Simulations interactives de convertisseurs en électronique de puissance

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1 Simulatios iteractives de covertisseurs e électroique de puissace Jea-Jacques HUSELSTEIN, Philippe ENII Laboratoire d'électrotechique de Motpellier (LEM) - Uiversité Motpellier II, 079, Place Eugèe Bataillo, MONTPELLIE EDEX 5, ÉSUMÉ et article présete u esemble d applicatios iteractives de simulatio foctioat e «temps réel apparet» destiées à l eseigemet de l électroique de puissace. Nous avos étudiés les covertisseurs suivat : hacheur série 1 quadrat, hacheur 2 quadrats, hacheur 4 quadrats, oduleur moophasé, hacheur parallèle, alimetatio FLYBAK, redressemet sur charge capacitive,. es VI (LabVIEW Virtual Istrumet) de simulatio peuvet servir comme aide au dimesioemet, mais leur objectif reste essetiellemet pédagogique. Il s agit de retrouver sur u écra d ordiateur (ou sur l écra de la salle de cours avec u vidéo projecteur) ce que l o pourrait voir sur u oscilloscope avec u vrai motage. L itérêt par rapport à u simulateur classique est de pouvoir modifier importe quel paramètre, gradeur de commade ou valeur de composat, et de visualiser immédiatemet l effet produit. Lors d u cours cela permet à l eseigat de moter les foctioemets des covertisseurs de l électroique de puissace de maière plus facile et plus vivate qu avec ue successio de «trasparets» plus ou mois figés. Les étudiats peuvet esuite poursuivre l étude de ces motages das les salles d iformatiques ou à leur domicile, ces applicatios état mises à leur dispositio sur ue page iteret. Mots clés : Simulatio, LabVIEW, oduleur, hacheur, MLI, commade, puissace, modulatio. 1 INTODUTION Il est habituel d utiliser u simulateur électrique de type circuit pour étudier les motages de l électroique de puissace. Pour os eseigemets ous utilisos courammet le logiciel PSIM. La versio de démostratio de ce programme suffit déjà pour étudier beaucoup de structures de base de l électroique de puissace et sa gratuité permet de l istaller sur toutes les machies des salles iformatiques et autorise aussi les étudiats à l utiliser à leur domicile. Les limitatios d u simulateur circuit das ue phase d appretissage résidet das le fait que lorsque l o veut visualiser les effets des variatios d u paramètre de foctioemet (par exemple la fréquece de découpage, la valeur de l iductace de lissage, ) il est écessaire d ouvrir l éditeur de schéma, de modifier la valeur puis de relacer ue ouvelle simulatio. Si l o souhaite moter les effets de ombreux paramètres ce mode d utilisatio deviet rapidemet let et fastidieux. L idée de faire u simulateur iteractif avec ue apparece de temps réel ous a été ispirée par les travaux de Kolar et Drofeik [1], [2] mis à dispositio sur leur site web «IPES-circuit» [3]. e site iteret est u module d eseigemet dédié aux circuits de bases de l électroique de puissace. Les iterfaces de simulatio sot des applet Java que l utilisateur utilise et paramètre par des déplacemets de souris. Les résultats de simulatio sot visibles «istataémet» sous formes de courbes temporelles. Accessoiremet il est égalemet possible de visualiser à chaque istat le chemi parcouru par les courats sur le schéma e déplaçat u curseur sur les oscillogrammes. e module de simulatio est très complet et vraimet remarquable. epedat ous avios evie de créer os propres outils de simulatio pour les faire correspodre à os propres objectifs pédagogiques. Nous souhaitios des simulatios iteractives visualisées e «temps réel» mais avec des résultats quatitatifs précis et avec u choix de tous les paramètres de foctioemet effectué par l utilisateur. eci autat pour les paramètres de commade (fréquece de découpage, rapport cyclique, mode de commade, ) que pour les valeurs des élémets passifs (iductace de lissage, capacité de filtrage, résistace de charge, ). Nous avos doc réalisé quelques applicatios iteractives de simulatio «temps réel» de circuits simples de l électroique de puissace. Nous avos utilisé LabVIEW comme lagage de programmatio. eci parce que ous e disposios et étios habitués à l utiliser et surtout parce qu il est aisé de réaliser des iterfaces graphiques très performates (pour les affichages temporels et pour les réglages de paramètres). Nous avios précédemmet déjà réalisé avec LabVIEW des programmes de simulatio das cet état d esprit sur le foctioemet e régimes permaet de trasformateurs et de machies sychroes e vitesse variable [4]. La programmatio graphique de LabVIEW est relativemet aisée et rapide (par rapport à ue programmatio e lagage par exemple). La vitesse de calcul est très élevée et doe ue excellete «fluidité» aux simulatios.

2 2 HAHEUS 2.1 Hacheur série 1 quadrat et 2 quadrats e VI permet de simuler les hacheurs série 1 quadrat (o réversible, u trasistor et ue diode) ou 2 quadrats (réversible e courat, deux trasistors et deux diodes). Le choix du type de hacheur se fait par u «commutateur» sur la face avat. La durée de l itervalle de simulatio (choisie par l utilisateur) correspod à la largeur d u écra d affichage. L utilisateur peut égalemet modifier le ombre de poits de calcul correspodat à cette durée. La simulatio est lacée lors du démarrage du VI (appui sur la flèche das la barre de cotrôle). La simulatio correspodat à ue largeur d écra d affichage dure de quelques ms à quelques dizaies de ms selo la puissace de l ordiateur utilisé et le ombre de poits de calculs demadé. Lorsque tous les poits de l itervalle de simulatio ot été calculés le calcul repred à t = 0. Si la réijectio des valeurs fiales est demadée (bouto sur la face avat) les valeurs fiales des gradeurs d états (tesios aux bores du codesateur et courat das l iductace) sot prises comme valeurs iitiales pour la simulatio suivate qui démarre dès que les calculs du premier itervalle (largeur écra) sot termiés. emarque : e réalité ce e sot pas les valeurs fiales qui sot prises e compte mais celles correspodat au plus grad multiple etier de la période de découpage compris das l itervalle de simulatio. eci pricipe doe l impressio de foctioer avec u oscilloscope sur u motage réel avec ue fréquece de rafraîchissemet de plusieurs dizaies de Hz. Tous les paramètres de foctioemet (fréquece de découpage, rapport cyclique, tesio d etrée, valeurs des élémets passifs du circuit L, et ) peuvet être ajustés libremet par l utilisateur pedat toute la durée de la simulatio. Si la réijectio des valeurs fiales est pas demadée (bouto sur la face avat) et lorsque tous les poits de l itervalle de simulatio ot été calculés le calcul repred à t = 0. Das ce cas o étudie le régime trasitoire avec des valeurs de tesio et courat iitiales ulles. Le diagramme temporel représete les tesios et courats les plus représetatifs du foctioemet du hacheur : tesio de sortie v S avat filtrage, courat i L das l iductace de lissage et tesio E aux bores du codesateur de filtrage de sortie. Le diagramme de coductios des iterrupteurs (T 1, D 1, T 2 et D 2 ) est automatique gééré durat la simulatio. Il permet de mieux compredre le foctioemet d u hacheur réversible e courat ou la coductio e régime discotiu d u hacheur o réversible. Les plages des échelles d affichage (temps, tesio et courat) peuvet être libremet modifiées par l utilisateur e etrat directemet de ouvelles valeurs pour la première et la derière étiquette de chaque échelle. lacemet du VI Pas de calcul Tesio de sortie moyee hoix de la durée de l itervalle de simulatio hoix du mode : 1 quadrat ou 2 quadrats hoix de la tesio d etrée hoix du rapport cyclique v S hoix de la fréquece de Iductace de E i L odesateur de filtrage de sortie ésistace de Diagramme de coductio des iterrupteurs Fig. 1 : Hacheur série (1 quadrat ou 2 quadrats). ommades de face avat.

3 2.2 Foctioemet du simulateur Pricipe Le calcul umérique est basé sur ue méthode très simple d itégratio discrète des variables d états du circuit avec ue topologie variable. Das le cas des hacheurs et oduleurs de tesio moophasés par exemple, il s agit du courat de l iductace de lissage et de la tesio aux bores du codesateur de filtrage de sortie. Les états ouvert ou fermé des semicoducteurs sot détermiés par le circuit de commade et la variable d état représetat le courat das l iductace. es états des iterrupteurs permettet de coaître la tesio aux bores de l iductace et le courat traversat le codesateur. es valeurs de tesio et de courat sot utilisées pour l itégratio discrète détermiat les valeurs des gradeurs d état pour le pas de calcul suivat Exemple : hacheur parallèle Fig. 2 : Schéma hacheur parallèle Exemple : alimetatio à découpage Flyback Fig. 4 : Alimetatio à découpage Flyback Équatios géérales : O cosidère l iductace magétisate rameée au secodaire i il = i dt v v dt L = 1 1 L Valeurs de v L et de i : Quad T est passat : 2 = U E 1 i Quad T est bloqué : > 0 ( diode passate) = et i il = 0 ( diode bloquée) = 0 et i 2.3 Filtrage sur les structures hacheur L écra ci-dessous (Fig. 5) représete u foctioet e régime trasitoire d u hacheur 2 quadrats (obteu e supprimat la réijectio de valeurs fiales). Fig. 3 : Face avat Hacheur parallèle. Les équatios géérales sot : i il = i dt v v L = 1 1 L dt Fig. 5 : Hacheur 2 quadrats e phase trasitoire. alcul des valeurs de v L et de i : Quad T est passat (doc la diode D bloquée) : = U E i Quad T est bloqué : > 0 ( diode passate) = et i il = 0 ( diode bloquée) = 0 et i 2.4 Hacheurs série etrelacés Fig. 6 : Hacheurs série etrelacés.

4 La face avat suivate (Fig. 7) représete les chroogrammes de foctioemet de trois hacheurs série etrelacés (Fig. 6). Les trois hacheurs sot commadés avec la même fréquece de découpage et le même rapport cyclique. Fig. 7 : Etrelacemet de trois hacheurs série. e foctioemet est aujourd hui courammet utilisé das les covertisseurs cotiu-cotiu d alimetatio de circuits électroiques sous faible tesio et fort courat (par exemple u covertisseur 3,3V vers 1,2V- 80A pour u Petium IV). 2.5 Hacheur 4 quadrats : modes de commade Nous avos réalisé deux VI pour les hacheurs quatre quadrats. Le premier (o exposé ici) est plutôt orieté pour l étude du filtrage avec prise e compte du mode de commade bipolaire ou uipolaire. Le deuxième, dot la face avat est présetée ci-dessous (Fig. 8), a été plutôt pesé pour ue étude globale du foctioemet au iveau des valeurs moyees de tesio et de courats, d etrée et de sortie, aisi que de la puissace covertie. Sa particularité est de visualiser u schéma équivalet partiel pour chacue des phases de foctioemet, le schéma partiel affiché correspodat à l istat t poité par le curseur. Il est aisi aisé d expliquer les différetes phases de coductio des 8 semi-coducteurs de puissaces (4 trasistors et 4 diodes) qui composet le covertisseur. Lors de la simulatio il est bie sûr possible de modifier tous les paramètres de foctioemet, qu il s agisse de la commade, de la valeur de l iductace de lissage ou du courat moye absorbé par la charge. D autre part les gradeurs de foctioemet globales du hacheur e valeurs moyees sot égalemet affiché das u pla V = f(i) Schéma équivalet partiel Pla V = f(i) Fig. 8 : Hacheur 4 quadrats.

5 3 ONDULEUS 3.1 Oduleurs moophasés Les oduleurs de tesio moophasés sot des hacheurs 4 quadrats dot le rapport cyclique est modulé siusoïdalemet autour d ue valeur moyee égale à 0,5. Nous avos doc simplemet modifié e coséquece le hacheur 4 quadrats déjà préseté. Le choix du mode de commade, bipolaire ou uipolaire, est coservé. Il est possible de choisir la fréquece de modulatio BF et la profodeur de modulatio. E plus des gradeurs de sortie, le courat d etrée, avat et après filtrage, est égalemet affiché. Fig. 9 : Oduleur moophasé. ommade bipolaire. Fig. 10 : Oduleur moophasé. ommade uipolaire 4 EDESSEUS 4.1 edresseur moophasé sur charge capacitive L étude du redressemet sur charge capacitive est difficile du poit de vue théorique si l o souhaite e pas déformer la réalité et bie teir compte des différets élémets e jeu, otammet les imperfectios du trasformateur (résistace série et iductace de fuite) aisi que les imperfectios des diodes (chute de tesio). e VI de simulatio permet de bie mettre e évidece les effets de ces imperfectios sur la forme, la valeur efficace et les harmoiques géérées par ce type de redressemet très répadu. O s itéressera bie sûr aussi à l ifluece de la valeur de la capacité de filtrage. La charge peut être modélisée par ue résistace ou bie par ue source absorbat ue puissace costate comme c est souvet le cas lorsque le redresseur est suivi d u covertisseur à découpage avec régulatio de la tesio de sortie. Fig. 11 : edresseur moophasé sur charge capacitive.

6 5 UTILISATION PA LES ETUDIANTS 5.1 Mise à dispositio des étudiats La majeure partie des VI de simulatio qui ot été réalisées sot mis à dispositio des étudiats sur la page web : 5.2 oût logiciel et liceces LabVIEW est u logiciel relativemet oéreux, mais les applicatios présetées ici e écessitet pas l istallatio de LabVIEW. Seul le moteur d exécutio LabVIEW, gratuit, est écessaire. Il permet d exécuter, mais sas les modifier, toutes les applicatios LabVIEW, doc les VI de simulatio présetées ici. U programme d istallatio de ce moteur d exécutio et dispoible avec les applicatios de simulatio sur le site iteret. Natioal Istrumet autorise la distributio légale et gratuite de ce moteur d exécutio. 5.3 Licece étudiat LabVIEW Au delà de l utilisatio simple de ces applicatios de simulatio, les étudiats itéressés par la programmatio LabVIEW peuvet bééficier d u jeu de D d istallatio avec ue licece gratuite. Il leur suffit pour cela d e faire la demade sur le site de Natioal Istrumet. 2. Drofeik U., Kolar J.W. : Teachig Basics of Iductive Power ompoets Usig Iteractive Java Applets Performig FEM-Based O-Lie alculatio of the Magetic Flux Distributio. Proceedigs of the 10th Iteratioal Power Electroics ad Motio otrol oferece, Dubrovik, roatia, Sept. 9-11, D-OM, ISBN: (2002). 3. IPES ircuits site web 4.. GLAIZE, J.-J. HUSELSTEIN, "Nouveaux outils pour l'eseigemet des éergies reouvelables" ETSIS 2003, Toulouse, 13 & 14 Novembre 2003, pp Natioal Istrumets site web ONLUSION et article présete des applicatios de simulatios temporelles iteractives de circuits de l électroique de puissace destiées à ue utilisatio pédagogique. Nous avos, sur deux aées cosécutives, pu les utiliser avec satisfactios e cours pour illustrer de maière «vivate» les foctioemet des certais covertisseurs de l électroique de puissace e complémet des «diaporamas» traditioels. Les étudiats, et surtout certais d etres eux plus particulièremet itéressés, ot pu profiter de la mise à dispositio de ces applicatios pour cotiuer les simulatios chez eux. Malgré u procédé de calcul très simple les résultats de simulatio sot très précis et très rapides (il e serait sûremet différemmet si les circuits étaiet plus complexes). Il pourrait sembler regrettable à certais qu il e soit pas possible de modifier les circuits sas reprogrammer l applicatio mais ceci serait ue utilisatio totalemet différete de l objectif d applicatios pédagogiques que ous ous étios fixé. Bibliographie 1. Drofeik U., Kolar J.W.: Iteractive Power Electroics Semiar (ipes) - A Web-Based Itroductory Power Electroics ourse Employig Java-Applets. Proceedigs of the 33rd IEEE Power Electroics Specialists oferece, airs, Australia, Jue 23-27, Vol. 2, pp (2002).

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