Guillaume Ponnier. Pierre Orient. Encadrant : Jean-Marc Blaquière Olivier Rallieres

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1 Électronique,de,puissance Électroniquede#puissance TP#Redresseurs#de#tension TP#Onduleur#monophasé Guillaume Ponnier Pierre Orient Encadrant : Jean-Marc Blaquière Olivier Rallieres

2 TabledesMatières I. Objectif...1 II. Étude&des&redresseurs...1 1) Étude&d un&redresseur&pà"diodes...1 a) Schéma'étudié...1 b) Calcul&de&la&valeur&moyenne...2 c) Essais... d) L empiétement... 2) Étude&d un&redresseur&pdà"diodes...5 a) Schéma'étudié...5 b) Calcul&de&la&valeur&moyenne...5 c) Essais...6 d) Variation(de(l inductance...7 ) Étude&d un&redresseur&pdà"thyristors...8 a) Schéma'étudié...8 b) Méthode(pour(mesurer(l angle(de(retard(à(l amorçage...8 c) Effet%de%l inductance...9 d) Tension'aux'bornes'd un'thyristor...9 e) Courant(et(tension(réseau(sur(une(phase...10 f) Caractéristique,de,sortie...10 III. L onduleur*de*tension ) Présentation+de+l onduleur...12 a) Schéma...12 b) Cahier'des'charges ) Relevé&et&analyse&des&formes&d ondes&instantanées...1 a) Signal'de'la'porteuse...1 b) Profondeur)de)modulation)de"0,9...1 c) Mesure...14 ) Mesures&des&grandeurs&images&de&la&puissance&moyenne&en&entrée&et&en&sortie...17 Conclusion...18

3 I. Objectif L objectif des manipulations est de se focaliser sur les formes d ondes des différentes structures de redresseurs de tensions. Des phénomènes fondamentaux de ce type de structure tel que l empiètement seront abordés. L empiétement permet de comprendre l intérêt du blocage spontané dans le bon fonctionnement de commutations de ce type de structure. Nous pourrons aussi comparer certains résultats avec ceux obtenues en simulation avec le logiciel PSIM. II. Étude&des&redresseurs 1) Étude%d un%redresseur$p$à$diodes a) Schéma'étudié# D1 D2 D V KN Figure 1 : schéma électrique du redresseur P à diodes Nous avons dessiné sous PSIM le montage et disposé les différents appareils de mesure afin de mesurer les différentes évolutions des tensions et courants à plusieurs endroits du montage pour connaître précisément le fonctionnement de celui-ci. Il nous faut maintenant calculer les valeurs des éléments du montage afin de répondre au cahier des charges. 1

4 b) Calcul&de&la&valeur&moyenne# On sait que l allure de la tension du signal redressé est la suivante (en rouge sur le relevé) : V1N Ud VD1 D D1 D2 D D1 Figure 2 : Formes d'ondes des tensions utiles Calcul de la valeur moyenne du signal redressé : "## "## " = 2 sin " " " = 2 sin " " = "## 2 2 V1Neff est la tension efficace du réseau sin " cos 2 5 = "## 2 cos cos = "## = "## = "## = "## 2 " = "## 2 " " " " " Ici nous utilisons une alimentation 10V/20V soit "## =10V " = 10 6 =

5 c) Essais# Nous faisons varier le courant dans la charge afin de voir l influence du courant sur la tension redressée. V kn (V) 151,8% 151,6% 150,9% 149,8% 148,8% 147,8% 146,% 145,5% 144,7% 14,8% I ch (A) 0,58% 1,15% 1,72% 2,95% 4,1% 5,18% 6,62% 7,65% 8,65% 9,75% V V Nous pouvons constater une chute de tension lorsque le courant augmente. Elle est d environs 8V pour un courant de charge de 10A. Cette chute de tension est expliquée par l effet d empiétement. Effectivement les diodes ne commutent pas instantanément, 2 diodes se retrouvent donc en conduction en même temps, ce qui entraine une chute de tension importante quand le courant augmente. "#$% = 2 "#$% :Symbolisationdel empiètement.onvoitquelavariationdelatensionenfonctiondu courantestlinéaire.ellepeutalorsêtrereprésentéeparunerésistanceéquivalente d) L# empiétement# Nous réglons le courant à 5 ampères et relevons les formes d ondes suivantes : Courant et tension d une diode Nous constatons biens que lorsque la diode est passante, c est bien le courant charge qui circule par la diode est qu il est presque continu et d environ 5A. Lorsque la diode est bloquée la tension appliquée à ses bornes suit la tension composée du réseau.

6 Pente du courant lors du blocage de la diode Ici nous constatons un temps de descente d environ 624µs. Détermination de "#$% : "#$% = 2 f=50hz ω=2*π*f "#$% = *50*624*10-6 "#$% = 9,6" 4

7 2) Étude&d un&redresseur&pd&à&diodes a) Schéma'étudié# D1 D2 D D 1 D 2 D Figure : Schéma électrique du redresseur PD à diodes La méthode employée pour calculer la valeur moyenne de la tension de sortie et pour dimensionner la résistance et l inductance de charge est la même que celle employée précédemment. b) Calcul&de&la&valeur&moyenne# L allure de la tension redressée est la suivante : D1 D2 D D1 D 2 D D 1 D 2 Figure 4 : Tension et courant du montage PD 5

8 = 1 = = "# 2 cos " " "# est la tension efficace entre phase du réseau "# 2 cos " 20 2 cos " = cos " = 20 2 sin = 20 2 sin sin = = = "# = 10,60 On obtient une tension moyenne bien plus importante qu avec le montage précédent. On pourra ainsi obtenir une plus grande plage de tension avec l a même alimentions. c) Essais# Nous observons (VA-VN), (VC-VN) et la différence de ces deux tensions (ici en rouge) : VA étant le potentiel à anode commune et VC le potentiel à cathode commune. Nous remarquons bien que ce montage se comporte comme deux redresseurs triphasés simple alternance en série. De plus nous observons que la fréquence de sortie est doublée par rapport au précédent montage. Cela représente un avantage car on repousse les premières harmoniques. Le filtrage du signal sera ensuite plus aisé. (Dimension du filtre, cout, qualité) 6

9 Inductance faible d) Variation%de%l inductance# Inductance forte Inductance forte Ich Ich Nous pouvons remarquer que l inductance permet le lissage du courant. Plus l inductance sera forte plus le courant sera lissé et ainsi presque continu. On observe aussi que le courant suit une exponentiel, et le fait d avoir doublé la fréquence, il y a deux fois moins de temps afin d atteindre son point maximum ou minimum. D ou l ondulation qui est réduite. 7

10 ) Étude&d un&redresseur&pd&à&thyristors a) Schéma'étudié# b) Méthodepour%mesurer%l angle%de%retard%à%l amorçage# Afin de mesurer cet angle nous mettons une demi période à l écran, nous nous retrouvons donc avec 10 carreaux pour une demi-période soit 180, nous avons donc 18 /carreau Point de commutation normal V1N VKN Déphasage / Angle de retard 8

11 c) Effet%de%l inductance# En fixant la valeur moyenne du courant à 8 ampères : Inductance maximale Inductance minimale U1 Ich Ich VT1 Nous pouvons constater concernant les forme d onde de U1 et VT1 que nous retrouvons bien les mêmes que celles stipulées dans le sujet (à la différence de calibre entre U1 et VT1 afin d éviter la superposition) Pour le courant nous remarquons une fois de plus que plus l inductance est élevée plus le courant est lissé de plus l ondulation du courant. La fréquence d ondulation du courant est identique au montage PD à diodes. d) Tensionaux$bornes$d un$thyristor# Phase 1 : Elle débute lorsque le thyristor T1 se bloque soit, après le déphasage voulu, T2 devient passant T1 voit alors à ses bornes U21. Phase 2 : Le transistor T1 est toujours bloqué, T devient passant et T2 se bloque, T1 voit alors à ses bornes U1. Période du thyristor VT1 1 2 Phase : Le transistor T1 est passant. 9

12 e) Courant(et(tension(réseau(sur(une(phase# Réglage angle de retarde de 0 : V1 0/18=1,66 IT1 Nous pouvons observer que l angle de retard influe sur le déphasage entre le courant IT1 et la tension V1. Effectivement plus l angle de retard est important plus le déphasage grandit. Ce phénomène est contraignant car il engendre de la puissance réactive. 0 Angle de retard ψ VT1 Ici pour ce test l angle de déphasage entre le courant et la tension est de 0. Pour n importe quel angle de retard, le déphasage serait alors égal à : φ = f) Caractéristique,de,sortie# Pour un angle de retard de 10 nous obtenons les relevés suivants : V 06 02, ,5 289,2 288 I 0,6 2,4 4,15 5, 7,18 9 9, V=f(I)pourdephasage V Linéaire(V) y=g1,997x+07,

13 Pour un angle de retard de 45 nous obtenons les relevés suivants : V ,5 I 1,58 2,5 4 5,05 5,7 6, V=f(I)pourdephasage V Linéaire(V) y=g1,5957x+172, Nous pouvons remarquer l influence du courant sur la chute de tension. Plus le courant augmente et plus la chute de tension est importante, de plus, plus l angle de déphasage est important plus la tension de sortie est faible. Du fait de nos mesures nous constatons que l influence du courant sur la chute de tension est plus importante à un angle de retard faible. 11

14 III. L onduleur*de*tension 1) Présentation+de"l onduleur a) Schéma# L onduleur est un système permettant d obtenir une tension alternative à partir d une tension continue. Le schéma étudié est celui d un onduleur classique avec deux cellules de commutation avec pour chacune d entre elle deux IGBT montés en parallèle de deux diodes. Le choix d IGBT se justifie car ceux sont les plus performants à moyenne puissance du fait de leurs faibles pertes lors de leurs commutations. b) Cahier'des'charges# Afin de ne pas endommager le matériel et obtenir les mesures souhaitées, il nous est imposé certaines valeurs de composants et grandeurs : E = 200V C = 6"F L = 6mH R = 50Ω Pour m = 0.9 => I "## = 2.5A f = 50Hz 12

15 2) Relevé&et&analyse&des&formes&d ondes&instantanées a) Signal'de'la'porteuse# Nous pouvons constater qu ici la porteuse est à une fréquence de 5khz, elle détermine la précision dont le système dispose car elle permet la comparaison avec le signal de référence dans le circuit de commande. La fréquence du signal de référence étant de 50 Hz la précision est suffisante car 100 fois plus élevée. (à minima la fréquence de la porteuse doit être 10 fois supérieur) b) Profondeur)de)modulation)de)0,9# Afin d obtenir ma=0,9 il faut : = "# "# "# = "# = = 9V Soit un crête à crête de 18V. 1

16 c) Mesure# Pour une période basse fréquence V 1, V 2 et V ond V2 Vond V1 Vmod La fréquence de découpages des tensions v 1, v 2 commutent à une fréquence de 5kHz. Suivant l amplitude et le signe de la modulante le rapport cyclique est plus ou moins élevé et le signe change en fonction de la modulante. Pour une période de découpage V 1, V 2 et V ond On peut remarquer que v ond à une fréquence double de celle de v 1 et v 2 soit 10khz, et varie de +/-200V soit +/-E. 14

17 Période basse fréquence V, I e1 et I e2 Sur ces relevés on observe bien les variations exponentielles du courant. On peut ainsi observer l ondulation ainsi que les modes de conductions des transistors. Période basse fréquence V ond,v s et I L Ici nous remarquons qu il n y a pas de déphasages significatifs entre ces différentes grandeurs. Nous constatons aussi que la tension aux bornes de R est bien lissée ce qui est dû au condensateur. V S V ond V ref I L 15

18 Domaine fréquentiel V ond et V s V ond V S Ci-dessus nous pouvons constaté que V ond et V s ont la même valeur moyenne dû fait de la première harmonique. Nous constatons aussi que Vs possèdent très peu d harmonique y compris aux faible rang alors que V ond en a jusqu au 4 ème rang. Le filtre joue le rôle d éliminer ses harmonique afin d obtenir une tension représentant le fondamental de V ond. Zoom où l ondulation I L est maximale Pour une période basse fréquence I L et (I e1 + I e2 ) 16

19 ) Mesures&des&grandeurs&images&de&la&puissance&moyenne&en&entrée&et&en&sortie ma% E% I emoy (A)% V s % I s % 0,9% 201,7% 1,5% 118% 2,4% 0,8% 204,% 1,25% 108% 2,2% 0,7% 207,8% 0,95% 95,4% 1,95% 0,6% 211,4% 0,75% 82% 1,65% 0,5% 214% 0,5% 68,% 1,8% 0,4% 217,% 0,5% 54,2% 1,12% 150 VsRMS ,2 0,4 0,6 0,8 1 Vs Linéaire(Vs) y=129x+,8 On sait que l allure de la tension de sortie de ce type de montage est de la forme suivante : = ". sin " + 4. sin " " ". sin " + cos "# On voit alors que l amplitude la tension est fonction linéaire de ma Iemoy(A) 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 Iemoy(A) Linéaire(Iemoy(A)) y=2,429xg0,695 17

20 Conclusion Ces séances de travaux pratiques nous ont de mettre en pratique les essais réalisés durant les BE de simulation sur PSIM. Nous avons aussi pris en mains les différents appareils de mesure, effectivement différente marque existe nous nous sommes donc adapté à chaque appareils afin de réalisé nos mesure. Réaliser ce compte rendu nous a permis d approfondir nos connaissances sur les redresseurs ainsi que l onduleur. Il nous permet de nous questionné et ainsi travailler notre esprit de synthèse. 18