TP : Machine à Courant Continu + Hacheur 4 Quadrants En raison du nombre de machines disponibles la plupart des tables seront occupées par des trinômes. Le compte-rendu de ce TP contiendra les mesures et les caractéristiques utiles de la machine à courant continu, des composants du Hacheur et de sa commande. Objectifs Le but de ce TP est l'étude d un variateur de vitesse pour une machine à courant continu. Présentation Ce variateur de vitesse est constitué d une alimentation continue (pont redresseur PD3 intégré à la table) et d'un hacheur 4 quadrants (2 bras de pont) commandé par des créneaux rectangulaires de largeur variable. Ce procédé permet une alimentation du moteur à tension ne variable. La machine à courant continu MCC est à excitation indépendante. (Il ne faudra JAMAIS couper l'excitation (inducteur) de la MCC). Cette excitation est créée par l'alimentation auxiliaire de la table (2,5A max). Le hacheur 4 quadrants sera alimenté par l'alimentation principale de la table Ualim (16A max). Pour une mise sous tension progressive, un autotransformateur avec transformateur d isolement sera utilisé. Le Hacheur 4 quadrants est réalisé au sein d un dispositif intégré SEMIKRON muni d un système de commande externe permettant de réaliser une commande complémentaire totale synchrone. Cette commande générant les fonctions de commutation assure également une limitation de courant à 20 A grâce à la mesure effectuée par une sonde à effet Hall qui doit lui être connectée sur le calibre 100 mv / A (entrée mesure courant). Cette boîte de commande permet également de générer l alimentation 15 V des blocs de commande intégrés dans le hacheur. On réglera la vitesse en modifiant la tension U de l'induit de la MCC, à la sortie du hacheur située entre deux bras de pont. C'est le rapport cyclique des fonctions de commutation des interrupteurs fm1, fm2, fm3, fm4 qui déterminera le rapport entre U et Ualim. Préparation Le hacheur est alimenté par une source de tension constante de valeur U. Il ALIM est constitué de deux bras de pont indépendants commandés à fréquence fixe F. On note les rapports cycliques d suivants : α pour T et α pour T, la 1 11 2 21 commande de chaque bras étant de type complémentaire totale. On suppose bien sûr les composants parfaits, diodes et transistors. Entre les deux bras de pont, on maintient la relation de commande suivante : α + α = 1. 1 2 fm1 Ualim I U MCC fm3 fm2 fm4 Exprimer en fonction de α 1 les valeurs nes (à la fréquence de découpage F d ) de la tension aux bornes de l induit moteur, notée U MCC. Page 1 sur 5
1.- Relevé de la plaque signalétique : Relever les caractéristiques de Pn, In, Un, Ωn et le n de série de la machine étudiée.in et Un sont les valeurs nominales, donc maximales (à ne pas dépasser) en régime permanent. Relever les caractéristiques de l'inducteur (excitation) de la machine à courant continu. Rappeler les lois fondamentales du comportement de la MCC et le modèle électrique simple d'une MCC utilisée en moteur à courant continu. 2.- Montage : On veillera au cours des manipulations à rester dans la plage de fonctionnement nominale (courants, tensions) des machines Montage commande : Le boîtier de commande pilotant le hacheur doit être connecté complètement au hacheur : 4 sorties commandant chaque interrupteur, 2 entrées d'erreur, une sonde de température et une sonde mesurant le courant d'induit I MCC. Ainsi que l'alimentation 0/15V. Prévoir pour la visualisation de la commande à l'oscilloscope des "T" coaxiaux. Relever rapidement les grandeurs de commande des transistors T11 et T12. En déduire la fréquence de découpage, le rapport cyclique minimal et maximal et la valeur des temps morts utilisés. Déterminer également la valeur de la tension de commande externe permettant d imposer un rapport cyclique de 50 %. On conservera cette commande de rapport cyclique à 50% (~2,5V) pour la mise sous tension de UALIM. Montage puissance : Le courant d'excitation (Iex) MCC est créé à partir de l'alimentation continue auxiliaire (Uex) MCC 200V. L'alimentation principale UALIM sera réglée de manière à obtenir la tension nominale de la MCC en sortie du Hacheur (+/- 220V pour les deux sens de rotation). On majorera cette valeur «théorique» de UALIM de 15 % pour tenir compte des chutes de tension et des limitations de rapport cycliques inhérentes à la boîte de commande. La sortie du hacheur U MCC (entre 2 bras de pont) alimente l'induit de la MCC. Le montage étant assez «volumineux» à réaliser, il faudra prendre soin de câbler les différents blocs entre eux de manière aisément vérifiable. Les différents appareils de mesure devront être lisibles sans effort et l oscilloscope sera aussi éloigné que possible des connexions de puissance Pour le relevé des courants et des puissances, on pourra faire plusieurs spires autour de la pince à condition de prendre en compte le nombre de spires dans la mesure des courants et puissances. Le montage doit être vérifié par l'enseignant avant la mise sous tension. Il en sera de même après chaque modification du circuit. On fera vérifiera avant chaque mise sous tension que les autotransformateurs sont sur 0% afin d'éviter des courants de magnétisation destructeurs Page 2 sur 5
3.- Mise en route et caractéristique statique Mise en route : Vérifier la présence d'un courant d'excitation dans l'inducteur de la MCC. Régler la commande du rapport cyclique à 50% (~2,5V) pour la mise sous tension de UALIM. Augmenter progressivement la tension UALIM jusqu'à ~115% de la tension nominale de la MCC. Vérifier alors le bon fonctionnement du dispositif en faisant varier délicatement la commande du rapport cyclique dans les deux sens. Vérifier en permanence la valeur du courant dans l'induit. Que se passe-t-il si la variation est trop brutale? Relever en utilisant la sonde différentielle de tension la tension aux bornes d'un interrupteur ainsi que sa commande. Relever les nouveaux "temps morts" cette fois-ci dus aux drivers SKHI22 pilotant les IGBT ainsi que la nouvelle plage de variation du rapport cyclique. Caractéristique statique : En vérifiant toujours que UALIM reste constant, relever l allure de la tension aux bornes du moteur UMCC(t) et du courant d induit IMCC(t) pour les valeurs de rapport cyclique α suivantes : αmin, 0.25, 0.5, 0.75 et αmax, le moteur étant laissé à vide. Relever soigneusement les valeurs extrêmes de rapport cycliques possibles, αmin et αmax. Tracer la caractéristique de réglage UMCC(Vc), où UMCC représente la valeur ne de la tension aux bornes du moteur UMCC(t), toujours à vide et Vc la tension de commande du dispositif (de 0 à ~5V). Déterminer également la relation entre cette tension de commande Vc et le rapport cyclique α. En vérifiant toujours que UALIM reste constant, relever le réseau de caractéristiques de sortie UMCC(IMCC) de ce hacheur pilotant le moteur, UMCC étant toujours la valeur ne de la tension d induit, IMCC l intensité du courant absorbé par le moteur, le réseau étant paramétré par le rapport cyclique α. Pour effectuer ces mesures, on "chargera" le moteur par une génératrice à courant continu (ne pas oublier de câbler son excitation indépendante en parallèle de la première) simulant ainsi un couple de charge mécanique. Cette génératrice sera progressivement chargée par une résistance (intégrée à la table) en surveillant en permanence le courant d induit moteur. Pour faire varier I MCC, il suffit de faire varier la résistance de charge de sortie. 0 A αmin UALIM = cste αmin UALIM = cste I MCC MAX αmin UALIM = cste 0 A 0,75 UALIM = cste 0,75 UALIM = cste I MCC MAX 0,75 UALIM = cste 0 A 0,25 UALIM = cste 0,25 UALIM = cste I MCC MAX 0,25 UALIM = cste 0 A αmax UALIM = cste αmax UALIM = cste I MCC MAX αmax UALIM = cste On fera attention à bien garder constante la tension d'alimentation UALIM à l'alternostat principal. Interprétation : Dans quel(s) quadrant(s) fonctionne le dispositif? Page 3 sur 5
4.- Etude du hacheur en régime dynamique Dans cette étude, il faut générer un rapport cyclique du type : α = α 0 + Δα(t) où Δα(t) est une variation "lente" et α 0 = 0.5. Pour cela, la tension de commande utilisée pour piloter le dispositif comprend une composante continue "offset" V 0 et une composante alternative de fréquence, notée Δv(t). On laissera toujours le moteur à vide et l on prendra soin de systématiquement se placer au point de rapport cyclique 50% lors des modifications du générateur de commande avec un montage sous tension afin d éviter les surintensités. On utilise un GBF pour générer la commande externe du rapport cyclique. Utiliser la caractéristique de réglage précédente pour déterminer V 0 et Δv(t) afin de faire varier le rapport cyclique linéairement entre 0.25 et 0.75. Appliquer cette tension progressivement sur le dispositif (amplitude lentement augmentée), à une fréquence de cycle de 0.3 Hz environ (fréquence du signal Δv). Relever alors simultanément le courant d induit moteur IMCC(t) et la tension mesurée par la génératrice tachymétrique V T (image de la vitesse Ω). Comment interpréter ces courbes en utilisant le mode XY de l oscilloscope (avec une rémanence suffisante)? On pourra améliorer la mesure en intercalant un filtre passe pas sur la mesure du courant afin d éliminer son ondulation. Comment choisir la fréquence de coupure de ce filtre? Observer la tension UALIM (t) et le courant moteur IMCC(t) pour mettre en évidence la réversibilité. Que peut-on en déduire? En choisissant maintenant une variation brutale (signal carré) du rapport cyclique entre 0.4 et 0.6, reprendre les mesures précédentes et interpréter les résultats obtenus. Quelle est la bande passante de ce dispositif? ANNEXE Rappels sur la machine à courant continu : E Force électromotrice, Φ Flux inducteur, Ω Vitesse de rotation de lʹarbre E = kφ x Ω Cem couple moteur électromécanique, Φ Flux inducteur et IMCC courant dʹinduit. Cem = kφ x IMCC Le flux dans lʹinducteur, donc le courant (Iex)MCC, donne la valeur du coefficient kφ. Et le modèle électrique donne : U MCC = E + r MCC. IMCC Page 4 sur 5
Aperçu des interrupteurs utilisés en commutation de puissance Semi-conducteur CARACTERISTIQUES MOS-FET IGBT LTR Symbole Conduction Conductivité courant Pertes grande s s Blocage Seuil supérieur Commutation Temps d excitation Temps de d excitation Pertes s ne grande Commande Puissance consommée Grandeur tension tension courant Vu sa gamme de puissance, sa conductivité, sa fréquence de commutation, et sa simplicité de commande, le transistor IGBT convient parfaitement au variateur de vitesse. On utilise des modules d IGBT de marque SEMIKRON et de référence : Skm 75 GB 123D Ces modules sont appropriés car ils supportent une tension maximale de 1200V, un courant de 50A avec une température du dissipateur T = 80 C. De plus, ils sont commandés à l ouverture et à la fermeture par le biais d une tension de gâchette provenant du SKHI22. Ce dernier applique une tension de 15V pour le rendre passant. Le SKHI22 de Semikron : a) Pourquoi? C est une interface de commande pour thyristors et transistors (IGBT). Ce driver est composé de 2 parties complémentaires pour la commande de 2 éléments. Sa particularité est d avoir une isolation galvanique entre la partie commande et la partie puissance, évitant ainsi des risques de surtensions ou de courant trop fort. Notons une autre particularité importante et essentielle pour la «survie» des IGBT. Le SKHI22 génère des retards au niveau des commandes, très utiles lorsque pour commander un onduleur ou un hacheur 4Q. Nous verrons dans les relevés suivants le temps de réponse d un IGBT par rapport à sa commande. Ces retards évitent un empiétement des commandes. S ils n existaient pas, un court-circuit franc de l alimentation serait fatal pour le système. b) Ce qu il sait faire... * 1 seule alimentation pour deux commandes. * Ajustage externe des retards, surveillance de l alimentation, Rg on/off pour application spécifique. * Valeur de dv/dt très de 24kV/μs (isolement par transfo au lieu d'optoélectronique). *Isolement entre commande et IGBT jusqu à 4kV. *Courant de crête 3.3 A. *Signal d erreur *Interverrouillage des entrées interdisant la conduction simultanée. *Valim<13 V *V GE de commande 0-15V *Compatibles CMOS avec une grande immunité au bruit *Protection contre les courts- circuits. *Coupure adoucie du court-cicuit. Page 5 sur 5