electrotechnique eea tp6 sujet

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1 TP6 : ALIMENTATION A DECOUPAGE : HACHEUR SERIE ET CONVERTISSEUR STATIQUE ABAISSEUR DE TENSION INTRODUCTION Le réseau alternatif industriel fournit l’énergie électrique principalement sous des tensions sinusoïdales de fréquence et d’amplitude fixes (50 Hz-220 V). Les batteries d’accumulateurs ou les photopiles solaires génèrent quant à elles des tensions continues fixes (48 V, par exemple). Or, de nombreuses applications nécessitent des tensions et des fréquences autres que celles qui sont imposées par le réseau ou les batteries, et parfois continûment variables. Cette conversion d’énergie, autrefois réalisée par des convertisseurs électromécaniques est aujourd’hui essentiellement effectuée, dans un large domaine de puissance, par des convertisseurs statiques de faible entretien, moins volumineux et plus performants, qui se sont développés grâce aux progrès constants des composants électroniques de puissance. Leurs applications concernent les alimentations de secours, de sécurité et de nombreux appareillages industriels et domestiques (ordinateurs, téléviseurs, …), mais aussi l’électrochimie et l’électrométallurgie, le conditionnement de l’électricité et, enfin, la variation de vitesse des machines électriques tournantes. Cette dernière utilisation intervient dans le domaine de la traction électrique, mais aussi dans toutes les techniques de fabrication, de plus en plus complexes du fait des exigences croissantes (au niveau des produits finis: qualité, prix, économie d’énergie...) de l’industrie moderne (robotique, automobile, aéronautique…). OBJECTIFS DE LA MANIPULATION Le but principal de cette manipulation est l'étude du fonctionnement d'un convertisseur abaisseur de tension ("buck converter") commandé par modulation de largeur d'impulsion (M.L.I.) (Figure 1). L'alimentation choisie entre dans la classe des convertisseurs statiques de type alimentation à découpage. On verra pas à pas comment, à partir d'une source de tension continue, on peut alimenter une charge électrique sous tension pratiquement continue et réglable. D C D C v e v s i e i s Source Convertisseur Charge α (Commande) Figure 1

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    TP6 : ALIMENTATION A DECOUPAGE : HACHEUR SERIE

    ET CONVERTISSEUR STATIQUE ABAISSEUR DE TENSION

    INTRODUCTION

    Le rseau alternatif industriel fournit lnergie lectrique principalement sous des tensions sinusodales de frquence et damplitude fixes (50 Hz-220 V). Les batteries daccumulateurs ou les photopiles solaires gnrent quant elles des tensions continues fixes (48 V, par exemple). Or, de nombreuses applications ncessitent des tensions et des frquences autres que celles qui sont imposes par le rseau ou les batteries, et parfois continment variables. Cette conversion dnergie, autrefois ralise par des convertisseurs lectromcaniques est aujourdhui essentiellement effectue, dans un large domaine de puissance, par des convertisseurs statiques de faible entretien, moins volumineux et plus performants, qui se sont dvelopps grce aux progrs constants des composants lectroniques de puissance. Leurs applications concernent les alimentations de secours, de scurit et de nombreux appareillages industriels et domestiques (ordinateurs, tlviseurs, ), mais aussi llectrochimie et llectromtallurgie, le conditionnement de llectricit et, enfin, la variation de vitesse des machines lectriques tournantes. Cette dernire utilisation intervient dans le domaine de la traction lectrique, mais aussi dans toutes les techniques de fabrication, de plus en plus complexes du fait des exigences croissantes (au niveau des produits finis: qualit, prix, conomie dnergie...) de lindustrie moderne (robotique, automobile, aronautique).

    OBJECTIFS DE LA MANIPULATION

    Le but principal de cette manipulation est l'tude du fonctionnement d'un convertisseur abaisseur de tension ("buck converter") command par modulation de largeur d'impulsion (M.L.I.) (Figure 1). L'alimentation choisie entre dans la classe des convertisseurs statiques de type alimentation dcoupage. On verra pas pas comment, partir d'une source de tension continue, on peut alimenter une charge lectrique sous tension pratiquement continue et rglable.

    D C

    D C v e v s

    i e i s

    Source

    Convertisseur

    Charge

    a (Commande)

    Figure 1

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    A l'issue de la manipulation, (et aprs consultation du cours et des TD), l'tudiant doit savoir aborder ou traiter les notions suivantes :

    - Fonctionnement dun hacheur srie. - Mthode de commande par modulation de largeur d'impulsion (principe, rapport cyclique). - Formes dondes lors dun fonctionnement sur charge rsistive et expression de la

    tension de sortie moyenne. - Influence de linductance de filtrage et de la frquence sur londulation du courant de

    sortie du hacheur. - Influence de la capacit de sortie et de la frquence sur londulation de tension en

    sortie du convertisseur, aux bornes de la charge.

    TRAVAIL PRELIMINAIRE Outre la lecture complte de la manipulation, un exercice prliminaire (signal dans la marge par un trait bris), permettant de mieux comprendre la dmarche et la problmatique dune alimentation dcoupage, vous est propos.

    MATERIELS MIS DISPOSITION

    - une alimentation continue rglable 0-60V 20A, - une platine de commande de hacheur (Figure 2), - un hacheur 80V/10A (Figure 3). - 2 rsistances de 6,8 W et 10 W et 2 rhostats (33 W, 6 A et 10 W), - une bote de selfs, - une boite de condensateurs, - une sonde de courant instantan 20A, - un oscilloscope numrique.

    Figure 2

    Figure 3

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    PRECAUTIONS ET RECOMMANDATIONS

    Il est impratif de faire vrifier tous les montages chaque modification. Ne pas dpasser 10A de courant moyen de charge ! Lorsqu'un nouveau montage est demand, ne pas dcbler systmatiquement le prcdent avant d'avoir vrifi si une partie ne peut pas tre conserve !

    ____________

  • 4

    MANIPULATION Comment raliser une conversion continu/continu (dc/dc) ?

    Une telle alimentation a pour fonction, partir d'une source de tension fixe, de dlivrer des tensions continues stables et variables. Outre le fait que la tension fournie doit tre indpendante de la charge (du moins dans une certaine plage de fonctionnement), le rendement de ces dispositifs est souvent un facteur primordial, notamment lorsquils sont utiliss dans les systmes embarqus.

    Le cahier des charges est donc davoir une tension stable (indpendante de la charge) avec un rendement le meilleur possible. Dcrivons quelques dispositifs permettant de faire cette conversion dc/dc et dterminons leurs avantages et inconvnients. 1. En utilisant des ponts diviseurs de tension (voir le TD correspondant)

    - Dterminer la tension Vch aux bornes de la charge pour le dispositif ci dessous :

    Vs =

    - Comment appelle t-on couramment ce circuit ? - Ce circuit a t-il une tension stable quand la charge varie ? - Pour quelle valeur de R1 et Rch ce dispositif de conversion un rendement maximum ? - Quel lment introduit des pertes dans la conversion ?

    - Dterminer la tension Vs pour le dispositif ci dessous :

    Figure 4

    Vs =

    - On suppose que Rch>>R2 : Quel consquence cette hypothse a sur :

    La stabilit de la tension Vs vis vis des variations de la charge ; Le rendement du dispositif.

    - On suppose que Rch

  • 5

    La stabilit de la tension Vs vis vis des variations de la charge. Le rendement du dispositif.

    - Pour une valeur quelconque de Rch, quelle est la relation entre R1 et R2 qui permet davoir un rendement maximum. Dessinez le schma lectrique du montage de la figure 4 en utilisant un rhostat de 10 W

    pour fixer les valeurs de R1 et de R2 pour avoir un rendement maximum et en y intgrant un Wattmtre pour mesurer la puissance dissipe dans la charge ainsi quun ampremtre et un voltmtre pour mesurer le courant et la tension moyenne aux bornes de la charge. La charge sera compose dune rsistance de 6,8 W pouvant tre mise en srie ou en parallle avec une rsistance de 10 W.

    Ralisez le montage et faite vrifier le schma et le montage par un enseignant. Remplissez le tableau 1 ci-dessous en fixant E = 10V. Conclusion par rapport au cahier des charges ?

    Rch (W) 4 6,8 10 16,8 Vs (V)

    Pch (W) h

    tableau 1 2. En utilisant une alimentation dcoupage

    Pour augmenter le rendement des convertisseurs continu/continu, le principe dvelopp dans les alimentations dcoupage est de dcouper la tension (cellule hacheur) puis de la filtrer. Ce type d'alimentation a des rendements de lordre de 65 90% par rapport aux alimentations rgulation linaire dont leur rendement de 35 55% (principalement d la puissance dissipe dans le transistor ou la diode ballast).

    La puissance volumique des alimentations dcoupage est ainsi bien meilleure. Leurs principaux avantages et inconvnients sont dvelopps au cours de ce TP. 1 - ETUDE DE LA STRUCTURE HACHEUR SERIE 1-1 Fonctionnement de la platine de commande par Modulation de Largeur dImpulsion (MLI)

    On se propose d'tudier la platine reprsente sur la Figure 2. Cette platine MLI dlivre un signal carr de rapport cyclique a variable (voir la figure 5), utilisable pour piloter les commutations d'un interrupteur de puissance.

  • 6

    Figure 4

    - Faire varier le rapport cyclique et observer l'oscilloscope la tension de sortie Vcom. - Vrifier rapidement la variation du rapport cyclique. - Relever la valeur minimale et maximale de la frquence de dcoupage.

    1-2 Notion de valeur moyenne

    La commande par MLI fixe la dure du cycle de base, appele priode de dcoupage T. On dfinit alors pour toute variable du temps f(t) la valeur moyenne "dynamique":

    -

    =t

    Tt

    dfT

    tf tt )(1

    )(

    Proprit : si f(t) est priodique, alors f est constante. Remarque : La valeur moyenne est aussi note parfois )t(f .

    1-3 tude du hacheur sur charge rsistive Le hacheur (voir Convertisseur de tension dc/dc

    Figure 5) est constitu d'un transistor MOS (reprsent sur la figure par linterrupteur K) de puissance IRF 540 et d'une diode rapide (appele D sur la figure) de puissance "BYW 81 PI 200". Le transistor est protg en courant au-del de 10A. Les ordres de commutation sont envoys travers un optocoupleur intgr la platine de commande MLI de manire isoler lectriquement la commande du circuit de puissance. Le signal remis en forme est amplifi avant de commander linterrupteur.

    Le transistor K travaille en commutation :

    - il est passant (ferm) lorsque l'on applique une tension comprise entre 10V et 18V sur la grille par rapport la source et se comporte alors comme une trs faible rsistance RDS(on)=77mW;

    - il est bloqu (ouvert) lorsque l'on applique une tension de 0V sur la grille par rapport la source.

    Raliser le montage de la Convertisseur de tension

    dc/dc Figure 5, la charge tant une rsistance de puissance de 10 W. Ajuster la source de

    tension continue 30 V. Utiliser un cble coaxial pour envoyer la commande au hacheur.

    Le principe de la sonde de courant est donn dans lannexe sur les instruments de mesure. Sa principale fonction est d'isoler lectriquement la mesure du circuit de puissance.

    15V

    0

    T

    q

    t

    T : priode de dcoupage a = : rapport cyclique q

    T

    Vcom

  • 7

    i s

    EK

    Dvs

    Charge V

    Oscillo voie1

    Oscillo voie2masse oscillo (voie1)

    RCOMMANDE

    Sonde decourant masse oscillo (voie2)

    M.L.I. 30V

    Convertisseur de tension dc/dc

    Figure 5

    Rgler la frquence de dcoupage 10 kHz. Relever la forme de la tension vs aux bornes de la charge et le courant dans celle ci. Vrifier que l'on a sensiblement v Es = a (pour 2 3 valeurs de a) et expliquer cette

    relation partir de la forme de la tension vs et en vous aidant du 1-2. Fixer la valeur de a 0,5 et remplissez le tableau 1 pour les mmes valeurs de rsistances

    de charges. Conclusion par rapport au cahier des charges ?

    Le convertisseur lmentaire (structure hacheur) nous permet dobtenir une tension

    priodique positive aux bornes de la charge, dont la composante continue est rglable. Londulation de tension tant cependant importante : nous allons tudier dans la suite les solutions pour la rduire. 2 - PRINCIPE D'UNE ALIMENTATION A DECOUPAGE CONTINU-CONTINU : CAS DE L'ABAISSEUR DE TENSION Le but de cette partie est de construire pas pas un filtre afin d'obtenir une tension de sortie pratiquement continue et rglable aux bornes de la charge. Le rglage de cette tension s'effectue communment au moyen du rapport cyclique, frquence de dcoupage constante. 2-1 Filtrage du courant de sortie du hacheur en utilisant une self en srie 2.1.a Etude de la composante continue

    - Raliser le montage de la Convertisseur abaisseur de tension dc/dc

    Figure 6. Prendre L=500mH.

    Rch

  • 8

    L

    i s

    EK

    D

    ChargeR

    vs V

    Sonde decourant

    vD

    vL

    Oscillo voie1

    Oscillo voie2

    masse oscillo (voie1)

    masse oscillo (voie2)

    30V

    Convertisseur abaisseur de tension dc/dc

    Figure 6 - Relever la forme du courant dans la charge et la comparer avec la forme releve prcdemment sans inductance. Relever la tension moyenne aux bornes de linductance. Expliquer votre mesure. Vrifier rapidement que l'on a toujours v Es = a Fixer la valeur de a 0,5 et remplissez le tableau 1 pour les mmes valeurs de rsistances de charges Conclusion par rapport au cahier des charges ? Remarque : Une mesure simple du rapport cyclique peut tre ralise en dplaant la voie 1 de l'oscilloscope juste en sortie du hacheur. Cette remarque est valable pour toute la suite du TP. 2.1.b Etude du taux dondulation - Pour une frquence de dcoupage de 10kHz et un rapport cyclique de 0,5 observer qualitativement l'influence de la valeur de l'inductance sur la forme de la tension de sortie. Couper la commande du hacheur pour changer dinductance afin d'viter des surtensions. - Observer qualitativement linfluence dune augmentation de la frquence sur londulation de courant pour une inductance fixe.

    2-2 Filtrage de la tension de sortie aux bornes de la charge par un condensateur 2.2.a Etude de la composante continue - Raliser le montage de la Figure 7 (connecter un condensateur de sortie). Utiliser une self de 1,5mH et un condensateur chimique de F220m . Faire vrifier le montage ! Attention la polarit des condensateurs chimiques !

    Rch

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    LC

    i i s

    sE

    K

    DCharge

    Rvs V

    Sonde decourant

    Oscillo voie1

    Oscillo voie2

    masse oscillo (voie1)

    masse oscillo (voie2)

    30V

    Convertisseur Abaisseur de tension

    Source

    Figure 7

    Relever le courant moyen aux bornes du condensateur. Expliquer votre mesure. Vrifier rapidement que l'on a toujours v Es = a Fixer la valeur de a 0,5 et remplissez le tableau 1 pour les mmes valeurs de rsistances de charges Conclusion par rapport au cahier des charges ? 2.2.b Etude de la composante alternative - Pour une frquence de dcoupage de 10kHz et un rapport cyclique de 0,5 observer qualitativement l'influence de la valeur ( 1,4mF F,220 ,F10 mm ) de la capacit du condensateur sur la forme de la tension de sortie, et en particulier l'ondulation rsiduelle. - Conclure sur linfluence de la valeur de la capacit sur londulation de tension en sortie 2-3 tude du courant dans la self en rgime de conduction continue (i ne s'annule jamais) Pour a=0.5, une charge fixe de 10W, une self de 500mH et un condensateur 220mF relever les fomes des courants i(t), is(t) et ic(t).

    Vrifier pour 2 3 valeur de a que les deux relations F LE )1(i aa-=D et

    2inImaxIm

    i+

    = sont

    vrifies. 2-4 Modes de conduction continue, critique et discontinue - Toujours sur le montage de la Erreur ! Source du renvoi introuvable., rgler la frquence de dcoupage au voisinage de 5kHz. Faire varier le rapport cyclique et constater l'apparition du mode de conduction discontinue du hacheur (annulation du courant i pendant un certain intervalle de temps sur chaque priode de dcoupage). Vrifier exprimentalement que, dans ce cas, la relation Evs a= n'est plus vrifie.

    Durant ce rgime de conduction discontinue du hacheur, 3 phases de fonctionnement apparaissent distinctement.

    - Dessiner les diffrents circuits lectriques quivalents pour chacune de ces 3 phases. Les interrupteurs du circuit (le transistor K et la diode D) seront reprsents par un fil (court-circuit) ltat passant (ferm) et par un circuit ouvert ltat bloqu (ouvert).

    Rch

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    2-5 Caractristiques de sortie

    Variation de la charge :

    - Garder le montage de la Erreur ! Source du renvoi introuvable. et rgler la frquence de dcoupage au voisinage de 10kHz. Pour une rsistance de puissance de 16,8 W, puis de 4 W vrifier exprimentalement que lon est bien en conduction continue et que la relation

    Evs a= est toujours vrifie. Calcul du rendement:

    - Calculer la puissance fournie par la source d'entre E, pour une rsistance de charge de 10 W et un rapport cyclique de 0,5. - Mesurer cette puissance (montage de la Erreur ! Source du renvoi introuvable.). - Mesurer la puissance fournie la charge. - Estimer le rendement de cette structure - Dterminer les diffrentes causes de ces pertes. 3- CONCLUSIONS - Quels sont les solutions pour diminuer londulation de courant ? - Quels sont les solutions pour diminuer londulation de tension ? - Avantages et inconvnients de ces solutions. Il est en effet vident que la dmarche dun concepteur dalimentation dcoupage est linverse de celle adopte dans le TP. A partir dun cahier des charges prcis (tension de sortie, ondulation de sortie acceptable, type de charge ), il devra dimensionner les divers lments de lalimentation : Les semi-conducteurs en fonction des tensions supporter l'tat bloqu, et des

    courants (moyens et/ou crte) les traversant l'tat passant, ainsi que leur technologie en fonction de la frquence de dcoupage choisie ;

    Dimensionner les composants passifs et choisir leur technologie (circuit magntique de linductance, type de condensateur : chimiques, polypropylne, cramique ) ;

    Veiller un bon assemblage de lensemble des composants (prise en compte des cblages, en particulier les inductances parasites associes) et une optimisation du volume total du convertisseur pour une bonne intgration au sein du systme global.

    Nous avons pu observer dans le TP que laugmentation de la frquence de dcoupage

    entrane une diminution de la valeur des composants passifs (L et Cs) et par consquence de leur volume et de leur cot (surtout vrai pour linductance). Il devient alors trs intressant daugmenter les frquences de dcoupage, mais ceci ne s'obtient pas sans inconvnients quand on dpasse la centaine de kilohertz (augmentation des pertes par commutation dans les interrupteurs, problmes de Compatibilit ElectroMagntique (CEM), apparition de phnomnes tel que leffet de peau dans les spires des inductances, augmentation des pertes dans les circuits magntiques ...). Tout ceci met en vidence la complexit de la conception dune alimentation dcoupage et plus gnralement de systmes lectriques, qui ncessite la prise en compte des interactions entre les phnomnes lectriques, magntiques mais aussi thermiques et mcaniques.

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    ANNEXES

    Annexe 1 Rappels sur les inductances et les condensateurs Proprits des bobines linaires et d'inductance constante : Rappel

    i(t)

    u(t)

    F(t) = L i(t) (F Flux magntique total embrass par la bobine),

    u(t) = dt

    )t(dF (loi de Faraday, convention rcepteur),

    do : dt

    di(t) L )t(u = .

    Proprit de la tension moyenne aux bornes de l'inductance sur une priode de dcoupage

    [ ] ( ))t(i)t(iTL

    )(iTL

    dddi

    LT1

    d)(uT1

    (t)ut

    Tt

    tTt

    t

    Ttt--=t=t

    t=tt= - -- ;

    si i(t) est priodique )Tt(i)t(i -= d'o 0u = .

    La valeur moyenne de la tension aux bornes d'une inductance parcourue par un courant priodique est nulle. Proprits des condensateurs linaires et de capacit constante :

    u(t)

    i(t)

    q(t) = C u(t) (quantit de charges stock par la capacit),

    i(t) = dt

    )t(dq (dfinition du courant),

    dou i(t) = C dt

    )t(du.

    Proprit du courant moyen traversant un condensateur sur une priode de dcoupage

    [ ] ( ))t(u)t(uTC

    )(uTC

    dddu

    CT1

    d)(iT1

    (t)it

    Tt

    tTt

    t

    Ttt--=t=t

    t=tt= - -- ;

    si u(t) est priodique )Tt(u)t(u -= d'o 0i = .

    La valeur moyenne du courant traversant un condensateur soumis une tension priodique est nul.

    Annexe 2 Expression de londulation de courant dans la self en rgime de conduction continue

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    Considrons le montage de la Figure 8.

    L

    C

    i i s

    sE

    K

    DCharge

    Rvs

    vL

    vD

    Figure 8

    L'alimentation, pilote par M.L.I., est suppose travailler en rgime permanent, c'est dire priodique : La tension moyenne de sortie sv est donc constante. De plus, l'ondulation de la tension de sortie est suppose ngligeable, donc ss vv @ . La forme d'onde du courant dans la self est alors celle reprsente sur la Figure 9.

    Di

    a T

    (n-1)T

    i

    t nT

    (1-a)T

    iM

    im

    0

    Figure 9

    Sur une priode quelconque [ ]nT , T)1n( - nous avons, sur l'intervalle o l'interrupteur est ferm et o le courant crot T

    LvE

    ii smM a-

    += , d'o :

    TL

    vEiii smM a

    -=-=D . (1)

    Par ailleurs )t(v)t(v)t(v sLD += et donc )t(v)t(v)t(v sLD += . Or en rgime permanent (donc priodique) 0vL = do )t(v)t(v sD = . De plus, en rgime de conduction continue

    EvD a= , ce qui donne Evs a= . En remplaant dans (1) il vient :

    ELF

    )1(E

    L)1(T

    ia-a

    =a-a

    =D .

    Remarque : On montre que l'ondulation rsiduelle de tension crte crte (dans le cas ou elle est faible) a pour expression :

    FLC8E)1(

    C8i

    svss

    aa-=

    D=D .

    1.1.1.1.1.1 Pde rotation phases ATEUR TRIPHASE ATEUR TRIPHASE