Sommaire
publicité
Sommaire Remerciement ..........................................................................................................................................................2 Avant propos ............................................................................................................................................................3 Introduction...............................................................................................................................................................4 I. Présentation de l’entreprise ...................................................................................................................................5 I.1. Historique de Hager ...................................................................................................................................... 5 I.2. Le groupe Hager ........................................................................................................................................... 6 I.2.1. Les offres: .............................................................................................................................................. 6 I.2.2. Les clients: ............................................................................................................................................. 7 I.2.3. Les sites de production: ......................................................................................................................... 7 I.2.4. Quelques chiffres: .................................................................................................................................. 8 I.3. Hager : site d’Obernai ................................................................................................................................... 8 I.4. SEDI .............................................................................................................................................................. 9 II. Le cadre du projet...............................................................................................................................................10 II.1. Protection électrique .................................................................................................................................. 10 II.1.1. Types de protection: ........................................................................................................................... 10 II.1.2. Produits différentiels (RCD : Residual Current Devices): .................................................................... 11 II.1.2.1. Dépendant de la tension du secteur: ........................................................................................... 11 II.1.2.2. Indépendant de la tension du secteur:......................................................................................... 12 II.2. Fonction mesure des produits Hager ......................................................................................................... 12 II.3. Problématique ............................................................................................................................................ 13 II.3.1. Contexte: ............................................................................................................................................ 13 II.3.2. Enjeux: ................................................................................................................................................ 13 II.3.3. Définition du produit étudié: ................................................................................................................ 14 II.3.4. Fonctionnement de la fonction mesure: .............................................................................................. 15 II.3.4.1 Le tore: ......................................................................................................................................... 15 II.3.4.2. Plaquette électronique: ................................................................................................................ 16 II.3.4.3 Relais: .......................................................................................................................................... 17 II.4. Cahier des charges fonctionnelles ............................................................................................................. 18 II.4.1. Analyse fonctionnelle de la fonction mesure à assistance électronique:............................................. 18 II.4.1.1. Expression du besoin, diagramme « bête à corne »:................................................................... 18 II.4.1.2. Diagramme des interactions: ....................................................................................................... 19 II.4.2. Planning: ............................................................................................................................................. 20 III. Travail réalisé ....................................................................................................................................................21 III.1. Recherche bibliographique ........................................................................................................................ 21 III.1.1. Diode: ................................................................................................................................................ 21 III.1.2. Transistor bipolaire: ........................................................................................................................... 21 III.1.3. Transistor MOSFET: .......................................................................................................................... 22 III.1.4. Thyristor: ............................................................................................................................................ 23 III.1.5. Avantages et inconvénients: .............................................................................................................. 23 III.2. Choix du composant ................................................................................................................................. 24 III.2.1. Type du composant: .......................................................................................................................... 24 III.2.2. Choix d’un MOSFET à partir d’un Datasheet: .................................................................................... 25 III.3. Simulations................................................................................................................................................ 25 III.3.1. Résultats obtenus avec LTspice: ....................................................................................................... 26 III.3.1.1. solution actuelle à base de transistors: ....................................................................................... 26 III.3.1.2 Solution optimisée à base de MOSFET: ...................................................................................... 30 III.3.2. Résultats obtenus avec Pspice: ......................................................................................................... 33 III.3.2.1. Solution actuelle à base de transistors: ...................................................................................... 33 III.3.2.2 Solution à base de MOSFET: ...................................................................................................... 34 III.4. Validation .................................................................................................................................................. 35 III.4.1. Commande de composants: .............................................................................................................. 35 III.4.2. Validations: ........................................................................................................................................ 36 III.4.2.1. Solution actuelle à base de transistors: ...................................................................................... 36 III.4.2.2. Solution à base de MOSFET: ..................................................................................................... 41 III.3.2.3. Robustesse:................................................................................................................................ 43 III.3.2.4. Performances: ............................................................................................................................ 45 III.4. Conclusion ................................................................................................................................................ 46 III.4.1. Gain: .................................................................................................................................................. 46 III.4.2. Travail restant: ................................................................................................................................... 46 Conclusion.............................................................................................................................................................. 47 Bibliographie...........................................................................................................................................................48 Annexes .................................................................................................................................................................49 Remerciement Avant de présenter l’entreprise et le travail que j’ai réalisé, je tiens à remercier HAGER ELECTRO et Monsieur Hichem CHETOUANI, mon responsable de stage pour l’opportunité de stage qui m’a été offerte et de m’avoir encadré. Je remercie également Monsieur Edouard LAROCHE d’avoir été mon tuteur et de m’avoir suivi. L’objectif de ce stage était de découvrir une entreprise et d’en apprendre plus encore sur la vie active. Mon idée sur le monde du travail était telle que jamais je n’aurais pensé trouver une telle diversité de pratique, des personnels aussi dynamiques, disponibles et actifs. Un grand merci à l’ensemble du personnel de l’usine d’Obernai pour son accueil. Ils ont su, grâce à une organisation parfaite, me faire découvrir la société et rendre mon travail aussi agréable qu’efficace. Je tiens aussi à remercier les stagiaires qui, par leur gentillesse et leur disponibilité, ont rendu ce stage très agréable. Enfin, j’exprime ma reconnaissance à toutes les personnes que j’ai rencontrées et sollicitées tout au long des 20 semaines que j’ai passées dans l’entreprise HAGER ELECTRO. J’ai été très sensible au remarquable accueil qui m’a été réservé, partout et à tout moment. 2 Avant propos Dans le cadre de formation en deuxième année de Master Mécatronique et Energie à l’Université De Strasbourg, j’ai réalisé mon stage de fin d’études, d’une durée de 20 semaines, au sein de l’entreprise HAGER ELECTRO sur le site d’Obernai. Ce stage de fin d’études réalisé lors du second semestre de la dernière année à l’Université De Strasbourg est une étape déterminante de la scolarité. Car il nous permet de mettre en pratique nos acquis et de compléter notre formation avec de véritables enjeux autant pour nous en tant que futurs ingénieurs que pour l’entreprise cliente. Travailler pour le groupe HAGER fort de son expérience, de son leadership en Europe en matière d’éléments de sécurité électrique, était pour moi l’occasion d’intégrer le bureau d’études d’un grand groupe et de développer des produits destinés à la fabrication en grandes séries. C’était également pour HAGER, l’opportunité d’accueillir un étudiant avec regard nouveau sur l’approche de recherche de solutions. 3 Introduction Au cours de mon stage de fin d’étude, au sein de l’usine de HAGER sur le site d’Obernai, j’ai pu intégrer le bureau d’étude en recherche et développement. Le sujet du stage est: L’optimisation de l’étage d’électronique de puissance de la fonction mesure à assistance électronique. Le sujet de stage porte sur la brique électronique d’un interrupteur différentiel. La partie fonction mesure à assistance électronique et précisément son étage électronique de puissance. Une partie assez importante de l’énergie nécessaire au déclenchement du relais est perdue dans les composants de commande. Ce projet s’inscrit dans le cadre global de la recherche, de l’innovation et de l’amélioration des performances des produits de protection modulaire qui permet à l’entreprise de rester compétitive face à la concurrence. Tout d’abord, je vais vous présenter l’entreprise HAGER, un des leaders européens de la distribution électrique modulaire pour industriels et particuliers, puis tout particulièrement le site Hager d’Obernai. J’expliquerai ensuite le principe de fonctionnement d’un interrupteur différentiel. Le rôle et les enjeux de l’optimisation des performances du produit. Enfin, suivra la présentation du travail que j’ai effectué durant ces 20 semaines. 4 I. Présentation de l’entreprise I.1. Historique de Hager 1955: Hager fut créé à Ensheim (en Sarre, région rattachée à cette époque là à la France), par Messieurs Oswald et Hermann Hager avec leur père. 1959: L'entreprise s'installe également en Alsace dans la ville d’Obernai et se spécialise progressivement dans la fabrication d'accessoires pour l'installation électrique. 1962: Mise en route de la nouvelle usine de 1500 m² qui vient d’être construite à Obernai et naissance du logo Hager et de l’identité visuelle de la marque. 1968: Après la normalisation du tableau d'abonné, Hager est le premier à industrialiser et se tourne spécifiquement vers l’installation électrique. 1970: Hager sort le premier coupe-circuit modulaire sur le marché français. 1982: Installations des premières filiales en Europe. Une 3ème unité de production est construite à Blieskastel (Allemagne). 1988: Hager propose des produits pour la distribution électrique dans les locaux professionnels et les immeubles tertiaires sont proposés. L'usine d'Obernai se spécialise dans la production des appareillages modulaire et les sites de Blieskastel et d'Ensheim, dans la fabrication des enveloppes. 1991: Hager se lance dans le premier système d’installation communiquant. La domotique avec Immo Tébis. 1992: Hager prend contrôle de Lumetal (Italie), spécialisée dans le coffret étanche en polyester et dans l'armoire métallique. 1993: Hager ouvre en Australie et en Asie du Sud Est des filiales commerciales. 1996: Le groupe Hager s’acquit de la société Tehalit et propose donc des modèles de goulottes complètes et élargit ainsi son offre toujours au service de l’installation électrique. 1998: Afin de développer sa technique dans le domaine des produits à composant électronique, Hager reprend la société Flash (Alsace). Durant la même année, cette entreprise a fortifiée sa présence au Royaume Uni grâce à l'acquisition de Ashley&Rock. 2001: A Rio de Janeiro, il y eut la création de la joint venture Electromar, destinée à l’élaboration de matériel électrique pour le marché brésilien, par Culter Hammer. 5 2002: L’entreprise Polo, acteur important dans la catégorie des interrupteurs et prises en Pologne, est acquis par Hager. 2003: Sanvis, la première gamme modulaire à bornes à connexions rapides est lancée par Hager pour changer le quotidien de l’artisan. 2004: Atral, le chef de la sécurité intrusion sans fil ainsi que Weber, le leader suisse du tableau de distribution et des secteurs fusibles pour les locaux professionnels sont contrôlés par Hager. I.2. Le groupe Hager Créé en 1955, le Groupe Hager gagne la confiance des professionnels de l’installation et de la distribution électrique grâce une offre innovante, sa présence sur les marchés et sa dynamique d’entreprise. Le savoir-faire des spécialistes expérimentés, tels que Ebo, Tolmega, CES, Daitem et Diagral, considérés dans toute l’Europe comme des professionnels dans leurs domaines d’activités, sont également rassemblés par le groupe Hager. Figure. 1 hager groupe Dans l’habitat et les locaux professionnels, Hager est un fournisseur complet de systèmes d’installation électrique pour les bâtiments. Pour toutes ces offres de solutions, les avantages apportés au client se situent au premier plan. De plus, le fabricant entretient un dialogue constant avec celui-ci. Dans ce contexte, une grande importance est reliée à la facilité de montage et au confort d’utilisation. I.2.1. Les offres: Figure. 2 Les offres 6 L’offre de produits et de services se compose de 4 grands volets : - le tableau de distribution modulaire, sous la marque Hager, comprenant les coffrets, armoires, connexions, appareillage modulaire et appareillage de tête. - l’installation décentralisée avec les systèmes de goulottes, sous la marque Tehalit, et les prises, interrupteurs, connexions courant faible destinés à être posés en encastré ou dans les goulottes sous la marque Hager. - les modules et systèmes de commande et d’automatisme du bâtiment, sous les marques Hager ou Flash, permettant la gestion du confort et de l’énergie, la mise en œuvre d’installations domotiques pilotées par bus ou radio. - les systèmes de sécurité totalement sans fil tels que l’alarme, l’interphonie, la vidéo-sécurité et la motorisation de portail sous la marque Logisty. Et pour apporter une réponse globale en matière de sécurité, Logisty propose en complément des systèmes d’alarme, une offre de télésurveillance. I.2.2. Les clients: Les principaux clients sont des installateurs électriciens, des artisans et des entreprises qui s’approvisionnent auprès des distributeurs professionnels. Grâce à une grande pratique du métier de l’installation électrique associée à une collaboration intense avec tous les maillons de la filière électrique, les systèmes de produits que propose Hager réunissent une facilité d’installation, esthétique fonctionnelle, confort et sécurité. Plus que des produits, Hager conçoit avant tout des solutions innovantes, techniques et économiques. I.2.3. Les sites de production: Figure. 3 En Europe Figure. 4 Dans le monde 7 Les 12 sites de production en Europe : - Allemagne: Blieskastel, Ensheim, Heltersberg Angleterre: Telford Espagne: La Roca Del Valles France: Annecy, Bischwiller, Crolles, Obernai, Saverne, Villers-LaMontagne Italie: Porcia I.2.4. Quelques chiffres: Chiffres clés en 2010 Chiffre d’affaires 1,42 milliard € Effectif 11 200 Sites de production 20 Implantations commerciales 63 Chiffres clés Recherche et Développement (R&D) Ingénieurs et Techniciens en 660 R&D CA annuel investi en R&D 5,5% Durée de vie des produits 65 % des produits ont moins de 3 ans Figure. 5 Chiffres clés 2010 I.3. Hager : site d’Obernai Figure. 6 Hager Electro SAS Obernai Composant près de 2500 collaborateurs, Obernai constitue le plus important site du groupe Hager. La société est spécialisée en montage d’appareillage modulaire de protection. 8 La production est subdivisée en 4 usines spécialisées et autonomes : - U1 : Disjoncteurs unipolaires U2 : Interrupteurs différentiels, Disjoncteurs Phase/Neutre, GTE* et disjoncteurs multipolaires U3 : Blocs différentiels U6 : Disjoncteurs différentiels (situé à Bischwiller) L’activité de production repose sur 3 savoir faire : - - - L’injection des matières plastiques : 12 tonnes de matières premières sont transformées par jour soit 2800 tonnes par an pour obtenir 570 millions de composants. La transformation des métaux : Il existe 4 types de transformations par enlèvement de matière : découpe, pliage, taraudage et dénudage. 3000 tonnes de métaux sont transformées chaque année soit 1500 milliards de composants. L’assemblage : Pièces et composants permettent de réaliser 50 millions de modules d’appareillage à partir de postes manuels ou de lignes automatiques. Le site d’Obernai est à la fois : - - Le carrefour international des activités de communication : le “ Forum ”, centre d’information et de formation, reçoit chaque année près de 7000 visiteurs venus du monde entier. Au cœur des activités commerciales en Europe Latine, dans les Îles Britanniques et hors Europe, le centre des activités marketing, de recherche-développement et de fabrication de l’appareillage modulaire. I.4. SEDI Figure. 7 Plan du site 9 Durant toute la durée de mon stage, j’ai été affecté à la cellule bureau d’étude du Service Etude Développement et Industrialisation (SEDI). Il est en charge du développement des appareillages de protection de lignes et de l’étude de leurs moyens d’industrialisation. Il est composé d’environ 150 ingénieurs et techniciens qui développent les fonctions techniques et les produits finis. À chaque gamme de produits est affectée une équipe constituée des différents corps de métiers. Organigramme de l’entreprise: Figure. 8 Organigramme entreprise II. Le cadre du projet II.1. Protection électrique II.1.1. Types de protection: Figure. 9 Protection électrique 10 Il existe deux types de protection: - La protection des biens: Il s’agit de la protection des circuits électriques et des biens en cas de court-circuit ou de surcharge. Elle est assurée par plusieurs types de produits: disjoncteurs, fusibles, parafoudres, etc. - La protection des personnes: Il s’agit de protection des personnes contres les deux types de risques électriques les plus répondus: contacts direct et les contacts indirects (voir annexe 1). Cette protection est assurée par des produits différentiels et les régimes de neutre. Notons que les produits des deux types de protection protègent les personnes et les biens contre les court-circuits différentiels vers la terre. Mon projet de stage porte sur les produits des protections des personnes. Nous nous focaliserons donc sur ce type de produits de protection dans la suite de ce rapport. II.1.2. Produits différentiels (RCD : Residual Current Devices): Le produit différentiel est un appareil électromécanique dédié à la protection des personnes, capable d’interrompre le courant dans des conditions dites ”anormales”, c’est-à-dire en cas de défaut différentiel en ouvrant automatiquement le circuit. Après élimination du défaut, il suffit de le réarmer par une action manuelle sur la manette. Figure.10 Interrupteur différentiel Il existe plusieurs types de produits différentiels (Interrupteurs différentiels, disjoncteurs différentiels, blocs différentiels et relais différentiels). Les produits différentiels comptent deux familles : II.1.2.1. Dépendant de la tension du secteur: Le produit contient une fonction mesure pour la détection du défaut. Celle-ci utilise la tension du réseau pour fonctionner et pour ouvrir le circuit. Ce type de produit n’offre pas une protection complète. Dans le cas de rupture du neutre le système ne fonctionnera pas et la personne ne sera pas protégée. Figure.11 Produit différentiel dépendant 11 II.1.2.2. Indépendant de la tension du secteur: Il s’agit de la famille des produits sur laquelle s’est porté mon stage. Ces produits n’ont pas besoin de l’énergie du réseau pour fonctionner. La fonction mesure utilise l’énergie du défaut pour ouvrir le circuit électrique. Ce type de produits a l’avantage d’offrir une protection même dans le cas de la rupture du neutre. Figure.12 Produit différentiel indépendant II.2. Fonction mesure des produits Hager La fonction mesure différentielle des produits différentiels indépendants de la tension du secteur peut être réalisés suivants deux types technologies différentes: Fonction mesure traditionnelle: Il s’agit d’une fonction mesure qui se caractérise par sa rapide réactivité (produits qui déclenche presque instantanément à l’apparition d’un défaut différentiel. Cette fonction mesure est doté d’un tore relativement volumineux avec moins de spires secondaire et un relais à faible impédance. Fonction mesure à assistance électronique: Il s’agit de la technologie sur laquelle porte mon stage. Cette fonction mesure se caractérise par son aspect retardé (elle ne réagit pas instantanément à l’apparition d’un défaut différentiel car elle a besoin d’un certain temps pour cumuler l’énergie nécessaire récupérer du défaut pour la restituer ensuite au relais afin d’ouvrir le circuit électrique. Figure. 13 Fonction mesure à assistance électronique 12 Figure. 14 Principe de la fonction mesure à assistance électronique Le dispositif ci-dessus est doté d’un tore bobiné dans lequel si un courant de défaut se présente, celui-ci convertie l’énergie de défaut en une source de tension. La plaquette électronique a pour fonction de faire une adaptation d’impédance, de comparer les valeurs de tensions souhaitées et de commander le relais. Le système relais permet d’ouvrir le circuit électrique après avoir reçu l’énergie nécessaire pour son fonctionnement. Le coût de ce produit est de prix élevé, il répond à toutes les normes ainsi que toute la gamme. C’est donc sur cette fonction de mesure que j’interviendrai. II.3. Problématique II.3.1. Contexte: Les produits différentiels retardés Hager indépendants de la tension secteur sont dotés d’une électronique vieillissante qui date de plusieurs années. Afin que cette électronique puisse répondre aux exigences des nouveaux projets en termes de coût et de compacité, une action d’optimisation de cette électronique est nécessaire. II.3.2. Enjeux: L’objet de l’étude proposée se porte sur la brique électronique de la fonction mesure différentielle des produits retardés et précisément son étage d’électronique de puissance en charge de pilotage du relais. Une partie non négligeable de l’énergie nécessaire au déclenchement du relais est perdue dans les composants de commande. Une réduction de l’énergie minimale nécessaire au déclenchement du relais passe par l’optimisation de cet étage électronique en exploitant les avancées réalisées ces dernières années dans le domaine des composants électroniques semi-conducteurs (MOSFET, Thyristors, etc.). 13 Le but de ce projet est : D’optimiser l’électronique actuelle afin que le relais puisse bénéficier pleinement de l’énergie emmagasinée dans la capacité de stockage. Réduire au maximum le nombre des composants électroniques. Une telle optimisation permettra de réduire la taille du tore et le nombre de composants électroniques ce qui se traduira par une amélioration de la compacité de la fonction mesure différentielle et la réduction de son coût. Les principales contraintes de cette étude définies comme prioritaires sont : - La performance La robustesse La stabilité Le coût La compacité II.3.3. Définition du produit étudié: La fonction mesure à assistance électronique est composée des trois briques suivantes (cf. figure 13): Tore (Partie A) Plaquette (Partie B) Relais (Partie C) On étudiera dans la suite de ce rapport uniquement une partie de la fonction électronique et plus précisément l’étage d’électronique de puissance de la plaque électronique (cf. Figure 15). Etage électronique de puissance à optimiser : Figure. 15 Schéma électronique de la fonction mesure à assistance électronique 14 II.3.4. Fonctionnement de la fonction mesure: II.3.4.1 Le tore: a) Sans courant de fuite: Dans un fonctionnement normal, sans la présence d’un courant de fuite, le courant traversant la phase est le même qui revient à la source à travers le neutre. Le flux magnétique dans le tore est donc nul (cf. figure 23) ce qui donne une tension nulle aux bornes du bobinage secondaire du tore. COURANT PHASE COURANT NEUTRE TENSION (V) INTENSITE (A) Figure.16 Tore – non courant de fuite TENSION SECONDAIRE (N2) TEMPS (s) TEMPS (s) Figure. 17 Sans courant de fuite b) Avec courant de fuite: Dans le cas d’un défaut différentiel, la valeur du courant entrant dans la phase n’est plus égale au courant sortant du neutre. Ce qui fait apparaitre un flux magnétique circulant dans le tore. Figure. 18 Présence d’un courant de fuite TENSION (V) Nous avons donc: iphase = idéfaut + ineutre. TENSION SECONDAIRE (N2) TEMPS (s) Figure. 19 Courant de fuite 15 Le flux engendré par le défaut différentiel est transformé à une tension au secondaire du tore suivant l’expression donnée ci-dessous. D’où la fonction détection et transformation de l’énergie de défaut du tore. E = Tension induite (V) ᶲ = Flux magnétique (Wb) t = temps (s) N = Nombre de spire du secondaire II.3.4.2. Plaquette électronique: Numéro 1 Désignation Adaptation d’impédance conversion AC/DC 2 stockage 3 Détection Comparaison 4 Commande fonction Elle permet de faire une adaptation d’impédance, puis doubler et convertir la tension alternative en continu. L’énergie récupérée du défaut est stockée dans la capacité C4. Le seuil du détecteur de tension est de 4,5V sur lequel s’ajoute une hystérésis de 225mV. Pendant que la tension à l’entré du détecteur de tension reste inférieur à sa tension de seuil (tension de référence) la tension à sa sortie est nulle. Lorsque cette tension dépasse le seuil du détecteur, il devient passant et la tension à sa sortie devient égale à celle de l’entrée. Une fois le détecteur de tension devient passant, la partie commande reçoit un ordre de fermeture (deux transistors bipolaire en têtebêche) et qui sert à transmettre l’énergie emmagasiné dans le relais. On peut l’assimilé à un interrupteur commandé. 16 L’allure de la charge de la capacité C4 est illustrée ci-dessous : Figure. 20 Charge de la capacité de stockage II.3.4.3 Relais: a) Position repos (fermée): L’aimant permanent maintient la palette sur l’armature magnétique grâce à sa force d’attraction et referme le champ magnétique malgré le couple mécanique du ressort. Montrer sur la figure l’aimant, palette, armature et ressort !! Figure. 21 Relais fermé Le réglage de l’aimant est primordial pour régler (ou ajusté) la puissance S de déclenchement du relais donnée par l’expression ci-dessous. S= Ueff x Ieff S= puissance du relais (µVA) Ueff= Tension efficace (V) Ieff= Courant efficace (µA) Lors de la position ouverte, le relais compare en permanence la puissance à laquelle a été réglé à celle qu’il reçoit. Il reste à la position ouverte si la puissance appliquée à ces bornes demeure plus faible à sa puissance d’ajustage. 17 b) Position ouverte: L’aimant étant polarisé, le sens du courant joue un rôle important l’ouverture du relais. Dans un cas, à la présence d’un courant dans la bobine, le flux crée par celui-ci s’oppose au flux de l’aimant permanent. La force magnétique d’attraction exercée sur la palette par l’armature est donc plus faible. La force de rappelle du ressort devient suffisante pour ouvrir la palette au moment où la puissance appliquée à ces bornes devient supérieure à sa puissance d’ajustage. pour Figure. 22 Ouverture du relais Dans l’autre cas, avec un courant inverse, ceci renforce la force d’attraction et le relais demeure dans la position fermée. II.4. Cahier des charges fonctionnelles II.4.1. Analyse fonctionnelle de la fonction mesure à assistance électronique: II.4.1.1. Expression du besoin, diagramme « bête à corne »: Figure. 23 Définition du besoin Contrôle de validité: Pourquoi a-t-on besoin de ce système? Pour que l’interrupteur différentiel puisse déclencher lors d’un défaut. Pourquoi (dans quel but) a-t-on besoin de ce système? Pour pouvoir transmettre l’énergie de défaut au relais. Condition de disparition du système: Le système disparaît si l’interrupteur différentiel n’existe plus. 18 II.4.1.2. Diagramme des interactions: Figure. 24 Diagramme pieuvre Fonction Critères Niveau FP1 Transmettre l’énergie de défaut au relais - Adapter la tension - Stocker l’énergie - Commander le relais - Doubleur de tension - capacité de stockage - électronique de puissance FC1 S’adapter au tore Recevoir l’énergie du tore Adaptation du seuil de tension FC2 S’adapter au relais Transmettre l’énergie au relais Entre 90µVA – 180µVA FC3 Respecter les normes et les spécifications internes Normes de sécurité / S’adapter à l’environnement Température FC4 S’adapter à la serrure et au boîtier Encombrement Fixations Limiter le nombre et la taille des composants Prix Composant prix bas Le plus bas possible FC5 FC6 -25°C à 125°C Robustesse 19 II.4.2. Planning: La première étape de mon stage fut la compréhension du sujet et la prise en main du logiciel qu’on m’a confié. N’ayant pas la licence de Pspice, j’ai dû commencer les premières semaines avec le logiciel LTspice. Je me suis donc familiarisé avec ce logiciel avec des tutoriels proposés sur internet avant de pouvoir commencer à faire des simulations sur le produit existant. Ensuite j’ai pu élaborer mon planning prévisionnel (voir annexe 2). Le planning se décompose en plusieurs étapes: La première phase: - Recherche bibliographique des composants d’électronique de puissance. - Définir les caractéristiques importantes de chaque type de composant pour répondre à l’application. - Réaliser des Simulations. La deuxième phase: - Savoir lire et comprendre un Datasheet du MOSFET et prélever les caractéristiques importantes. - Définir une matrice regroupant le temps de déclenchement du relais en fonction de la valeur de la capacité et du détecteur de tension. - Recherche et commande des MOSFETs La troisième phase: - Test des composants et comparaison avec le système actuel - Caractérisation en température - Optimisation du montage - Conclusion des avantages et inconvénients des deux solutions et chiffrage de gains réalisés. La quatrième phase : - Présentation du projet et des résultats obtenus à l’équipe Hager. - Mettre en évidence l’adéquation de l’impédance du relais avec la solution MOSFET. - Mettre en évidence l’impact de la baisse de puissance du relais sur la valeur minimale de la capacité à mettre dans les deux montages. 20 La première phase repose sur la prise en main du sujet et de l’apport des solutions. La deuxième partie est l’étude du dispositif actuel et le comparer avec les résultats obtenus dans la simulation. La Troisième partie est consacrée à la l’application des recherches et de l’optimisation du système. Enfin la dernière partie est une étude de l’impacte du relais sur le système. III. Travail réalisé III.1. Recherche bibliographique Il s’agit de découvrir les différents composants d’électronique de puissance existant pour pouvoir le choisir le meilleur pour notre application. Pour cela, j’ai listé les composants les plus pertinents pour répondre à notre besoin. III.1.1. Diode: La diode est un composant qui permet le passage unidirectionnel du courant. Elle a deux électrodes qui sont l’anode et la cathode. Suivant le sens du courant, la diode se présente sous deux conventions: Direct et inverse. La diode est donc un composant non qui ne être commandé, ni en fermeture, ni en ouverture. Figure. 25 Modèle de la diode et caractéristique d’une diode parfaite III.1.2. Transistor bipolaire: Le dispositif étudié dispose actuellement de deux transistors. Le transistor bipolaire a le même principe de comportement qu’une diode. C’est la juxtaposition PN qui conduit. Le transistor bipolaire est donc composé de 3 zones dopées en impureté, on envisagera les deux conventions suivantes: soit NPN ou PNP. Suivant le courant injecté dans la base, le transistor en commutation est soit bloqué (il se comporte comme un interrupteur ouvert entre les bornes C et E), soit saturé (il se comporte comme un interrupteur fermé entre les bornes C et E). C’est donc un interrupteur qui peut être commandé par courant appliqué sur sa base. 21 Figure. 26 Transistor NPN et PNP et caractéristique idéale III.1.3. Transistor MOSFET: De tous les composants, c’est le composant le plus rapide en commutation. Il est donc commandable à la fermeture comme à l’ouverture. Il a le même principe que le transistor bipolaire sauf qu’il est commandable grâce à une tension positive VGS entre la grille et la source (cf. caractéristique de transfert Figure. 27b). La jonction Drain-Source est alors assimilable à une résistance très faible RDSon de quelques mΩ. Figure. 27a Transistor MOS canal N à enrichissement et sa caractéristique idéale Figure. 27b Caractéristique de transfert ID en fonction de VGS(th) 22 III.1.4. Thyristor: Figure. 28 Thyristor Un thyristor est doté de 3 connexions, c’est donc la modélisation contractée des transistors PNP et NPN en tête-bêche. La condition pour que le courant ID circule (que dans le sens de la flèche) dans le thyristor, est que celui-ci soit amorcé par un courant IG. La particularité du thyristor est qu’il reste passant une fois amorcé. Le désamorçage apparaît dès l’annulation du courant de conduction I AK donc par commutation naturelle où en inversant la tension en commutation forcée. Le thyristor est donc considéré comme un semi-interrupteur commandable en courant. Figure. 29 Caractéristique d’un thyristor idéal III.1.5. Avantages et inconvénients: Les avantages et inconvénients des composants étudiés sont listés dans le tableau ci-dessous: 23 Transistor Thyristor - Faible chute de tension (cas de forte puissance), - Tension blocable élevée, - Rapport coût, - Puissance commutée convenable. - Faible chute de tension, - Faible coût, - forte capacité en courant, - Amorçage par une impulsion de courant (structure verrouillée), - Tenue en tension alternative. - Une géométrie simple et une consommation pouvant être très faible, - Commande en tension et vitesse élevée de commutation. Inconvénients - Il a pour inconvénient majeur la consommation relativement importante. - Ne s’emploi pas pour les très faibles puissances. - Sensible aux décharges électrostatiques (ESD). Avantages MOSFET III.2. Choix du composant III.2.1. Type du composant: Le thyristor est la combinaison de deux transistors bipolaires NPN et PNP en tête-bêche. Ce type de composant n’est adéquat que pour de plus fortes puissances. C’est pourquoi le l’étage de commande actuel est doté d’une utilisation personnalisée des deux transistors bipolaires. La technologie transistor bipolaire est totalement maîtrisée et aucune d’amélioration notable n’a été observée à ce jour. Leurs performances sont donc à peu près semblables. D’où l’inutilité de chercher de nouveaux transistors bipolaires plus parfaits pour notre application. L’autre désavantage est que le thyristor est commandé en courant ce qui veut dire qu’il aurait une consommation de courant au niveau de la gâchette. Contrairement thyristor et au bipolaire, le transistor MOSFET qui est commandable avec seulement une très faible tension appliquée sur sa grille. La grille est isolée du reste du transistor, ce qui lui procure une très grande impédance GrilleSource. Ce qui veut dire une très faible consommation en courant sur sa grille. Selon les modèles existant, il peut avoir une très faible résistance à l’état passant. Pour les raisons citées qu’on vient de citées, notre choix a porté sur le transistor MOSFET. 24 III.2.2. Choix d’un MOSFET à partir d’un Datasheet: Il existe une large gamme de MOS. Pour un choix rapide, il a fallut comprendre un peu mieux comment est constitué un transistor MOS canal N et ainsi pouvoir comprendre les documents techniques. Le but de cette partie est de pouvoir repérer les caractéristiques les plus déterminants pour notre application. Ce travail permet aussi d’avoir un gain de temps en question de choix car les documents techniques d’un composant peuvent devenir très volumineux. Ceci impliquera des choix judicieux sur le composant de notre étude. Dans mon application, les paramètres importants sont: La tension de seuil VGS(TH) minimale pour assurer la conduction du transistor. De préférence entre de 0,5 et 1,2V. Le courant de fuite IDSS en fonction de la température. Généralement de l’ordre de 1µA à 25°C et autour de 10µA à 125°C. La tension VDS que peut supporter le transistor entre 10V et 30V pour avoir une tension de seuil VGS(TH) faible. Le niveau du courant IDmax sachant qu’il y’a un courant d’environ 1mA et voir plus selon le choix du relai. La résistance RDS(ON) assez petite pour une tension entre 3V et 4,5V pour minimiser les pertes et maximiser le passage du courant. La charge des condensateurs parasites minimum pouvoir dimensionner la valeur de la capacité et de la résistance mises en parallèle entre la grille et la source pour garder le MOSFET à l’état passant jusqu’à la décharge complète de la capacité de stockage C4. III.3. Simulations Durant ce stage, deux logiciels de simulation ont été utilisés : LTspice et Pspice. À l’aide de ces deux simulateurs, j’ai pu visualiser et mieux comprendre le fonctionnement du système. Ce sont des logiciels de simulation de haute performance qui possède un module schématique pour éditer les schémas électroniques et un module de visualisation des résultats. Ils disposent d’une librairie et d’un éditeur de composant ce qui rend ces simulateurs intéressant. Il est important et utile de réaliser une première esquisse du circuit électronique pour pouvoir comprendre son fonctionnement. Ces simulateurs permettent de faire une pré-étude du système et de prévoir les futures étapes. 25 Principe des simulateurs: Figure. 30 Principe simulateur Les simulateurs produisent un fichier d’entrée qui contient la description du circuit et aussi des commandes du types d’analyse souhaitée. Ce fichier peut être de la forme schématique (éditeur de schémas électriques) ou bien Netlist (description direct du circuit à l’aide de lignes de code dans un fichier texte). III.3.1. Résultats obtenus avec LTspice: Les premières simulations on été réalisées à l’aide de LTspice. J’ai dû prendre en main ce simulateur qui est un logiciel gratuit mais qui est tout aussi performant. III.3.1.1. solution actuelle à base de transistors: a) Schéma: Figure. 31 Ltspice - Schéma Pour répondre au mieux à des résultats proches de la réalité, il faudrait utiliser dans le simulateur des composants de même référence que dans ce que nous avons dans la solution actuelle. Bien que le simulateur dispose d’une large bibliothèque de 26 composants électroniques, il ne dispose pas de toutes les références nécessaires pour notre application. Il a fallu faire des recherches et donc trouver des modèles donnés par les fabriquant de ces composants pour pouvoir les intégrer dans la librairie (exemple Figure. 30 de la diode doubleur de tension BAV99). Hypothèse: Pour faciliter la modélisation du système, j’ai assimilé le tore à une source de tension alternative parfaite. En effet, c’est un élément inductif ce qui veut dire qu’il y a un déphasage entre la tension et le courant. Cependant, dans notre cas, il ne sert qu’à charger la capacité C4 donc il n’aura aucune influence directe sur les résultats que je visualiserai. Notons qu’il était aussi suffisant de réalisé des simulations en transitoire sans la présence d’une source en entrée en imposant comme condition initiale que la tension aux bornes de la capacité est égale au seuil du détecteur de tension. Pour pouvoir simuler le relais, il a été modélisé par une résistance et une inductance en série de valeurs fixes connues par l’entreprise, car il est fabriqué en interne. Bien entendu, la valeur de l’inductance n’est pas constante à cause des phénomènes de saturations et de fréquence. Cette variation est assez négligeable dans notre application ce qui nous a permis d’adopter cette simplification. b) Simulations: Chargement de la capacité de stockage C4: Figure. 32 Ltspice - Charge On retrouve bien la charge du condensateur en fonction de la tension délivrée par le tore. Lors de l’alternance positive (1), la capacité C4 de stockage se charge. Ensuite, lors de l’alternance négative (2), la tension est stockée dans la capacité C3 et non C4. Pendant ce temps, la charge de la capacité C4 reste fixe. L’alternance positive (3) envoie une charge supplémentaire à la capacité C4 en plus une partie de l’énergie stockée dans la capacité C3. D’où la notion de doubleur de tension. Et ainsi 27 de suite, après plusieurs alternances, la tension aux bornes de la capacité C4 croît jusqu’à atteindre le seuil du détecteur de tension situé à 4,5V + 0.225V d’hystérésis. Répétabilité: Figure. 33 Ltspice - répétabilité Sur la Figure. 33, on retrouve l’allure de la tension aux bornes de la capacité de stockage C4, ainsi que le courant et la tension du relais. On peut donc visualiser sur cette figure la charge et la décharge du condensateur. Un élément important non évoqué jusqu’à présent, c’est la répétabilité. Il est important que le même produit puisse toujours déclencher après son réarmement. Par exemple après déclenchement, si le produit est réarmé et le défaut est toujours présent, le produit doit toujours pouvoir déclencher. On dit qu’il est répétable. Dans le cas de la simulation, on constate la charge et la décharge périodique de la capacité C4. Le système est donc répétable. Courant - tension: En faisant un zoom sur là zone de la décharge de la capacité C4 (cf. Figure 34), on pourra mieux visualiser l’allure du courant et de la tension du relais. Il s’agit de la zone d’acquisition dans laquelle on pourrait étudier les différences entre les deux solutions. 28 Figure. 34 Ltspice - Décharge On voit très bien qu’il existe une chute de tension perdue lors de la transmission d’énergie au relais donnée par l’écart entre la courbe de la tension du relais et la courbe de tension de la capacité de stockage. Figure. 35 Ltspice - Courant et tension du relais Critères de comparaison: Pour pouvoir comparer par la suite les deux solutions, j’ai relevé le courant maximum, le temps de réponse à 70% du courant maximum. La tension maximum et le temps de réponse. Imax= 847,3µA T à 70%= 168,12-165,72= 2.4ms Umax= 4,09V T réponse= 164,93ms 29 III.3.1.2 Solution optimisée à base de MOSFET: a) Schéma: Figure. 36 Ltspice - Schéma Pour aboutir a ce schématique à base de MOSFET, il a fallu choisir entre plusieurs montages (voir un exemple de montage en annexe 3). Pour les départager, plusieurs simulations ont été réalisées pour choisir la solution permettant un transfert optimal de l’énergie stockée dans la capacité C4 vers le relais. Pour réaliser ces simulations, il était nécessaire de trouver d’abord un MOSFET adéquat. Le MOSFET NTS4409N à été choisit. Le modèle de ce MOSFET n’existait pas dans la librairie des deux simulateurs utilisés, il a fallu donc entamer des recherches sur le site du fabriquant pour trouver son modèle SPICE (compatible avec LTspice) donné ci-dessous: 30 Ce modèle est défini et étudié par son constructeur. b) Simulations: Répétabilité: Figure. 37 Ltspice – Répétabilité On voit clairement que la capacité de stockage se décharge complètement. Les courbes se répètent périodiquement donc on en déduit que le système à base de MOSFET est aussi répétable. Le courant a atteint presque 1mA son niveau est visiblement meilleur à celui obtenu par le montage actuel. 31 Courant - tension: Figure. 38 Ltspice – Répétabilité En analysant les courbes à partir du commencement de la décharge de la capacité C4, on observe une meilleure suivie en tension. Il n’y a quasiment pas de chute de la tension ce qui veut dire que le relais profite pleinement de l’énergie stockée dans la capacité de stockage. Figure. 39 Ltspice - Courant et tension du relais Imax= 990,09µA T à 70%= 168,82-165,32= 3,5ms Umax= 4,72V T réponse= 165,02ms On peut conclure que la solution MOSFET est plus performante que la solution actuelle. On obtient un gain de 143µA soit 16,85% en courant, un gain de 0,63V soit 15% en tension. Le temps de réponse à 70% dure 1ms de plus. Donc d’après les résultats obtenus, on peut conclure que la puissance fournie au relais sera plus importante. 32 III.3.2. Résultats obtenus avec Pspice: Pspice est un simulateur de même nature que LTspice mais plus complet. Il dispose une librairie plus riche. On retrouve quasiment les mêmes résultats que LTspice. III.3.2.1. Solution actuelle à base de transistors: Figure. 40 Pspice – Schéma transistor Figure. 41 Pspice – Courant et tension du relais Imax= 867,32µA T à 70%= 167,89-165,56= 2,33ms Umax= 4,086V Tréponse= 164,75ms On retrouve sensiblement les mêmes résultats issus de LTSPICE. La différence est due à la modélisation des composants et au solveur du simulateur. En effet, pour un composant d’une référence donné, suivant fabricants, les modèles peuvent être différentes. 33 III.3.2.2 Solution à base de MOSFET: Figure. 42 Pspice – Schéma solution MOSFET Les simulations réalisées à l’aide de PSPICE ont donné les résultats suivants : Figure. 43 Pspice – Courant et tension du relais Imax= 998,52µA T à 70%= 148,1-145,56= 2,54ms Umax= 4,743V Tréponse= 144,74ms Les résultats obtenus de LTSPICE et PSPICE diffèrent légèrement. Il faut savoir que Pspice est un simulateur plus utilisé que LTspice et donc il intègre des composants modélisé par les concepteurs. Il est donc plus précis dans ses résultats. 34 III.4. Validation III.4.1. Commande de composants: Afin de réaliser les validations nécessaires pour notre solution, il été nécessaire de choisir les composants les plus pertinents à notre application avant de passer commande. Tout d’abord un premier tri des MOSFETs proposés par des distributeurs et des fabricants ayant les caractéristiques requises par notre application. Ensuite, des modèles SPICE ont été réalisés et les composants correspondants crées sur les deux plateformes de simulation LTspice et Pspice. Les éléments importants issus des simulations réalisées à l’aide de ces composants issus des deux simulateurs ont été synthétisés dans un tableau pour comparer leurs performances respectives. Pour pouvoir mieux départager les composants, d’autres critères ont été ajoutés telle que la valeur du courant de fuite et son évolution en température, le prix proposé par les distributeurs, boitier, etc. (voir Figure. 43). Figure. 43 Tableau MOSFET 1ère étape: Prix Toutes les références de MOSFETs inférieur à 10 cents on été signalées en couleur bleu. 35 2ème étape : Robustesse Tous les composants n’ayant pas une indication de la valeur de courant de fuite Idss en haute température ont été signalés en orange sauf les composants ayant une bonne robustesse à 20°C et un prix très attrayant, ont été signalés en jaune. Pour les validations, une dizaine d’échantillons a été commandée pour chaque référence retenue (références signalée en bleu et jaune). Exceptionnellement, le composant NTA4001 signalé en orange a été également commandé vu pour son prix très intéressant. III.4.2. Validations: La validation a été menée sur les deux solutions: électronique actuelle à base de transistors et la solution à base de MOSFET. Le but est de comparer pratiquement les performances de chacune d’entre-elles pour mettre en évidence l’apport du MOSFET et la pertinence des simulations réalisées qui nous ont guidées dans nos choix. III.4.2.1. Solution actuelle à base de transistors: a) Validation du produit: Il est nécessaire de mesurer le seuil le temps de déclenchement du produit pour s’assurer de son bon fonctionnement et voir plutard si l’implémentation da la solution MOSFET modifierait ou pas le seuil du produit. Pour ce faire, un courant de défaut a été injecté à l’aide d’une source de courant. Le seuil du produit a été mesuré à l’aide d’une station de « seuil » (cf. Figure 47 et annexe 4). À l’aide d’un oscilloscope et d’une pince ampèremétrique, une acquisition du courant traversant le dispositif (courant de défaut) ainsi que la tension aux bornes de la capacité de stockage C4 a été réalisée (cf. Figure 48). Le dispositif utilisé est un interrupteur différentiel ayant un I∆n= 30mA (sensibilité du produit). Pour que le produit soit, il doit déclencher entre I∆n/2 et I∆n (valeurs normatives). Les seuils obtenus sont listés sur le tableau 49. 36 Figure. 47 Test du dispositif: solution actuelle Figure. 48 Injection d’un courant de défaut Id1 (mA) Id2 (mA) Id3 (mA) Sans oscilloscope 18,38 18,40 18,40 Avec oscilloscope 23,82 23,82 23,82 Tableau. 49 Seuil de déclenchement Le seuil de produit augment à 24mA efficace avec oscilloscope. Ceci est dû à la résistance interne de l’oscilloscope qui est de 1MΩ. Le produit déclenche en réalité à 18,40mA sans la présence de l’oscilloscope. Les mesures sont faites en 37 température ambiante avec un relais réglé à puissance déterminée à l’avance (voir poste d’ajustage relais en annexe 5). Pour connaître le temps du déclenchement du produit, des impulsions de courant d’une valeur efficace de 30 mA a été injecté. Le générateur détecte le temps de réponse en mesurant le temps écoulé entre le début de l’injection du courant et l’ouverture des contacts du produit. Sans oscilloscope Avec oscilloscope Td1 (ms) Td2 (ms) Td3 (ms) AC+ 136 136 135 AC- 128 128 128 AC+ 197 197 197 AC- 188 188 188 Tableau. 50 Test du temps de déclenchement Pour comparer les résultats, il faut savoir qu’en branchant l’oscilloscope, les mesures sont aussi différentes dû à la résistance interne de celui-ci. Suivant le signe de l’alternance de départ, positive ou négative, le temps de déclenchement n’est pas le même car l’électronique n’est pas symétrique. Pour le reste des essais toutes les mesures ont été réalisées en programmant l’équipement sur une onde positive. b) Acquisition des signaux lors du déclenchement du relais: Cet essai permet de voir l’image de la tension aux bornes de la capacité de stockage C4 lors du déclenchement. On observera aussi le courant et la tension aux bornes du relais. On pourra alors comparer les résultats avec les résultats issus des deux simulateurs. Figure. 51 Mesure tension-courant du relais 38 On remarque qu’on n’obtient pas les mêmes résultats qu’en simulation. Que se passe-t-il réellement lors de l’ouverture du relais? Si on compare les courbes obtenues lors de l’ouverture du relais, nous remarquons après une courte durée de mise en tension du relais, un changement brutal de la tension et du courant ainsi que pour la tension de la capacité de stockage. Ce phénomène est dû à l’ouverture du relais qui provoque une variation dramatique de son impédance. c) Acquisition des signaux avec un relais maintenu fermé: Pour pouvoir comparer les résultats obtenus en simulation, il est nécessaire d’empêcher l’impédance du relais de changer brutalement et ainsi d’empêcher le relais d’ouvrir en le maintenant fermé. Les courbes obtenues avec un relais maintenu fermé sont illustrées sur la Figure 52. Ces courbes concordent bien avec les résultats des simulations donnant un courant de 847µA et une tension de 4,09V. On obtient une tension aux bornes du relais d’une valeur de 4,13V et un courant d’environ 821µA. On visualise bien l’existence de la chute de tension de 0,6V. La puissance du relais est de : P= 4,13V x 821µA = 3,39mVA. Figure. 52 Mesure tension-courant du relais d) Temps d’ouverture: Il est intéressant de connaître le temps de d’ouverture du circuit à partir de la détection de la tension de seuil. On peut le décomposer en deux temps : Réaction de l’électronique: Le temps écoulé entre l’atteinte de la tension du seuil du détecteur de tension et l’ouverture du relais (Phase I). 39 - Réaction mécanique: Le temps écoulé entre le début de l’ouverture du relais et le moment au sa tension et son courant s’annulent (Phase II). Le temps écoulé entre la réaction du relais et l’ouverture des contacts du produit (Phase II + III). Figure. 53 Mesure tension-courant du relais En comptant le temps de réaction électronique et le temps de réaction mécanique, on peut déduire le temps de déclenchement qui est de l’ordre de 5ms. f) Répétabilité: Figure. 54 Répétabilité Pour voir si le système est répétable, il faut garder le relais fermé. On visualise des cycles périodiques ce qui veut dire que le système est répétable. On remarque aussi que la tension n’est pas fixe dans le temps. Ceci est dû à la précision de 40 l’oscilloscope étant donné que les signaux sont de très courts à l’aide d’un grand calibre de temps. III.4.2.2. Solution à base de MOSFET: a) Schéma de montage: Figure. 55 Schéma de montage MOSFET Malgré les simulations précédemment faites, j’ai dû rajouter une diode pour bloquer les fuites de courant du détecteur de tension et une capacité pour maintenir le MOSFET passant lors de la décharge de la capacité de stockage et assurer ainsi le bon fonctionnement du montage. En resimulant le nouveau montage avec LTspice, le nouveau courant est de 975,12µA et la nouvelle tension est de 4,62V. b) Validation: Figure. 55 Montage MOSFET Le même procédé a été suivit pour la validation de la nouvelle solution à base de MOSFET plus quelques essais supplémentaires nécessaires. Je n’exposerai que les éléments intéressant qui pourront être comparé à la solution actuelle. 41 Les mêmes performances en temps de déclenchement et pour le seuil de déclenchement sont obtenues. Cela montre que les courants de fuites sont au même niveau de la solution actuelle (cf. Tableau 56 et Tableau 57). Id1 (mA) Id2 (mA) Id3 (mA) Sans oscilloscope 18.41 18,41 18,40 Avec oscilloscope 23,77 23,74 23,74 Tableau. 56 Seuil de déclenchement Sans oscilloscope Avec oscilloscope Td1 (ms) Td2 (ms) Td3 (ms) AC+ 136 136 136 AC- 128 128 128 AC+ 197 197 197 AC- 188 188 188 Tableau. 57 Temps de déclenchement Figure. 58 Mesure tension-courant du relais Les courbes obtenues permettent de valider la solution MOSFET qui est capable de réaliser un transfert optimal de l’énergie de la capacité C4 au relais. Car on visualise un courant de 1mA et une tension de 4,8V. On obtient un gain en courant de 179µA soit 18% et un gain en tension de 0,67V soit un gain de 16%. On constate aussi qu’il n’y a pas de chute de tension. L’optimisation se fait donc en gain de tension et de courant. Les résultats sont assez proches de la simulation. On trouve donc une puissance de relais de P=4,8 x 1mA = 4,8mVA. 42 III.3.2.3. Robustesse: Bien que les performances soient beaucoup améliorées, il faudrait aussi vérifier que la solution soit stable en fonction de la température (voir étuve annexe 6). En effet, le seuil de déclenchement et le temps de déclenchement varient suivant la température exercée. Ceci est dû à la variation du courant de fuites I DSS en fonction de la température. D’où le choix d’un MOSFET robuste en température. a) Seuil de déclenchement: Température (°C) I1 (mA) I2 (mA) I3 (mA) -25 24,22 24,21 24,23 Ambiante 20,98 21 21,05 85 20,16 20,18 20,18 120 22,66 22,60 22,46 Tableau. 58 Solution actuelle Température (°C) I1 (mA) I2 (mA) I3 (mA) -25 24,28 24,31 24,31 Ambiante 20,92 20,95 20,92 85 20,25 20,25 20,24 120 21,77 21,75 21,74 Tableau. 59 Solution MOSFET On remarque que les deux solutions sont à peu près semblables. Dans un premier temps, le dispositif a une déviation beaucoup plus conséquente dans les basses températures. Bien que la solution MOSFET est légèrement plus performante pour la température à 120°C, donc un seuil de déclenchement du MOSFET qui est de l’ordre de 21,75mA et 22,60mA pour la solution actuelle. On peut tout de même dire que les deux solutions sont comparables. 43 b) Temps de déclenchement: Température (°C) Alternance Solution actuelle (ms) Solution MOSFET (ms) AC+ 135 134 AC - 127 126 AC + 135 135 AC - 128 127 AC + 136 135 AC - 128 127 AC+ 186 176 AC - 179 167 -25 20 85 120 Tableau. 59 Temps de déclenchement On remarque que le temps de déclenchement ne dévie pas dans les basses températures. Mais à partir d’une certaine température (haute), ce temps commence à dériver. Pour les mesures à une température de 120°C, la solution MOSFET est plus robuste. Donc le courant de fuite est plus faible. c) C.E.M: Hager dispose d’un appareil pour faire des tests de compatibilité électromagnétique. Il s’agit d’envoyer une onde 8/20 (modélisation de la foudre par une surtension alternance positive et négative) et voir jusqu’à qu’elle valeur de tension il déclenche. Pour une capacité de 440nf, la solution actuelle supporte jusqu’à 3000V et le MOSFET 2700V. Ils doivent au minimum supporter 1000V. La raison auquel le MOSFET déclenche pour une tension plus basse est qu’il a moins de fuite donc il se charge plus vite. La surtension peut être modélisée de la manière suivante: Figure. 60 Onde 8/20 44 III.3.2.4. Performances: Pour comparer les performances des deux solutions, j’ai affecté dans un tableau les valeurs des temps de déclenchements et des temps de réaction du relais. Pour cela, j’ai fait varier la valeur de la capacité de stockage et la tension du de seuil du détecteur de tension pour mesurer les performances dans des conditions de fonctionnement extrêmes. Pour commencer, j’ai gardé la valeur du détecteur à 4,5V et j’ai baissé la valeur de la capacité jusqu’à la dernière valeur avant que le dispositif ne déclenche plus. Cette valeur de capacité sera la référence minimale. La valeur maximale sera 220nF. La plage du détecteur de tension choisie est entre 3,7 et 4,5V. Figure. 61 Matrice des deux solutions 45 C’est sur ces tableaux qu’on aperçoit réellement les performances du MOSFET. J’ai donc testé les deux solutions dans leurs conditions limites de fonctionnement en baissant la valeur de la capacité de stockage C4 et de la tension de détection. On visualise très bien sur la figure 60 pour la solution actuelle, qu’il y a des zones où le système ne peut pas déclencher. Le relais ne reçoit pas assez d’énergie pour qu’il puisse déclencher. En ce qui concerne la solution optimisée, les plages de déclenchement sont quasi couvertes. Solution actuelle: 60 possibilités de déclenchement sur 81 soit 74%. Solution optimisée: 77 possibilités de déclenchement soit 95%. III.4. Conclusion III.4.1. Gain: Récapitulatif des performances du MOSFET par rapport à la solution actuelle: Puissance du relais de la solution actuelle: P= 4,13V x 821µA = 3,39mVA Puissance du relais de la solution optimisée: P= 4,8 x 1mA = 4,8mVA J’obtiens donc un gain de 1,41mVA soit 41,59%. Une réduction de deux composants. Validation: J’ai donc validé ces performances en comparant les deux solutions par des tests de déclenchement (Seuil de déclenchement, temps de déclenchement). En testant les solutions dans des conditions extrêmes des plages de fonctionnement En comparant leurs robustesses en température. Compatibilité électromagnétique. III.4.2. Travail restant: Le travail qui me reste à faire est de faire le chiffrage des composants. D’optimiser la valeur de l’impédance du relais par rapport aux solutions et de conclure le projet en analysant l’impact de la baisse de la puissance du relais sur les deux solutions (est-ce que le gain sera toujours pareil?). 46 Conclusion J’ai eu l’opportunité d’évoluer dans un environnement industriel qui coïncide parfaitement avec ma formation, au sein d’un grand groupe. J’ai donc pu intégrer un bureau d’études et côtoyer des personnes spécialistes dans leurs domaines respectifs. Ils m’ont montré leur savoir faire et m’ont aussi apporté des conseils techniques non négligeables. Ce projet m’a permis de mettre en application les connaissances acquises lors de mon cursus scolaire et de compléter ma formation. J’ai donc étudié et me suis familiarisé avec le produit en question. Ce stage m’a permis d’élargir mes connaissances que ce soit dans le domaine électrique ou en matière de logiciel CAO en utilisant LTspice et Pspice très utilisé dans le domaine électronique. Les démarches de mon plan d’action m’a permis une bonne gestion de projet et d’amené à bien mon stage. J’ai pu faire des recherches de solutions et parmi ces choix, d’en sortir les solutions les plus pertinentes. Le projet aboutit à une solution robuste répondant au cahier des charges initialement souhaité. Cette solution est donc exploitable en vue d’amener à d’autres études plus approfondie et de l’éventuel développement de nouveaux produits. 47 Bibliographie Glossaire: [1] Hager GROUP 50 ans [2] Hager GROUP présentation [3] Présentation fonction mesure [4] Composants électronique de puissance [5] LTspice_tutorial [6] PSPCREF Internet: Site Hager: http://www.hager.fr Intranet Hager: http://hagernet/fra/pages/accueil.aspx Wikipédia: http://fr.wikipedia.org Cadence: http://www.cadence.com/us/pages/default.aspx Spice model: http://www.diodes.com/products/spicemodels Foudre: http://www.stielec.ac-aix-marseille.fr/cours/abati/foudre/foudre.htm 48 Annexes 49 Annexe 1 Protection différentielle a) Définition: La protection différentielle est un dispositif qui détecte et qui protège les personnes dans le cas qui ne reviennent pas à la source par les conducteurs actifs. b) Contact direct: L’origine du défaut est que la personne entre en contact avec une partie active d’un circuit électrique sous tension. Soit: - Entre deux parties active - Entre une partie active et la terre. Figure. 1 Contact direct c) Contact indirect: Contact d’une personne avec une masse mise sous tension par suite d’un défaut d’isolement. Soit : - Entre deux masses - Entre une masse et la terre. Figure. 2 Contact indirect 50 Annexe 2 51 Annexe 3 Exemple de solution: Figure. 1 montage MOSFET Voici un exemple d’une des solutions que j’ai pu simuler sur LTspice. J’ai simulé sur un exemple de MOSFET où j’ai adopté pour une convention où il se trouve dans une position au dessus du relais. J’ai donc visualisé le courant et tension aux bornes du relais et j’ai pu obtenir les résultats suivant: Figure. 2 Tension et courant du relais On remarque une tension de 3,69V et un courant de 505,6µA. On peut voir que le cas ci-dessus est encore plus critique que la solution actuelle. Pour comparer les différentes solutions, je me suis basé sur deux critères de choix qui sont : - Avoir un maximum de courant. - Avoir un maximum de tension. 52 Annexe 4 Station de seuil: Figure. 1 Station de seuil Cette station est un générateur de courant permettant de mesurer le seuil de déclenchement (courant de défaut à laquelle le produit déclenche) et le temps de déclenchement (temps de déclenchement du produit). Voici les fonctions qui m’ont permis de faire des mesures: 1- Permet de régler la sensibilité: 10mA, 30mA, 100mA… 2- Type de signal: AC, DC, déphasage. 3- Potentiomètre de réglage de 0 à x mA, suivant la sensibilité choisie. 4- Alternance positive, négative. 5- Potentiomètre réglage en temps. 6- Bornes de sortie 7- Trois possibilités de mesure, temps déclenchement et réglage manuelle. de déclenchement, seuil de 8- Fréquence 50Hz ou 60Hz. 9- Ecran d’affichage 10- Bouton trigger 53 Annexe 5 Poste d’ajustage relais: Figure. 1 Poste réglage relais relais Pour valider le produit, il faudra aussi tester le relais au moyen de l’appareil d’ajustage: Ce matériel utilisé est capable de déterminer la valeur d’impédance du relais en injectant un courant à ses bornes. Celui-ci peut aussi magnétiser et démagnétiser pour ajuster la valeur de l’aimant permanent dans le relais. Exemple de test : Test Sini (µVA) Z (Ω) 1 120 1669 2 116 1657 3 117 1646 Figure. 2 Test du relais Pour que le relais soit valide, il faudrait que sa puissance soit entre 90 et 190µVA. L’impédance de ce type de relais est de 1750 ±550Ω. D’après les mesures faites ci-dessus, il a en moyenne une puissance de 118µVA ce qui est favorable. 54 Annexe 6 Étuve: Figure. 1 Étuve Cet appareil m’a permis de faire mes essais en température. Pour ce faire, il dispose d’un écran tactile permettant de régler et visualiser la température dans l’étuve. Il dispose d’un bouchon sur le côté pour pouvoir sortir les câbles et effectuer les mesures. Figure. 2 Écran de visualisation Condition de mesure: Pour effectuer les mesures en température, ma condition était de laisser le dispositif à l’intérieur de l’étuve pendant une heure le temps que la température interne et que les composants atteignent la température désirée. Les mesures de la solution actuelle et la solution optimisée ont donc été prises dans les mêmes conditions. 55
