Redressement monophasé non commandé Simulation en électronique de puissance avec PSIM

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1 edressement monophasé non commandé Simulation en électronique de puissance avec PSIM Introduction Le schéma classique de transport d'énergie électrique de la centrale de production vers le particulier est donné ci-dessous. Centrale EF TE Particulier Production d'énergie Transformateur Transport Transformateur Compteur 4 V/ 2 V/ 225 V/ 63 V/ 23V/ Convertisseur 23V/ 25 V/4 4Hz 5V, 12V C... Illustration 1 : Schéma classique du transport de l'énergie de la production -EF- vers le particulier. ans ce T.P. nous allons nous intéresser au convertisseur statique : alimentation flyback que l'on retrouve classiquement chez les particuliers -illustration 2-. Et plus particulièrement à la partie redressement. Bus continu éseau électrique edresseur Interrupteur Transformateur Sortie 23V/ 3V 23V/ 25 V/4 4Hz 5V, 12V C... Illustration 2 : Schéma classique d'un convertisseur statique -alimentation de TV, PC etc...-. Ce T.P. porte donc sur la simulation de redressement monophasé non commandé, sur différents types de charges résistives, capacitives et inductives. Objectifs Les 2 objectifs de ce T.P. sont : l'apprentissage d'un logiciel de simulation d'électronique de puissance, outil qui va par la suite être utilisé régulièrement dans l'ensemble des autres T.P. d'électronique de puissance. la prise en compte des différences de caractéristiques du redressement monophasé, selon le type de charge. I- Logiciel utilisé : Il existe de nombreux logiciels de simulation en électronique : electronics workbench, pspice, simplorer etc... Tous ces logiciels ont leur domaine de prédilection, l'électronique petit signal, l'électronique numérique, l'électronique de puissance. PSIM est spécialisé dans l'électrotechnique et l'électronique de puissance. C'est à dire qu'il permet de simuler par nature les commande de moteurs : machines à courant continu, machines synchrones, machines asynchrones, ainsi que les convertisseurs statiques : alimentation flyback, forward, buck, boost etc... partie commande et partie puissance. La version utilisée en T.P. est la version démonstration du logiciel PSIM. Elle n'est en aucun cas limitée dans le temps, mais uniquement bridée par le nombre de composants que l'on va utiliser Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 1/9

2 TP EEA 3.2 -Électrotechniquepour la simulation, ainsi que par le nombre de points qui va être affiché. Le logiciel est téléchargeable gratuitement en version démonstration à l'adresse suivante A- Fonctionnement interne du logiciel : Le logiciel PSIM est constitué de 2 modules interdépendants : PSIM, permet la saisie graphique du système à simuler, c'est ce que l'on appelle l'éditeur de schémas électriques. Il permet aussi la configuration du simulateur. SIMVIEW, gère l'affichage graphique des résultats de simulation calculés par PSIM. B- Interface : La description du système à simuler se fait graphiquement sous la forme d'un schéma électrique. Une barre d'outils en bas de l'écran donne accès à l'ensemble des éléments couramment utilisés en simulation, dont les principaux sont : les sources de tension les composants passifs continue, alternative, triangulaire, etc... résistance, inductance, condensateur les sondes les interrupteurs -au sens large du termediode, thyristor, MOSFET, IGBT les capteurs tension -V-, courant -A- capteur de tension, courant les composants constitutifs d'un circuit de commande proportionnelle, intégrale, sommateur, différenciateur, etc... les paramètres de simulation -menu simulate/simulation control- Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 2/9

3 C- Précautions d'emploi : Vous devez impérativement avant d'exécuter une simulation réaliser les points suivants : construire le schéma électrique du circuit de commande (lorsqu'il existe) 1, définir les valeurs des paramètres des éléments du circuit de commande 1, établir le schéma électrique du circuit de puissance, définir les valeurs des paramètres des éléments du circuit de puissance 2, placer les sondes de mesures -courant, tension-, afin de pouvoir accéder sous SIMVIEW, aux résultats de simulation souhaités, définir les paramètres de simulation. On utilisera, sauf indication contraire, comme paramètres de simulation : Time Step : seconde, Total Time :.1 seconde. II- Applications : Pour l'ensemble des montages ci-dessous, vous devez : de manière théorique représenter l'allure du courant et de la tension dans la charge 3, calculer l'expression analytique de : la valeur moyenne du courant et de la tension dans la charge 3, la valeur efficace du courant et de la tension dans la charge 3, avec PSIM sur le même graphique: tracer la tension d'entrée, la tension de la charge et la tension aux bornes des différents éléments -, L ou C - 4, tracer le courant d'entrée, le courant dans la charge et le courant dans les différents éléments -, L ou C - 4, donner l'expression calculée par le logiciel de la valeur moyenne de la tension et du courant dans la charge 3 et 4. A- edressement mono-alternance : 1- Charge résistive : ~ 23V =1Ω 1 N'intervient pas dans ce T.P. 2 Il ne faut en AUCUN cas laisser une valeur nulle pour les valeurs des impédances des résistances, des inductances et des condensateurs, sous peine de n'avoir aucun résultat de simulation valide, voire même aucune simulation. 3 La charge est représentée par soit une résistance seule, une inductance en série avec une résistance, ou un condensateur en parallèle avec une résistance. 4 Ces simulations sont à effectuer pour l'ensemble des valeurs qui vous sont proposées. Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 3/9

4 2- Filtrage capacitif : ~ 23V C = 1Ω, 5Ω, 1Ω, 1Ω et C fixé à 1µF C= 1µF, 5µF, 1µF, 1µF et fixé à 1Ω Expliquer les différences obtenues entre les courbes sur charge «capacitive» et sur charge résistive. 3- Filtrage inductif : L ~ 23V = 5Ω, 1Ω, 5Ω, 1Ω et L fixé à 1mH L= 1mH, 5mH, 1mH, 1mH et fixé à 1Ω Expliquer les différences obtenues entre les courbes sur charge «inductive» et sur charge résistive. 4- Conclusion sur le redressement mono-alternance : Expliquer les graphiques obtenus lorsque l'on fait varier l'impédance de ou celle du condensateur ou de l'inductance. Voyez-vous certaines similitudes entre le redressement mono-alternance sur charge capacitive et sur charge inductive? Si oui lesquelles? B- edressement double-alternance : 1- Charge résistive : 23V ~ =1Ω Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 4/9

5 2- Filtrage capacitif : 23V ~ C = 1Ω, 5Ω, 1Ω, 1Ω et C fixé à 1µF C= 1µF, 5µF, 1µF, 1µF et fixé à 1Ω Expliquer les différences obtenues entre les courbes sur charge «capacitive» et sur charge résistive. 3- Filtrage inductif : 23V ~ L = 5Ω, 1Ω, 5Ω, 1Ω et L fixé à 1mH L= 1mH, 5mH, 1mH, 1mH et fixé à 1Ω Expliquer les différences obtenues entre les courbes sur charge «inductive» et sur charge résistive. 4- Conclusion dur le redressement double-alternance : Expliquer les graphiques obtenus lorsque l'on fait varier l'impédance de ou celle du condensateur ou de l'inductance. Voyez-vous certaines similitudes entre le redressement double-alternance sur charge capacitive et sur charge inductive? Si oui lesquelles? Au vu des différents fonctionnements analysés dans ce T.P. énoncez les avantages et inconvénients des redressements mono et double alternance. Est-il possible avec les montages ou l'un des montages proposés de fabriquer une tension négative? Justifiez votre réponse. Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 5/9

6 appels I- Caractéristiques d'un signal périodique : A- Série de Fourier : Un signal périodique de fréquence f (période T) peut-être décomposé en une série de Fourier : e t =E E n cos n t n n=1 où - n est un nombre entier, ω=2πf et φ n le déphasage à l'origine. Le terme constant E est appelé valeur moyenne de e(t) ou valeur continue. Le terme de fréquence f (n=1) est appelé le fondamental E 1.cos(ωt+φ 1 ). Les termes de fréquence 2f, 3f,...nf sont les harmoniques de rang 2,3,...n. B- Valeur moyenne ou composante continue : Par définition : E = 1 T T e t dt C- Valeur efficace : Par définition, on appelle valeur efficace la racine carrée de la moyenne du carré de la fonction périodique e(t) -en anglais MS oot Mean Square- 2 E = 1 T T e 2 t dt La valeur efficace d'une tension continue est égale à a valeur moyenne Pour un régime sinusoïdal e(t), E eff = E max Pour un signal périodique E eff =E E E 2 E 3 E n 2 (théorème de Parseval) - Taux d'ondulation : C'est le rapport entre la valeur de l'ondulation d'un signal par rapport à sa valeur moyenne. Plusieurs définition différentes peuvent être utilisées, il est indispensable de préciser la définition employée. Généralement on utilise la plus adaptée aux mesures que l'on est capable d'effectuer. Exemple 1 : apport entre la valeur efficace du fondamental avec la valeur moyenne du signal m=e 1 eff E Exemple 2 : apport entre l'amplitude crête de l'ondulation et la valeur moyenne du signal. E- Facteur de forme : C'est le rapport de la valeur efficace à la valeur moyenne F = E eff E (F est nécessairement 1) Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 6/9

7 E- Puissance : Lorsqu'une tension est appliquée à un circuit, celui-ci est parcouru par un courant d'intensité i. On peut définir : 1- Puissance instantanée, p(t) : C'est le produit, p(t)=u(t).i(t) à l'instant considéré. Unité le Watt (W). 2- Puissance active, P : Si u et i sont périodiques, on appelle puissance active la valeur moyenne de la puissance instantanée : P= 1 T T u t i t dt. P traduit les pertes par effet Joule dans les circuits. Si u et i sont sinusoïdaux et en phase, on obtient P=U eff I eff. Unité le Watt (W). Si u et i sont sinusoïdaux et déphasé, on obtient P=U eff I eff cos. Unité le Watt (W). 3- Puissance réactive, Q : En régime sinusoïdal, on a Q=U eff.i eff.sin(φ). Unité le Volt-Ampère réactif (VA). Q traduit les phénomènes d'accumulation d'énergie électrostatique ou électromagnétique dans les composants. 4- Puissance apparente, S : C'est le produit des valeurs efficaces de la tension et du courant S=U eff.i eff.. Unité le Volt-Ampère (VA). S traduit la puissance totale fournie au système. S 2 =P 2 +Q 2 II- Composants : 1- ésistance : symbole représentatif Lois U =.I = l S Loi d'ohm Significations et désignations U : tension aux bornes en Volt -V- I : courant traversant la résistance en Ampère -Aρ : résistivité Ohm/m -Ωl : longueur de la résistance linéique en mètre -m- S : surface du fil résistant en mètre 2 -m 2 - Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 7/9

8 Lois P= I 2 = V 2 Significations et désignations Puissance dissipée par la résistance en régime continu en Watt -W- P= 1 T T U t I t dt Puissance dissipé en régime périodique par la résistance en Watt -W- 2- Condensateur : + Symbole d'un condensateur polarisé et non polarisé -électrolytique-. Lois Q=C.V I =C dv dt V j = 1 I j j C C= S e Commentaires Q : charge électrique en Coulomb emmagasinée -C- V : différence de potentiel appliquée en Volt -V- C : capacité en Farad -F- I : courant traversant la capacité en Ampère -A- Z j = 1 jc Capacité d'un condensateur plan : impédance complexe du condensateur S : surface des armatures en mètre carré -m 2 - e : épaisseur en mètre -m- 3- Bobine : Symbole représentatif Lois V =L di dt I = 1 L t V dt Commentaires V : tension aux bornes de la bobines en Volt -V- L : inductance propre en Henri -H- I : courant traversant la bobine en Ampère -A- V j = j L I j Z j = j L bobine : impédance complexe d'une Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 8/9

9 4- iode : omaine égion normalement passante V V s V s seuil de conduction (généralement de l'ordre de.6v) égime normalement bloqué symbole représentatif Expression du courant traversant la diode I = V V s r d r d : résistance différentielle en Ohm -Ω- V < V s I= I IS Vs V Caractéristique réelle d'une diode Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 9/9