TP n 14 Electrotechnique Titre : Redresseurs et Onduleurs sous PSIM I Redressement non commandé On considère un pont de Graëtz à 4 diodes supposées parfaites. La tension d entrée provient du secteur 230 V, 50 Hz. La charge est constituée d une résistance R = 46 Ω en série avec une inductance L = 2 H supposée suffisamment grande pour que le courant dans la charge i s (t) ne s annule jamais (régime de conduction continue). On le supposera quasiment constant (il sera noté I S ). 1.Reproduire le schéma de l installation proposé dans le fichier Redressement1.sch en y faisant figurer toutes les grandeurs électriques utiles (on notera e(t) la tension du secteur, i e (t) le courant qu il fournit et s(t) la tension aux bornes de la charge). Valider les données techniques imposées. Méthode des cathodes communes Méthode des anodes communes. 2. Au cours d une alternance positive de e(t), quelles sont les diodes qui conduisent et pourquoi? Comment s écrit s(t) dans ce cas? 3. Au cours d une alternance négative de e(t), quelles sont les diodes qui conduisent et pourquoi? Comment s écrit s(t) dans ce cas? 4. Dessiner e(t) et s(t) sur l oscillogramme 1 de la feuille annexe (graduer les axes et utiliser 2 couleurs ). 5. a) Choisir l une des 4 diodes du pont puis flécher, sur le schéma de la question 1, la tension à ses bornes et le courant qui la traverse ( la (1) par exemple ) b) Dessiner sur l oscillogramme 2, le graphe du courant traversant la diode choisie. c) Dessiner sur l oscillogramme 1, avec une troisième couleur, la tension aux bornes de la diode choisie. 2EM 2 2Eeff 6. Montrer que s(t) = π = π (où E M est l amplitude de e(t)). Calculer sa valeur numérique. 7. Exprimer <is(t)> en fonction de E M et R. Calculer sa valeur numérique. 8. En déduire la valeur de la tension <u R (t)>. Comment peut-on comprendre le fait que cette tension soit pratiquement constante en se basant sur un raisonnement de type filtrage? Quelle est la fréquence de coupure du filtre à considérer. 8. Donner l expression des puissances instantanées p E (t) et p S (t) fourni par la source et reçue par la charge. Calculer les puissances actives P E et P S reçue par la charge. Quel est le rendement du convertisseur? - 1 -
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II Onduleur pleine onde: 1- Repartons d un hacheurs 4 quadrants (réversible en courant et en tension) modélisé par le fichier Onduleur1Elève.psimsch. Il est ici représenté sans charge. Valider l ensemble des composants permettant le fonctionnement du hacheur. Quel est actuellement le rapport cyclique de fonctionnement? 2- Comment le modifier pour obtenir un onduleur pleine onde tel que : - f = 50Hz On rappelle : fond 1 us ( t) = U pour t nt, n + T 2-1 us ( t) = U pour t n + T, ( n + 1) T 2 - U = 230V s eff fond - 3 -
3- Après avoir effectué les calculs nécessaires du 2-, modifier le schéma et positionner une charge R = 10Ω. 4- Visionner la tension u s (t) et effectuer une analyse spectrale. Valider le cahier des charges du 2-5- On désire obtenir une intensité la plus sinusoïdale possible en sortie en choisissant une charge de type RLC série. Expliquer ce choix et déterminer la capacité nécessaire pour R = 10Ω et L = 1H. 6- Validez à l aide du logiciel les choix effectués en visualisant u s (t) et i s (t). Analyser la forme de i s (t) en revenant sur le facteur de qualité du filtre RLC. 7- Afficher successivement us et is puis ue et ie. Déterminer à chaque fois dans la fenêtre graphique le calcul de la puissance ( fournie par la source et reçue par la charge). Conclusion. 8- Quel est principal défaut de cet onduleur simple? III Redressement par capacité La plupart des systèmes de redressement de faible puissance ( alimentation de micro-ordinateur, chargeur de portable, ) font apparaître un pont de Graëtz suivi d une capacité et de la charge (R) en parallèle. 1. Charger le fichier Redressement 2.sch. Régler la valeur de la capacité du condensateur à 470 μf. Lancer la simulation. Visualiser dans SimView les tensions e(t) et s(t). Commenter leurs allures. On analysera en se basant sur la connaissance du montage «Détecteur de crête» vu en électronique lors du TP Modulation Démodulation. 2. Mesurer la valeur moyenne de s(t). Quelle est la conséquence du rajout du condensateur sur la tension s(t) par rapport au I? 3. Visualiser dans SimView les courants i e et i s. Commenter leurs allures. On pourra visualiser simultanément la e( t) grandeur. 10 4. Modifier la valeur de la capacité du condensateur en la portant à C =10 mf. Quel est la conséquence de cette modification sur la forme de la tension s(t)? En déduire le rôle du condensateur dans ce montage. 5. Dans cette nouvelle configuration, visualiser dans SimView les courants i e et i s. Quels problèmes mettez-vous en évidence? Pouvait-on prévoir cette difficulté par un raisonnement sur les sources d entrée et de sortie? - 4 -
IV Alimentation d un hacheur à partir du réseau : On propose de simuler une chaîne de conversion d'énergie alternatif/continu non réglable suivi d'une chaîne de conversion continu/continu réglable. L'objectif est l'entraînement d'une charge mécanique de type ventilateur à vitesse variable. 1. dans chaque case, indiquer la fonction de l'élément encadré. 2. donner deux raisons qui font que la chaîne de conversion d'énergie n'est pas réversible en puissance. 3. Charger le fichier Redressement3.sch 4. Afficher la tension redressée V red et la tension redressée filtrée (V red_filtrée ). Mesurer sa valeur moyenne et conclure. Retrouver mathématiquement cette valeur. 5. Afficher le courant dans l'inductance L bf de 1H et demander au logiciel la décomposition correspondante en série de Fourier (fonction FFT). Conclure. 6. A partir des mesures nécessaires, calculer la puissance moyenne P hach fournie à l'entrée du hacheur série. En déduire la valeur de la puissance moyenne en sortie du redresseur P red. 7. Afficher le courant secteur et la tension secteur. Utiliser la fonction FFT pour calculer la puissance moyenne P res fournie par le réseau. Conclure. 8. Afficher le courant à l'entrée du hacheur, mesurer sa valeur moyenne et retrouver par le calcul cette valeur. 9. Afficher le courant dans l'inductance L hf. Le rapport cyclique de la commande est de 0,75 et la fréquence de découpage de 1000Hz. Faire les mesures nécessaires pour calculer la puissance P MCC fournie à la MCC dont les paramètres sont : ke = kc = 1 Nm/A ; R = 1mΩ ; L = 1mH. 10. La charge est régie par l'équation Cr = 0,0636.Ω (Ω la vitesse de rotation en rd/sec). En négligeant les pertes mécaniques, calculer la puissance mécanique P méc reçue par le ventilateur. Mesurer la vitesse N et retrouver cette valeur par le calcul. V Onduleur à commande décalée 1- Pour supprimer les premières harmoniques on réalise un onduleur à commande décalée : - 5 -
figure 1 figure 2 figure 3 La tension v aux bornes de la charge et l intensité i sont représentés à la figure 2, l intensité i peut être considérée comme sinusoïdale. Indiquer sur la figure 3, en suivant le modèle proposé pour T 1,T 2,T 3 et T 4, les intervalles pendant lesquels les diodes sont traversés par un courant. 3 ) On définit les différentes phases de fonctionnement : alimentation : puissance fournie à la charge récupération : puissance fournie à la source roue libre : pas d échange de puissance. Indiquer sur la figure 3 les différentes phases de fonctionnement. 4 ) La tension efficace V de v doit être de 220 V. Calculer la tension continue d alimentation. 5 ) Charger le fichier PSIM : Onduleur3Elève.psimsch. Observer les tensions V controle1 et V controle2 ainsi que le câblage de l onduleur pour valider qu on réalise ici une commande décalée de 60. Observer la tension v, correspond-elle à la forme obtenue? 6 ) Dans Analysis, lancer Perform FFT. Quel est l effet du décalage de la commande sur le spectre de la tension obtenue. - 6 -
T 7 ) Validation théorique : on démontre que si s(t) possède la symétrie de glissement s( t + ) = s( t) : il n y a 2 aucun terme de rang pair dans la décomposition. En effet tout les termes de la décomposition doivent posséder la même propriété ce qui n est vrai que pour les harmoniques impaires. On montre alors que : ( ) cos ( ) π 2 4E an = u θ nθ dθ π avec n impair et θ = ω t 0 En déduire la valeur de E pour avoir un fondamental de valeur efficace 220 V ( en supposant un filtrage parfait par la suite ) et la valeur θ 1 du basculement E 0 pour éliminer l harmonique 3. - 7 -