design avant son implémentation. Avec Simulink, il est possible de créer des diagrammes hiérarchiques de blocs pour la modélisation haut niveau d’un système, La simulation permet de s'assurer que le système correspond aux spécifications. La simulation est paramétrée de manière à optimiser les performances. Simulink peut modéliser des données simples ou multicanaux, des composants linéaires ou non. Simulink peut simuler des composants numériques, analogiques ou mixtes. Il peut modéliser des sources de signaux et les visualiser. .

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I.4 Les applications de la simulation Les applications de la simulation sont illimitées. Parmi les domaines dans lesquels elle est le plus utilisée, on peut citer :  L’informatique : recherche de configurations, réseaux, architecture de bases de données, ...  La production : gestion des ressources de fabrication, machines, stocks, moyens de manutention, ...  La gestion : marketing, tarification, prévisions, gestion du personnel, ...l’administration : gestion du trafic, du système hospitalier, de la démographie, ...  L’environnement : pollution et assainissement, météorologie, catastrophes naturelles, ...  etc ...

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Chapitre 2 : Modélisation et Simulation des circuits électrique - Simulation des équations différentielles - Simulation de circuits RC, RL, RLC

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II.1 Introduction L’objectif principal de cette partie, est de permettre aux étudiants d’apprendre les étapes a suivre pour la simulation de circuits électriques sous simulink/Matlab. Au début, nous allons voir comment présenter une équation mathématique, et la conception de sous système. Ces informations sont nécessaires pour permettre aux étudiants de se familiariser avec ce logiciel Puis, nous allons voir, avec quelques exemples, les étapes à suivre pour simulation des circuits électriques II.2 Simulation des équations mathématiques : Matlab propose plusieurs approches pour résoudre des équations différentielles ordinaires de valeur initiale, Les methodes de Runge-Kutta (ode45, ode15s, etc.) sont les plus courantes.  Exemple 1: , L’entrée c’est x et la sortie c’est Y Le bloc de x c’est le bloc ramp Pour simuler les opérations mathématiques, (x et + ) il faut préparer les blocs liées a ces opérations

Figure II.1 : les blocs utilisés Le bloc des constants sont fixé sur 5 et 2

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Figure II.2 : schéma bloc de l’équation de l’exemple 1

Figure II.3 : Résultats de simulation  Exemple 2:

Ou Y’(0)=0 et Y(0)=0

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Pour simuler cette équation, il faut la mettre sous la forme : Pour y et y’, il faut utiliser un intégrateur (INTERGARTOR) ou un différentiateur (DEFFRENTIATOR)

Figure II.4 : les blocs utilisés dans l’exemple 2

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Figure II. 5 : schéma bloc de l’équation de l’exemple 2

a) b) Figure II. 6 : Résultats de simulation (a) signal d’entrée ; b) signal de sortie

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En générale, pour simplifier la simulation, on utilise la transformée de Laplace.

Figure II.7 : schéma bloc de deuxième méthode Le bloc To Workspace peut transmettre le signal et les données du signal dans l'espace de travail du MATLAB. En utilisant l’instruction >> plot(Y) 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3

0

200

400

600

800

1000

Figure II.8 : la courbe de la solution Y  Exemple 3:

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1200

Figure II. 9 : schéma bloc de l’équation de l’exemple 3

a) b) Figure II. 10 : Résultats de simulation (a) signal d’entrée ; b) signal de sortie

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II.3 Création des sous systèmes de Simulink Pour simuler les grand projets, nous remarquons que les blocs seront plus complexée et plus conflits, Pour résoudre ce problème, nous pouvons regrouper plusieurs blocs dans un seul bloc, Pour cela, cliquer sur les blocs et choisir « create subsystem » comme montré sur la figure II.11

Figure II. 11 : Création de sous blocs

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II.4 Simulation des circuits électriques Dans ce qui suit, nous allons voir comment construire les circuits électriques, et leurs systèmes de calcul afin de les simuler.  Exemple 1 Soit le circuit électrique suivant

Figure II.12 : Circuit électrique RL (exemple 1)

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 Exemple 2 Soit le circuit électrique suivant :

Figure II.12 : Circuit électrique (exemple 1)

Pour simuler ce circuit, nous avons besoin d’une source d’alimentation continue, un circuit électrique RLC, un interrupteur de power electronics \ideal switch, plus les appareils de mesures et d’affichage.

La borne g est la commande de l’interrupteur g = 1 l’interrupteur est fermé, le courant passe g = 0 l’interrupteur est ouvert, le courant est bloqué Pour cela, nous allons utiliser le bloc « timer » (voir help en cliquant dans le bloc switch sur le bouton droite de souris ). Le réglage de paramètre de timer se fait comme présenté dans la figure 14.

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Figure II. 14 : réglage de paramètre de timer

Figure II. 13 : schéma bloc de simulation de circuit de l’exemple 2

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Figure II.14: Réglage de paramètres de simulation

Figure II. 15 : Résultats de simulation

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II.5 Quelques exemples simulés par différents logiciels de simulation

Figure II.16 : schéma bloc d’un circuit RLC simple et résultat de simulation sous simulink /Matlab

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Figure II.17 : schéma bloc d’un circuit RC et résultat de simulation sous simulink /Matlab

Figure II.18 : schéma bloc d’un circuit RLC et résultat de simulation par le logiciel Psim

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Filtre passif du premier degré.

Figure II.19 : Filtre passif du premier degré.

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Figure II.20 : Schéma d’un circuit RC avec PSPICE Schematics.

Figure II.21 : Résultat de simulation avec PSPICE

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Chapitre III : Modélisation et Simulation des circuits d’électronique de puissance

III.1 Simulation des convertisseurs AC-DC III.1.1 Simulation des circuits non commandées - Simulation de redresseur à diode simple alternance - Simulation de redresseur à diode double alternance - Simulation de redresseur a diode triphasé III.1.2 Simulation de circuits commandés 1. Simulation de redresseur à thyristor simple alternance 2. Simulation de redresseur à thyristor double alternance 3. Simulation de redresseur à thyristor triphasé III.2 Simulation des convertisseurs DC-DC III.3 Simulation des convertisseurs AC-AC III.4 Simulation des convertisseurs DC-AC

III.1 Introduction 27

L’objectif principal de cette partie, est de permettre aux étudiants d’apprendre les étapes a suivre pour la simulation de circuits d’électronique de puissance sous simulink/Matlab. Au début, nous allons voir comment présenter simuler les éléments d’électronique de puissance tel que les diodes, et les thyristors dans des circuits monophasés. Puis, nous allons voir, avec quelques exemples, les étapes à suivre pour simulation des différents types de convertisseurs soit AC-DC, DCDC, AC-DC, et AC-AC. III.2 Simulation des convertisseurs AC-DC III.1.1 Simulation des circuits non commandées 1. Simulation de redresseur à diode simple alternance

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250

200

150

100

50

0

-50

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0

50

100

150

200

250

300

30

2. Simulation de redresseur à diode double alternance  Exemple 1

200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 0

100

200

300

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400

500

600

 Exemple 2

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3. Simulation de redresseur a diode triphasé

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Pour C=10-6 F

Pour C=1 F

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III.1.2 Simulation de circuits commandés On utilise le générateur d’impulsions pour l’amorçage de gâchette de thyristor, nous allons choisir pour une période 0.02s un angle d’amorçage 30 soit 30*0.02/360 s, et la largeur d’impulsion 5% de période.

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1. Simulation de redresseur à thyristor simple alternance

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2. Simulation de redresseur à thyristor double alternance Pour ce type de redresseur, le réglage des impulsions pour l’amorçage des gâchettes se fait comme suit: -

De 0 à  les thyristors T1 et T3 sont passants

-

De  a 2 les thyristors T2 et T4 sont passants

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3. Simulation de redresseur à thyristor triphasé Pour réaliser ce redresseur, nous allons utiliser le pont a 6 thyristor (Universal bridge) disponible

sur

SimPowerSystems/powerelectronics.

synchronized 6 pulse generator.

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Et

son

système

d’amorcage

III.2 Simulation des convertisseurs DC-DC ( hacheur) Le hacheur ou convertisseur continu- continu est un dispositif de l'électronique de puissance mettant en œuvre un ou plusieurs interrupteurs commandés et qui permet de modifier la valeur de la tension d'une source de tension continue avec un rendement élevé. Le découpage se fait à une fréquence élevée. C'est l'analogue, pour les sources de tensions continues, du gradateur utilisé en régime alternatif. Si la tension délivrée en sortie est inférieure à la tension appliquée en entrée, le hacheur est dit dévolteur (ou abaisseur ou Buck). Dans le cas contraire, il est dit survolteur(ou élévateur ou Boost). Il existe des hacheurs capables de travailler des deux manières (Boost-Buck). On définit le rapport cyclique par :

Pour un hacheur, il faut que les thyristors assurent la conduction même quand les impulsions sont éteint, pour cela, il faut utiliser des thyristors spéciales appelés GTO (Gate Turn-Off Thyristor)

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Pulse generator subsystem

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I Load 140

120

100

80

60

40

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0

0

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400

600

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V load 300

250

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150

100

50

0 0

500

1000

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1500

III.3 Simulation des convertisseurs AC-AC (gradateur) On désigne sous le nom de gradateurs tous les convertisseurs statiques qui, alimentés par un réseau alternatif, fournissent une ou plusieurs tensions à valeur moyenne nulle, de même fréquence que celle du réseau d'alimentation, mais de valeur efficace différente, celle-ci étant habituellement réglable. Ceci permet l'emploi de composants de type thyristors, le fonctionnement bidirectionnel étant obtenu grâce à l'association tête-bêche de deux éléments comme indiqué sur la Figure 1.

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Vload 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100

0

50

100

150

200

250

300

350

400

I load 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100

0

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250

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Pulse2 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0

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100

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III.4 Simulation des convertisseurs DC-AC Un onduleur est un convertisseur statique continu – alternatif. L’onduleur est dit autonome quand il impose sa propre fréquence à la charge (ce qui est différent de l’onduleur assisté où la fréquence est imposée par la fréquence du réseau). Les onduleurs autonomes sont utilisés : · Pour alimenter les moteurs synchrones ou asynchrones afin de faire varier la vitesse ; · Comme alimentations de secours (protection des ordinateurs, bloc de secours);

VI. Les données du montage : Source : deux sources a courant continu de 200V Interrupteurs : deux IGBT/diode.

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Chapitre 4 : Simulation des machines électriques - Modélisation et simulation des machines à courant continu - Modélisation et simulation des machines à courant alternatif

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III.1 Modélisation et simulation des machines a courant continu III.1.1 MCC a excitation indépendante

Figure III.1 - Schéma de principe d' une machine à courant continu à excitation indépendante



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Schéma bloc tension-vitesse de MCC

Schéma bloc tension-courant du moteur à courant continu

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