P6 : ALIMNAION A DCOUPAG : HACHUR SRI CONVRISSUR SAIQU ABAISSUR D NSION INRODUCION Le réeau alternatif indutriel fournit l énergie électrique principalement ou de tenion inuoïdale de fréquence et d amplitude fixe (50 Hz-220 V). Le batterie d accumulateur ou le photopile olaire génèrent quant à elle de tenion continue fixe (48 V, par exemple). Or, de nombreue application néceitent de tenion et de fréquence autre que celle qui ont impoée par le réeau ou le batterie, et parfoi continûment variable. Cette converion d énergie, autrefoi réaliée par de convertieur électromécanique et aujourd hui eentiellement effectuée, dan un large domaine de puiance, par de convertieur tatique de faible entretien, moin volumineux et plu performant, qui e ont développé grâce aux progrè contant de compoant électronique de puiance. Leur application concernent le alimentation de ecour, de écurité et de nombreux appareillage indutriel et dometique (ordinateur, télévieur, ), mai aui l électrochimie et l électrométallurgie, le conditionnement de l électricité et, enfin, la variation de vitee de machine électrique tournante. Cette dernière utiliation intervient dan le domaine de la traction électrique, mai aui dan toute le technique de fabrication, de plu en plu complexe du fait de exigence croiante (au niveau de produit fini: qualité, prix, économie d énergie...) de l indutrie moderne (robotique, automobile, aéronautique ). OBJCIFS D LA MANIPULAION Le but principal de cette manipulation et l'étude du fonctionnement d'un convertieur abaieur de tenion ("buck converter") commandé par modulation de largeur d'impulion (M.L.I.) (Figure 1). L'alimentation choiie entre dan la clae de convertieur tatique de type alimentation à découpage. On verra pa à pa comment, à partir d'une ource de tenion continue, on peut alimenter une charge électrique ou tenion pratiquement continue et réglable. i e Convertieur D C i Source v e D C Charge α (Commande) Figure 1 1
A l'iue de la manipulation, (et aprè conultation du cour et de D), l'étudiant doit avoir aborder ou traiter le notion uivante : - Fonctionnement d un hacheur érie. - Méthode de commande par modulation de largeur d'impulion (principe, rapport cyclique). - Forme d onde lor d un fonctionnement ur charge réitive et expreion de la tenion de ortie moyenne. - Influence de l inductance de filtrage et de la fréquence ur l ondulation du courant de ortie du hacheur. - Influence de la capacité de ortie et de la fréquence ur l ondulation de tenion en ortie du convertieur, aux borne de la charge. RAVAIL PRLIMINAIR Outre la lecture complète de la manipulation, un exercice préliminaire (ignalé dan la marge par un trait brié), permettant de mieux comprendre la démarche et la problématique d une alimentation à découpage, vou et propoé. MARILS MIS À DISPOSIION - une alimentation continue réglable 0-60V 20A, - une platine de commande de hacheur (Figure 2), - un hacheur 80V/10A (Figure 3). - 2 réitance de 6,8 Ω et 10 Ω et 2 rhéotat (33 Ω, 6 A et 10 Ω), - une boîte de elf, - une boite de condenateur, - une onde de courant intantané 20A, - un ocillocope numérique. Figure 2 Figure 3 2
PRCAUIONS RCOMMANDAIONS Il et impératif de faire vérifier tou le montage à chaque modification. Ne pa dépaer 10A de courant moyen de charge! Lorqu'un nouveau montage et demandé, ne pa décâbler ytématiquement le précédent avant d'avoir vérifié i une partie ne peut pa être conervée! 3
MANIPULAION Comment réalier une converion continu/continu (dc/dc)? Une telle alimentation a pour fonction, à partir d'une ource de tenion fixe, de délivrer de tenion continue table et variable. Outre le fait que la tenion fournie doit être indépendante de la charge (du moin dan une certaine plage de fonctionnement), le rendement de ce dipoitif et ouvent un facteur primordial, notamment lorqu il ont utilié dan le ytème embarqué. Le cahier de charge et donc d avoir une tenion table (indépendante de la charge) avec un rendement le meilleur poible. Décrivon quelque dipoitif permettant de faire cette converion dc/dc et déterminon leur avantage et inconvénient. 1. n utiliant de pont divieur de tenion (voir le D correpondant) - Déterminer la tenion V ch aux borne de la charge pour le dipoitif ci deou : V = R 1 V R ch Convertieur abaieur dc/dc - Comment appelle t-on couramment ce circuit? - Ce circuit a t-il une tenion table quand la charge varie? - Pour quelle valeur de R 1 et R ch ce dipoitif de converion à un rendement maximum? - Quel élément introduit de perte dan la converion? - Déterminer la tenion V pour le dipoitif ci deou : V = R 1 R 2 V R ch Convertieur abaieur dc/dc Figure 4 - On uppoe que R ch >>R 2 : Quel conéquence cette hypothèe a ur : La tabilité de la tenion V vi à vi de variation de la charge ; Le rendement du dipoitif. - On uppoe que R ch <<R 2 : Quel conéquence cette hypothèe a ur : 4
La tabilité de la tenion V vi à vi de variation de la charge. Le rendement du dipoitif. - Pour une valeur quelconque de R ch, quelle et la relation entre R 1 et R 2 qui permet d avoir un rendement maximum. Deinez le chéma électrique du montage de la figure 4 en utiliant un rhéotat de 10 Ω pour fixer le valeur de R 1 et de R 2 pour avoir un rendement maximum et en y intégrant un Wattmètre pour meurer la puiance diipée dan la charge aini qu un ampèremètre et un voltmètre pour meurer le courant et la tenion moyenne aux borne de la charge. La charge era compoée d une réitance de 6,8 Ω pouvant être mie en érie ou en parallèle avec une réitance de 10 Ω. Réaliez le montage et faite vérifier le chéma et le montage par un eneignant. Rempliez le tableau 1 ci-deou en fixant = 10V. Concluion par rapport au cahier de charge? R ch (Ω) 4 6,8 10 16,8 V (V) P ch (W) η tableau 1 2. n utiliant une alimentation à découpage Pour augmenter le rendement de convertieur continu/continu, le principe développé dan le alimentation à découpage et de découper la tenion (cellule hacheur) pui de la filtrer. Ce type d'alimentation a de rendement de l ordre de 65 à 90% par rapport aux alimentation à régulation linéaire dont leur rendement de 35 à 55% (principalement dû à la puiance diipée dan le tranitor ou la diode ballat). La puiance volumique de alimentation à découpage et aini bien meilleure. Leur principaux avantage et inconvénient ont développé au cour de ce P. 1 - UD D LA SRUCUR HACHUR SRI 1-1 Fonctionnement de la platine de commande par Modulation de Largeur d Impulion (MLI) On e propoe d'étudier la platine repréentée ur la Figure 2. Cette platine MLI délivre un ignal carré de rapport cyclique α variable (voir la figure 5), utiliable pour piloter le commutation d'un interrupteur de puiance. 5
V com : période de découpage α = θ : rapport cyclique 15V 0 θ t Figure 4 - Faire varier le rapport cyclique et oberver à l'ocillocope la tenion de ortie V com. - Vérifier rapidement la variation du rapport cyclique. - Relever la valeur minimale et maximale de la fréquence de découpage. 1-2 Notion de valeur moyenne La commande par MLI fixe la durée du cycle de bae, appelée période de découpage. On définit alor pour toute variable du temp f(t) la valeur moyenne "dynamique": 1 f ( t) = t t f (τ) dτ Propriété : i f(t) et périodique, alor f et contante. Remarque : La valeur moyenne et aui notée parfoi f (t). 1-3 Étude du hacheur ur charge réitive Le hacheur (voir Convertieur de tenion dc/dc Figure 5) et contitué d'un tranitor MOS (repréenté ur la figure par l interrupteur K) de puiance IRF 540 et d'une diode rapide (appelée D ur la figure) de puiance "BYW 81 PI 200". Le tranitor et protégé en courant au-delà de 10A. Le ordre de commutation ont envoyé à traver un optocoupleur intégré à la platine de commande MLI de manière à ioler électriquement la commande du circuit de puiance. Le ignal remi en forme et amplifié avant de commander l interrupteur. Le tranitor K travaille en commutation : - il et paant (fermé) lorque l'on applique une tenion comprie entre 10V et 18V ur la grille par rapport à la ource et e comporte alor comme une trè faible réitance R DS(on) =77mΩ; - il et bloqué (ouvert) lorque l'on applique une tenion de 0V ur la grille par rapport à la ource. Réalier le montage de la Convertieur de tenion dc/dc Figure 5, la charge étant une réitance de puiance de 10 Ω. Ajuter la ource de tenion continue à 30 V. Utilier un câble coaxial pour envoyer la commande au hacheur. Le principe de la onde de courant et donné dan l annexe ur le intrument de meure. Sa principale fonction et d'ioler électriquement la meure du circuit de puiance. 6
COMMAND M.L.I. 30V K D i Charge R ch R V Sonde de courant Ocillo voie1 mae ocillo (voie1) Ocillo voie2 mae ocillo (voie2) Convertieur de tenion dc/dc Figure 5 Régler la fréquence de découpage à 10 khz. Relever la forme de la tenion aux borne de la charge et le courant dan celle ci. Vérifier que l'on a eniblement v = α (pour 2 à 3 valeur de α) et expliquer cette relation à partir de la forme de la tenion et en vou aidant du 1-2. Fixer la valeur de α à 0,5 et rempliez le tableau 1 pour le même valeur de réitance de charge. Concluion par rapport au cahier de charge? Le convertieur élémentaire (tructure hacheur) nou permet d obtenir une tenion périodique poitive aux borne de la charge, dont la compoante continue et réglable. L ondulation de tenion étant cependant importante : nou allon étudier dan la uite le olution pour la réduire. 2 - PRINCIP D'UN ALIMNAION A DCOUPAG CONINU-CONINU : CAS D L'ABAISSUR D NSION Le but de cette partie et de contruire pa à pa un filtre afin d'obtenir une tenion de ortie pratiquement continue et réglable aux borne de la charge. Le réglage de cette tenion 'effectue communément au moyen du rapport cyclique, à fréquence de découpage contante. 2-1 Filtrage du courant de ortie du hacheur en utiliant une elf en érie 2.1.a tude de la compoante continue - Réalier le montage de la Convertieur abaieur de tenion dc/dc Figure 6. Prendre L=500µH. 7
v L 30V K D v D L i Charge R R ch V Sonde de courant Ocillo voie1 mae ocillo (voie1) Ocillo voie2 mae ocillo (voie2) Convertieur abaieur de tenion dc/dc Figure 6 - Relever la forme du courant dan la charge et la comparer avec la forme relevée précédemment an inductance. Relever la tenion moyenne aux borne de l inductance. xpliquer votre meure. Vérifier rapidement que l'on a toujour v = α Fixer la valeur de α à 0,5 et rempliez le tableau 1 pour le même valeur de réitance de charge Concluion par rapport au cahier de charge? Remarque : Une meure imple du rapport cyclique peut être réaliée en déplaçant la voie 1 de l'ocillocope jute en ortie du hacheur. Cette remarque et valable pour toute la uite du P. 2.1.b tude du taux d ondulation - Pour une fréquence de découpage de 10kHz et un rapport cyclique de 0,5 oberver qualitativement l'influence de la valeur de l'inductance ur la forme de la tenion de ortie. Couper la commande du hacheur pour changer d inductance afin d'éviter de urtenion. - Oberver qualitativement l influence d une augmentation de la fréquence ur l ondulation de courant pour une inductance fixe. 2-2 Filtrage de la tenion de ortie aux borne de la charge par un condenateur 2.2.a tude de la compoante continue - Réalier le montage de la Figure 7 (connecter un condenateur de ortie). Utilier une elf de 1,5mH et un condenateur chimique de 220µ F. Faire vérifier le montage! Attention à la polarité de condenateur chimique! 8
Source 30V K D L C i i Charge R R ch V Sonde de courant Ocillo voie1 mae ocillo (voie1) Ocillo voie2 mae ocillo (voie2) Convertieur Abaieur de tenion Figure 7 Relever le courant moyen aux borne du condenateur. xpliquer votre meure. Vérifier rapidement que l'on a toujour v = α Fixer la valeur de α à 0,5 et rempliez le tableau 1 pour le même valeur de réitance de charge Concluion par rapport au cahier de charge? 2.2.b tude de la compoante alternative - Pour une fréquence de découpage de 10kHz et un rapport cyclique de 0,5 oberver qualitativement l'influence de la valeur ( 10 µ F, 220µ F, 1,4mF ) de la capacité du condenateur ur la forme de la tenion de ortie, et en particulier l'ondulation réiduelle. - Conclure ur l influence de la valeur de la capacité ur l ondulation de tenion en ortie 2-3 Étude du courant dan la elf en régime de conduction continue (i ne 'annule jamai) Pour a=0.5, une charge fixe de à 10Ω, une elf de 500µH et un condenateur 220µF relever le fome de courant i(t), i (t) et ic(t). (1 α) α Imax + Imin Vérifier pour 2 à 3 valeur de α que le deux relation i= et i = ont L F 2 vérifiée. 2-4 Mode de conduction continue, critique et dicontinue - oujour ur le montage de la rreur! Source du renvoi introuvable., régler la fréquence de découpage au voiinage de 5kHz. Faire varier le rapport cyclique et contater l'apparition du mode de conduction dicontinue du hacheur (annulation du courant i pendant un certain intervalle de temp ur chaque période de découpage). Vérifier expérimentalement que, dan ce ca, la relation = α n'et plu vérifiée. Durant ce régime de conduction dicontinue du hacheur, 3 phae de fonctionnement apparaient ditinctement. - Deiner le différent circuit électrique équivalent pour chacune de ce 3 phae. Le interrupteur du circuit (le tranitor K et la diode D) eront repréenté par un fil (courtcircuit) à l état paant (fermé) et par un circuit ouvert à l état bloqué (ouvert). 9
2-5 Caractéritique de ortie Variation de la charge : - Garder le montage de la rreur! Source du renvoi introuvable. et régler la fréquence de découpage au voiinage de 10kHz. Pour une réitance de puiance de 16,8 Ω, pui de 4 Ω vérifier expérimentalement que l on et bien en conduction continue et que la relation = α et toujour vérifiée. Calcul du rendement: - Calculer la puiance fournie par la ource d'entrée, pour une réitance de charge de 10 Ω et un rapport cyclique de 0,5. - Meurer cette puiance (montage de la rreur! Source du renvoi introuvable.). - Meurer la puiance fournie à la charge. - timer le rendement de cette tructure - Déterminer le différente caue de ce perte. 3- CONCLUSIONS - Quel ont le olution pour diminuer l ondulation de courant? - Quel ont le olution pour diminuer l ondulation de tenion? - Avantage et inconvénient de ce olution. Il et en effet évident que la démarche d un concepteur d alimentation à découpage et l invere de celle adoptée dan le P. A partir d un cahier de charge préci (tenion de ortie, ondulation de ortie acceptable, type de charge ), il devra dimenionner le diver élément de l alimentation : Le emi-conducteur en fonction de tenion à upporter à l'état bloqué, et de courant (moyen et/ou crête) le traverant à l'état paant, aini que leur technologie en fonction de la fréquence de découpage choiie ; Dimenionner le compoant paif et choiir leur technologie (circuit magnétique de l inductance, type de condenateur : chimique, polypropylène, céramique ) ; Veiller à un bon aemblage de l enemble de compoant (prie en compte de câblage, en particulier le inductance paraite aociée) et à une optimiation du volume total du convertieur pour une bonne intégration au ein du ytème global. Nou avon pu oberver dan le P que l augmentation de la fréquence de découpage entraîne une diminution de la valeur de compoant paif (L et C ) et par conéquence de leur volume et de leur coût (urtout vrai pour l inductance). Il devient alor trè intéreant d augmenter le fréquence de découpage, mai ceci ne 'obtient pa an inconvénient quand on dépae la centaine de kilohertz (augmentation de perte par commutation dan le interrupteur, problème de Compatibilité lectromagnétique (CM), apparition de phénomène tel que l effet de peau dan le pire de inductance, augmentation de perte dan le circuit magnétique...). out ceci met en évidence la complexité de la conception d une alimentation à découpage et plu généralement de ytème électrique, qui néceite la prie en compte de interaction entre le phénomène électrique, magnétique mai aui thermique et mécanique. 10
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ANNXS Annexe 1 Rappel ur le inductance et le condenateur Propriété de bobine linéaire et d'inductance contante : Rappel u(t) i(t) Φ(t) = L i(t) (Φ Flux magnétique total embraé par la bobine), dφ(t) u(t) = (loi de Faraday, convention récepteur), dt di(t) d où : u (t) = L. dt Propriété de la tenion moyenne aux borne de l'inductance ur une période de découpage 1 t 1 t di L t L u(t) = u( )d L d [ i( )] ( i(t) i(t )) τ τ = τ = τ t = τ t ; t dτ i i(t) et périodique i(t) = i(t ) d'où u = 0. La valeur moyenne de la tenion aux borne d'une inductance parcourue par un courant périodique et nulle. Propriété de condenateur linéaire et de capacité contante : u(t) i(t) q(t) = C u(t) (quantité de charge tocké par la capacité), dq(t) i(t) = (définition du courant), dt du(t) d ou i(t) = C. dt Propriété du courant moyen traverant un condenateur ur une période de découpage 1 t 1 t i(t) = i( )d τ τ = t t du C C dτ = dτ C t [ u( τ) ] = ( u(t) u(t τ) ) t i u(t) et périodique u(t) = u(t ) d'où i = 0. ; La valeur moyenne du courant traverant un condenateur oumi à une tenion périodique et nul. Annexe 2 xpreion de l ondulation de courant dan la elf en régime de conduction continue 12
AUR RIPHAS 1.1.1.1.1.1 de phae rotation P Conidéron le montage de la Figure 8. v L i i K D v D L C Charge R Figure 8 L'alimentation, pilotée par M.L.I., et uppoée travailler en régime permanent, c'et à dire périodique : La tenion moyenne de ortie v et donc contante. De plu, l'ondulation de la tenion de ortie et uppoée négligeable, donc elf et alor celle repréentée ur la Figure 9. i i v v. La forme d'onde du courant dan la i M α Τ (1 α)τ i m 0 (n-1) n t Sur une période quelconque [ n 1), n] Figure 9 ( nou avon, ur l'intervalle où l'interrupteur et v fermé et où le courant croît i M = i m + α, d'où : L v i = i M i m = α. (1) L Par ailleur v (t) = v (t) v (t) et donc v (t) = v (t) v (t). Or en régime permanent D L + D L + (donc périodique) v L = 0 d où v D (t) = v (t). De plu, en régime de conduction continue v D = α, ce qui donne = α. n remplaçant dan (1) il vient : α(1 α) α(1 α) i = =. L LF Remarque : On montre que l'ondulation réiduelle de tenion crête à crête (dan le ca ou elle et faible) a pour expreion : i v = 8C (1 α) α = 8LC F. 13