APPLICATION NOTE Dimensionnement et mise en œuvre des composants d un redresseur Reverdiau Pierre GE3 Clients : M. James Tuteur industriel : M. Chazelle Tuteur technique : M. Pasquier
Sommaire Introduction... 4 Synoptique de la partie puissance... 4 Etude d un montage redresseur... 4 Le filtrage... 6 Le redressement... 8 Les protections du montage redresseur + filtrage... 9 Dimensionnement des composants... 10 Varistance... 10 Thermistance CTN... 10 Système de protection des condensateurs... 11 Routage... 13 2
LISTE DES FIGURES Figure 1 Diagramme général... 4 Figure 2 Carte redresseur avec protection... 5 Figure 3 Pont de graëtz avec filtrage... 6 Figure 4 Phases de conduction... 7 Figure 5 Calcul d'un filtrage pour un moteur de 3KW... 8 Figure 6 Exemple de calcul de courant pour le choix d'un point de diodes... 9 Figure 7 Simulation Psim... 11 Figure 8 Hacheur série... 12 Figure 9 Extrait de la norme UTE C 93-703 (1)... 14 Figure 10 Extrait de la norme UTE C 93-703 (2)... 14 3
Introduction La variation de vitesse d une machine synchrone/asynchrone requiert une partie puissance qui se charge de transformer l énergie électrique. Cette chaîne de puissance doit être compatible avec les commandes vectorielles des moteurs. La partie puissance est divisée en deux cartes. La première carte appelée «redresseur» permet de fournir une tension continue à partir d une tension alternative. Des protections contre les surtensions et les surintensités du convertisseur statique sont mises en place. La seconde carte appelé «onduleur» permet de fournir la tension sur les trois phases du moteur à l aide d un onduleur. L application note portera sur la réalisation de la carte redresseur permettant d alimenter des machines synchrones/asynchrones à l aide du réseau EDF monophasé. Synoptique de la partie puissance Figure 1 Diagramme général La partie redresseur + le filtrage (figure 1) permet d obtenir une tension continue. Cette partie est composée d'un pont de graetz et d'un filtrage capacitif. La tension continue est ensuite transformée en tension alternative par l intermédiaire d un onduleur composée de six modules (IGBT + diodes) permettant le fonctionnement du moteur en mode hyposynchrone et hypersynchrone. Etude d un montage redresseur 4
Figure 2 Carte redresseur avec protection Rappel : un montage redresseur permet d obtenir une tension continue (de valeur moyenne non nulle) à partir d une tension alternative sinusoïdale (de valeur moyenne nulle). On distingue le redressement non commandé, utilisant uniquement des diodes et délivrant une tension de valeur moyenne non réglable et le redressement commandé, utilisant des thyristors permettant d obtenir une tension de la valeur moyenne réglable. L étude d un montage redresseur porte sur : La recherche de la forme de la tension redressé Vs : étude des semi-conducteur en conduction et de leur durée de conduction. Le calcul de la valeur moyenne vsmoy Le calcul de la valeur efficace Vs Le calcul du facteur de forme F et du taux d ondulation Par définition le facteur de forme F est : F = Vs vsmoy Plus F tend vers 1, plus la tension vs(t) peut être considérée comme continue. 5
Par définition, le taux d ondulation est τ = Vsmax Vsmin vsmoy Plus τ tend vers 0, plus la tension redressée vs(t) peut être considérée comme continue. Le filtrage Afin d améliorer la tension redressée double alternance (diminuer τ), on utilise un filtrage capacitif en plaçant en parallèle sur la charge un condensateur de capacité C (souvent très grande). Etant donné la difficulté de mettre en équation la charge d un moteur (la charge peut varier), l approximation du calcul des condensateurs sera effectuée sur une charge résistive qui permettra d avoir l ordre de grandeur des valeurs du filtrage capacitif. Figure 3 Pont de graëtz avec filtrage Choix des condensateurs de filtrage Les principaux critères à considérer dans le choix des condensateurs: Sa capacité Sa tension de service Nous pouvons voir sur la figure 4, l évolution des tensions du montage mesurer à des endroits différents. Les courbes représentées peuvent être mises en équation. 6
Figure 4 Phases de conduction Td = temps de décharge tc = temps de charge Δvs = ondulation de la tension filtré. On cherche à obtenir une valeur approchée de l ondulation rapidement, c est pourquoi on effectue l hypothèse suivante : La décharge de C est linéaire en fonction du temps. On peut facilement trouver les valeurs du filtrage capacitif C en connaissant le Δvs à l aide des formules suivante : 7
I= Pu 3 U cos φ C = I* dt dv Ou C = Vemax (2 R f Δvs) Avec dt = temps de décharge des condensateurs Pour diminuer l ondulation il faut augmenter C puisque généralement Vemax, f et R sont fixé. Or, en augmentant C, on diminue le temps de conductions des diodes (tc) qui doivent alors fournir le même courant moyen Ismoy = vsmoy pendant un très court temps, par conséquent il apparaît un «pic» de R courant dans les diodes de plus en plus important risque de destruction des composants. Valeur calculée à partir de la formule suivante i = C dv/dt pour une ondulation de 10% x(t) = Vemax*sin(wt) Vemax=325.5 V ce qui nous donne pour l'ondulation de 10 % : 292.5 = 325.5*sin(wt) on trouve après calcul : dt = temps de décharge des condensateurs = 8.56 ms On trouve ainsi C = 2634μF Dans les documentations constructeurs, pour un moteur de 3KW la valeur des condensateurs est de 1500 μf. Prendre cette valeur de filtrage fournie une tension continue avec un taux d ondulation satisfaisant. La tension aux bornes du condensateur sera de 230 2, c est pourquoi la tension de service doit être supérieure, on peut prendre 400V par exemple. Le redressement Composant utilisé : Diode de redressement Figure 5 Calcul d'un filtrage pour un moteur de 3KW La diode de redressement est un composant de puissance composé d une jonction P-N. Sa caractéristique i = f(u) réelle à l allure suivante : Tension de seuil : V0 = 0.9 à 2.6V. En général 1.2V<V0<1.6V I0 : courant moyen admissible ( 3000A à 50 Hz) IF : courant de pointe ( 3.Io) Vrrm : tension inverse maxi (50 V à 3500V) Choix du redresseur On calcule le courant traversant les diodes lors de la décharge des condensateurs en utilisant la puissance à fournir. 8
I= Pu 3 U cos φ La phase de charge du filtrage capacitif (durée tc) fait apparaître un «pic» de courant non négligeable aux bornes des diodes du pont redresseur. Le calcul de celui-ci est complexe. On le détermine en général en appliquant un facteur 12 au courant nominal pour s assurer que le redresseur supportera ses fortes intensités de courant lors du choix du composant. Pour effectuer se redressement l achat d un module incorporant un pont de diode est privilégié. Il faut aussi prendre en compte le Vrrm lorsque le moteur est en mode hypersynchrone. Les diodes sont alors soumises à une tension inverse supérieure à celle du régime permanent du moteur. Calcul du courant nominal délivré par un moteur de 3Kw: I= Pu 3 U cos φ = 3000 3 230 0.7 10.8 A On choisit un facteur de dimensionnement de 1.5 pour le courant, ce qui nous permet de définir une valeur minimale du courant de 16.2 A. Courant minimal car nous avons négligé les pertes moteurs (rendement = 100 %). Ipic = 12*16.2 = 194.4 A Choix du pont de diode : gbpc3510 Figure 6 Exemple de calcul de courant pour le choix d'un point de diodes Les protections du montage redresseur + filtrage Le montage de base du redresseur est dimensionné. Il faut maintenant lui apporter les protections nécessaires pour éviter sa destruction lors des différentes phases d évolution du système. Les solutions apportées dans ce montage permettent de protéger la carte contre : Les surtensions provenant du réseau (ex : foudre) Les forts appels de courant à la mise sous tension. Les surintensités du courant nominal Les surcharges des condensateurs en phase de freinage. Tâches importantes Limiter les appels de courants au démarrage Protéger la carte contre les surtensions et les surintensités Ajout d un système de protection des condensateurs lors des phases de freinage. Solutions Thermistance de type CTN Varistance Fusible Comparateur + driver + IGBT + Resistance de dissipation 9
Dimensionnement des composants Dans cette partie, nous allons voir comment choisir les éléments qui permettent de protéger le montage redresseur avec filtrage connecté à une charge qui peut fonctionner en génératrice. Varistance Dans le cadre de la forte tension mise en jeu dans ce système, la varistance est la mieux adapté. Principalement utilisées comme élément de protection de composants ou d'équipements pouvant être soumis à des perturbations électriques. Les VDR (Volt Dépendant Resistor) voient leurs impédances (normalement de plusieurs MΩ) chuter très fortement en présence d'une surtension (même très brève ), créant ainsi un court circuit protégeant le montage situé après. Son choix se fait par sa tension et son intensité d utilisation. La tension de protection de 250V est la plus utilisé lorsque l on se connecte au réseau monophasé 230V. La résistance d'isolement est de 100 MΩ ou plus. Le temps de réponse est inférieur à 25 ms. La tension de protection est alors de 250V. Thermistance CTN Les CTN (Coefficient de Température Négatif, en anglais NTC, Negative Temperature Coefficient) sont des thermistances dont la résistance diminue de façon uniforme avec la température. Une fois la thermistance ayant atteint une certaine température, elle peut-être considéré comme un fil. La thermistance CTN va permettre de limiter les appels de courants au démarrage lorsque le condensateur n est pas chargé. La thermistance se met en série sur la source d énergie. En effectuant une simulation à l aide du logiciel PSIM(voir figure 7), on relève les courants mis en jeu dans le pont de diode. On s aperçoit à la mise sous tension que le courant est important. Il faut le limiter. Lors d'un démarrage d'une machine asynchrone, le courant peut atteindre de 4 à 8 fois le courant nominal de la machine. Le pic de courant important dure 5 ms. On peut ainsi calculer rapidement la résistance de la thermistance à froid (Rtf) à l aide de la formule suivante : Vbus bus Rcharge = Rtf 10
Figure 7 Simulation Psim Système de protection des condensateurs Les condensateurs doivent être protégés des surtensions à leurs bornes. Si Ωm > Ωs, g < 0, on est en mode hypersynchrone. La puissance rotorique est débitée. Elle est transmise au bus continu et tend à augmenter la tension continue aux bornes du condensateur. La tension apparente aux bornes des condensateurs peut s élever à plus de 200 V de la valeur du bus continu initiale. Dans notre application on créer un système qui va rediriger le courant provenant du moteur dans une charge résistive lorsque la tension aux bornes des condensateurs dépasse le seuil de 360 V. Cette énergie va charger les condensateurs et les emmenés hors de leurs plage de tensions d utilisation. Le système mis en place figure 8 va permettre d évacuer l énergie accumulé dans les condensateurs. Une résistance de dissipation se chargera de dissiper cette énergie en chaleur. Pour effectuer se montage qui comporte un comparateur et un élément de puissance d aide à la commutation, une alimentation stabilisée +15V doit être prévue. Dimensionnement de la résistance de dissipation Pour dimensionner la résistance de dissipation Rh correctement, il faut connaître parfaitement l évolution du système dans le temps. 11
L énergie envoyée par le moteur Le nombre de phase de freinage dans le temps Le temps maximum de freinage Puissance renvoyé par le moteur Etant donné que la carte redresseur effectué est un prototype, on peut surdimensionné cette résistance de dissipation sans effectuer les calculs complexe. En se servant de documentation constructeur pour un moteur de 3KW, on peut choisir une résistance de 39 Ω, 50 W. Une autre approche est de considérer notre montage comme un circuit RC parallèle. Si Rh permet d évacuer toute l énergie d un condensateur en un temps suffisamment court, elle permettra d évacuer le surplus d énergie accumulée dans les condensateurs en phase de freinage (peut d énergie à dissiper). L étude de la résistance de dissipation revient donc à étudier un montage RC parallèle. On prend en considération aussi le fait que Rh doit dissiper l énergie renvoyé en un temps plus court que la phase de freinage. On détermine l énergie à évacuer par la formule : W = ½ C * U² On en déduit la puissance de la résistance pour un temps de freinage donné : P = W*t Ensuite on calcul la valeur de la résistance avec : P = U² R Figure 8 Hacheur série Etude du hacheur série La fonction permettant de mettre en parallèle la résistance de dissipation est assurée par un comparateur suivi d un driver permettant de commandé un transistor. Pour s assurer que le courant traversant le transistor ne cause pas sa destruction, il sera identique aux transistors utilisés dans le montage onduleur. 12
Transistor: En fonction de la valeur de la résistance de dissipation, le transistor choisi (IGBT ou MOSFET) doit pouvoir supporter à ses bornes la tension qui va lui être imposée. Le composant d aide à la commutation : Pour aider à la commutation des transistors étant donnée de l énergie importante à transférer, des circuits intégrés existent. Il s agit de driver. Ils se connectent aux bases des transistors et envoie un courant suffisamment important pour assurer la commutation d un état ouvert/fermé à un état fermé/ouvert. Le comparateur : Pouvoir être alimenté de façon asymétrique. Il doit délivrer une tension supérieure à la tension Vih du driver. Il doit délivrer un courant supérieur à la tension Lih du driver. Exemple : Un amplificateur qui permet de fournir ses propriétés pour le driver L6386 est le LT1017. Diviseur de tension: Lorsque l on dimensionne les résistances, il faut prendre en compte la puissance dissipée pour éviter leurs destructions. Pour des résistances de ¼ W et 350 volts en entrée du pont de diodes, on applique la formule : P = U²/R, on trouve une valeur de R = 490 KΩ. Ajoutons un coefficient de 1.5 ou 2 pour être sur d éliminer entièrement le problème. On trouve ainsi la valeur minimale des résistances qui forment le pont de diodes. Mettre un potentiomètre serait préférable et permettrait d avoir une maitrise de la tension en entrée du comparateur. L alimentation des circuits intégrés: La réalisation d un montage régulateur de tension sur la carte redresseur est nécessaire pour alimenter l électronique qui compose le hacheur. Il faut penser à dimensionner ses alimentations, généralement en +15 V pour qu elles délivrent le courant souhaité. Le transformateur ainsi choisi devra prendre en compte l énergie consommée par le driver et le comparateur. Routage La norme UTE C 93-703 va nous permettre de trouver très rapidement la taille et l épaisseur des pistes en fonction du courant qui les parcourt. Voir extrait de la norme ci-dessous (figure 9). D autres critères sont disponibles dans la norme, notamment au niveau de l espacement minimale (figure 10) : entre les conducteurs entre conducteur et pastille ou plage entre pastilles d interconnexion ou plages 13
Pour faire sa carte d électronique de puissance, étudier ce document est primordiale. Figure 9 Extrait de la norme UTE C 93-703 (1) 14
15 [Application note] [2008/2009]