TP de CONVERSION de l'energie

TP de CONVERSION de l'energie Citation à méditer : «L'électronique de puissance ne peut être qu'une électronique de commutation» (Guy Séguier). Objectifs du TP : Concevoir et réaliser une cellule de hacheur dévolteur (ou d'onduleur), ainsi que son circuit de commande qui met en œuvre le principe de la Modulation de Largeur d'impulsion. Les concepts que l'on vous demandera d'acquérir sont les suivants : Comprendre le fonctionnement de la brique de base d'un convertisseur statique : la cellule de commutation. Savoir analyser les phénomènes présents lors de la commutation. Savoir bien distinguer les différentes échelles temporelles : durée de la commutation / de la période de découpage / de la période du signal modulant. Planning prévisionnel : (donné à titre indicatif) Séance 1 Séance 2 Séance 3 Séance 4 Étude du hacheur dévolteur (Commande directe par le GBF) Insertion de l'étage driver de MOS + essais. Câblage du générateur de signaux triangulaires. Étude de la MLI. Mesure de la valeur de l'inductance. Câblage de la sonde différentielle de tension. Étude de la structure en pont complet : hacheur 4 quadrants et onduleur de tension. Organisation générale du circuit de conversion à réaliser : Constant (cas du hacheur) Sinusoïdal (cas de l'onduleur) GBF Signal modulant Porteuse triangulaire + _ 0 1 Signal de commmande MLI (TTL) 5V 0V Alimentation DC E=20V ou Charge RL ou moteur CC Figure 1 : synoptique général du montage à réaliser. La charge connectée au hacheur dévolteur sera soit du type R-L, soit un moteur à courant continu. P.TOUNSI, M. AIMÉ 1/6

I] Etude du hacheur dévolteur : Concevoir puis réaliser un bras de hacheur dévolteur à l'aide des éléments fournis : une charge R-L série, une carte support de composants de puissance, un module de transistor MOS, un module de diode de commutation. I.1] Commande directe du transistor MOS par le GBF : Commander tout d'abord le transistor MOS avec un signal carré 0-10V, à une fréquence de découpage f dec =20kHz. 1) Observer les formes d'onde de la tension grille-source (notée V GS ), de la tension drain-source (notée V DS ), puis du courant dans le transistor (noté i T ). 2) Repérer les phases durant lesquelles le transistor est bloqué, et celles où il est passant. 3) Faire varier le rapport cyclique du signal de commande. Quelle est la conséquence sur la valeur moyenne de la tension V DS, sur la valeur moyenne du courant i T? 4) Mesurer le temps de montée de la tension V GS. Évaluer la constante de temps correspondante. Quel est le seuil de V GS à partir duquel le transistor MOS est passant? 5) Observer l'influence de l'amplitude de la tension de commande sur la mise en conduction du MOS. Que se passe-t-il si on commande le MOS par un signal carré 0-5V, puis un signal carré 0-2V? 6) Observer la différence de potentiel entre 2 points de la piste GND suffisamment éloignés. Quel est le problème rencontré? Sous quelle condition peut-on considérer qu'un fil (ou une piste de circuit imprimé) est une équipotentielle? I.2] Insertion d'un étage driver de MOS : Afin d'optimiser la mise en conduction du transistor MOS, ainsi que son blocage, on souhaite insérer un étage «driver» entre la grille de ce dernier et le GBF. Le signal de commande délivré par le GBF sera cette fois-ci choisi au format standard TTL : un créneau 0-5V. Le but de l'étage d'interfaçage est de permettre une charge et une décharge plus rapide de la capacité parasite d'entrée du MOS (capacité grille-source notée C iss, voir figure 2). D 10Ω G 47kΩ C iss Figure 2 : module de transistor MOS avec sa diode interne. 7) Concevoir et câbler sur plaque d'essai l'étage driver. On pourra utiliser au choix soit une structure de type push-pull, soit une structure de type totem-pôle à trois transistors S P.TOUNSI, M. AIMÉ 2/6

bipolaires. 8) Observer le bénéfice obtenu par l'ajout du driver. Comment ont évolué les formes d'onde de V GS, de V DS? Les temps de commutation se sont-ils améliorés? 9) Observe-t-on des phénomènes indésirables dus au fait que les commutations sont plus rapides? I.3] Réalisation d'une commande modulée en largeur d'impulsion : La modulation de largeur d'impulsion (MLI) est une stratégie qui permet de faire varier le rapport cyclique des créneaux de tension observé aux bornes de la charge. Il est ainsi possible de moduler la valeur moyenne glissante de cette tension. Cette propriété sera utilisée lors de la dernière partie de ce TP (réalisation d'un onduleur monophasé). La MLI est basée sur le principe d'un signal périodique triangulaire, dont la fréquence fixe celle des commutations du hacheur. On note f dec cette fréquence de découpage. Le signal triangulaire est comparé au signal modulant basse fréquence (f mod << f dec ). Lorsque le modulant est supérieur à la porteuse triangulaire, alors la tension de commande du MOS est à l'état haut (V cde =+5V). Inversement, lorsque le modulant est inférieur à la porteuse triangulaire, alors la tension de commande du MOS est à l'état bas (V cde =0V). 10) Concevoir et câbler sur plaque d'essai un générateur de signaux triangulaires, de fréquence f dec =20kHz, et d'amplitude 10V crête à crête. On pourra utiliser un AO dual intégré dans le même boîtier (TL072 ou TL082). Le montage sera alimenté par une tension symétrique de ±15V. 11) Câbler le comparateur tout ou rien. On utilisera un comparateur rapide tel que le LM311. 12) Observer le fonctionnement du hacheur commandé en MLI. Choisir pour cela un signal modulant de très faible fréquence (f mod < 1Hz). Visualiser la porteuse triangulaire et le signal de commande du transistor MOS. Comment évolue le rapport cyclique de la tension de commande lorsque le signal modulant augmente? Même question lorsqu'il diminue? 13) Représenter l'allure du courant dans la charge obtenue pour un rapport cyclique égal à 20%, puis pour un rapport cyclique égal à 80%. 14) Mesurer l'ondulation du courant (crête à crête) obtenue pour un rapport cyclique égal à 50%. En déduire la valeur de l'inductance de la bobine utilisée. P.TOUNSI, M. AIMÉ 3/6

II] Test et mise en oeuvre d'une sonde différentielle de tension : La sonde différentielle de tension doit permettre de mesurer une différence de potentiel entre deux points du circuit de puissance. Elle permet de s'affranchir du problème de conflit de masses, que l'on rencontre lorsque les deux masses des deux sondes d'oscilloscope sont branchées en deux points de potentiels différents. On peut également utiliser la sonde différentielle pour mesurer le courant dans la charge, en sortie de l'onduleur, comme indiqué sur le schéma de la figure 3. La résistance de mesure vaut R mes = 0,5Ω. Le composant actif utilisé dans cette sonde est un INA111. Il s'agit d'un amplificateur d'intrumentation rapide (bande passante et slew-rate élevés) à gain réglable par un potentiomètre. 15) Tester tout d'abord la sonde différentielle en observant un signal carré (TTL) à 20kHz issu d'un GBF. Mesurer le slew-rate (dvs/dt). Comparer le slew-rate mesuré avec celui annoncé dans la documentation technique de l'ina111. 16) Le potentiomètre R G de l'ina111 permet de faire varier le gain de l'amplificateur d'instrumentation. Faire varier le gain en jouant sur R G. Observer le phénomène de dépassement (overshoot) lorsque le gain de l'ina111 est faible. Observer l'effet indésirable du slew-rate lorsque le gain de l'ina111 est plus élevé. Conclure sur la nécessité d'un compromis sur la valeur du gain. On règlera dorénavant le potentiomètre sur cette valeur optimale de gain. Mesurer dans cette condition le coefficient d'amplification de la sonde différentielle. 1) Concevoir une méthode qui permette de mesurer expérimentalement le taux de réjection de mode commun du montage. 2) Régler le potentiomètre R p de manière à minimiser le gain de mode commun de la sonde différentielle. 3) Déterminer le taux de réjection de mode commun pour différentes fréquences. 4) Observer la forme de la tension V S (t) en réponse à une tension de mode commun de forme rectangulaire et de fréquence 20kHz. Analyser et interpréter vos observations. V A -V B = R mes *I CH B R mes A I CH R 2 R 2 B' A' + _ INA111 oscilloscope Valeur des composants : R 1 R P R 1 R G V S R mes = 0,5Ω R 1 = 10kΩ (résistance à 1%) R 2 = 30kΩ (résistance à 1%) R p = 1kΩ R G =100kΩ Figure 3 : schéma de principe de la sonde différentielle (application à la visualisation du courant dans la charge). P.TOUNSI, M. AIMÉ 4/6

III] Etude du hacheur en pont complet : III.1] Hacheur en pont complet : L'étude portait jusqu'à présent sur une structure de hacheur en demi-pont qui permet uniquement d'obtenir une tension de signe constant aux bornes de la charge. Lorsque l'on désire avoir une réversibilité en tension (par exemple pour pouvoir inverser le sens de rotation d'un moteur à courant continu), il est nécessaire de passer à une structure en pont complet. Celle-ci est obtenue en insérant la charge entre deux cellules de commutation (voir figure 4). Grâce à des interrupteurs bidirectionnels en courant, on obtient finalement à la fois la réversibilité en tension et en courant au niveau de la charge. Pour cette raison, le hacheur que l'on vous propose de câbler ici s'appelle également hacheur quatre quadrants. 21) Câbler le deuxième bras de hacheur de manière à obtenir un hacheur 4 quadrants. Insérer les deux drivers dédiés à la commande de chacun des deux bras. Pour les questions 21 à 24, on utilisera la charge RL. 22) Câbler la commande MLI du deuxième bras de hacheur. On pourra réutiliser le signal triangulaire généré dans la question 10, et lui adjoindre un deuxième comparateur de type LM311 (voir figure 4). 23) Observer les signaux de commande des 2 cellules de commutation. Vérifier qu'ils sont bien complémentaires. 24) Observer la tension U ch aux bornes de la charge, ainsi que le courant i ch qui entre dans celleci. Faire varier la tension de consigne V cons, et observer l'effet induit sur U ch et i ch. Tracer les formes d'onde correspondantes sur la feuille de mesure. Exprimer U ch en fonction de la tension d'alimentation E et du rapport cyclique α 2 qui caractérise le fonctionnement de K 2 (voir figure 4). 25) Placer un moteur à courant continu (à aimants permanents) en guise de charge. Vérifier que l'on peut contrôler à loisir sa vitesse de rotation, ainsi que son sens de rotation. Tension de consigne E=20V Cellules de commutation V cons + Porteuse triangulaire _ 0 1 Signal de commmande 1 LM311 MLI (TTL) + _ 0 1 DRIVER 1 K 1 K 2 M U ch i ch K 3 K 4 DRIVER 2 LM311 Signal de commmande 2 MLI (TTL) Figure 4 : structure de hacheur en pont complet (utilisation pour la commande d'un moteur à courant continu) P.TOUNSI, M. AIMÉ 5/6

III.2] L'onduleur monophasé : L'onduleur monophasé possède exactement la même structure que le hacheur 4 quadrants. Sa seule différence découle de la manière de le faire fonctionner : au lieu de choisir une tension de consigne constante V cons, on place un GBF pour délivrer un signal modulant sinusoïdal lentement variable. 24) A partir du schéma électrique de la figure 3, remplacer la tension de consigne constante V cons par un signal sinusoïdal lentement variable. Observer les formes d'onde de U ch et i ch. 25) A l'aide de l'oscilloscope numérique, visualiser la FFT de la tension U ch. A quelle fréquence se situe la raie fondamentale de U ch? Le spectre de U ch possède-t-il des raies harmoniques? Si oui, autour de quelle fréquence sont centrées ces raies harmoniques? Tracer le spectre de la tension de sortie U ch sur la feuille de mesures. 26) Essayer différentes fréquences et amplitudes de signal modulant, et réitérer les observations de la question précédente. Remplir le tableau ci-dessous résumant vos observations. Amplitude du signal modulant Fréquence du signal modulant (f mod ) Influence sur la raie fondamentale Influence sur les raies harmoniques Fréquence de découpage (f dec ) Tableau 1 : analyse de l'influence du signal modulant et de la fréquence de découpage sur le spectre de la tension de sortie de l'onduleur MLI. 27) Quels phénomènes limitent la plage d'utilisation (en amplitude et en fréquence) du signal modulant? P.TOUNSI, M. AIMÉ 6/6