cahier TP M1 CESE Alims decoupage

MASTER 1 EEA
Parcours CESE
Travaux Pratiques
Alimentations
à
Découpage
EM7ECEGM
V. BLEY
D. MALEC
P. BIDAN
2011-2012
TABLE DES MATIÈRES
Rotation des TP
Binôme
Séance
1
Séance
2
Séance
3
1
TP1
TP2
TP3
2
TP1
TP2
TP3
3
TP1
TP2
TP3
4
TP2
TP3
TP1
5
TP2
TP3
TP1
6
TP2
TP3
TP1
7
TP3
TP1
TP2
8
TP3
TP1
TP2
9
TP3
TP1
TP2
Liste des TP
TP N° 1 : Alimentation Flyback
TP N° 2 : Alimentation Forward
TP N° 3 : Redressement monophasé à absorption sinus
ALIMENTATION À DÉCOUPAGE FLYBACK
OBJECTIFS DE LA MANIPULATION
Les alimentations à découpage sont des convertisseurs continu-continu alimentés généralement
par le réseau redressé et filtré. La sortie est souvent isolée galvaniquement de l'entrée par un
transformateur. Celui-ci fonctionne à fréquence élevée de manière à réduire sa taille et faciliter le
filtrage de la tension de sortie. Il permet également la réalisation d'alimentations qui abaissent ou
élèvent la tension. La tension de sortie de tels convertisseurs est le plus souvent réglable et contrôlée
par une régulation qui ne sera pas étudiée dans cette manipulation.
Ce TP a pour but d'étudier le fonctionnement d'une alimentation à découpage isolée du type
Folyback. Il s'agit d'un convertisseur statique de tension continu/continu, utilisant un transformateur en
mode de transfert d'énergie indirect. Ce transformateur fonctionne en régime alternatif non sinusoïdal
et doit stocker transitoirement de l'énergie.
A l'issue de la manipulation, (et après consultation des cours et TD), l'étudiant doit savoir aborder
ou traiter les points suivants :
- Propriétés des circuits électriques en régime périodique ;
- Intérêts de l’isolation galvanique ;
- Équivalence formelle avec un convertisseur abaisseur-élévateur de tension ;
- Explication des formes d’ondes de tension et de courant en différents points du circuit, en
particulier au niveau de l’interrupteur au primaire et aux bornes des différents enroulements du
transformateur,
- Filtrage de la tension de sortie, régime de démagnétisation complète ou incomplète, forme
d'ondes, ondulations, expression de la tension moyenne de sortie ;
- Caractéristiques de sortie.
Remarque importante : L'oscilloscope est l'instrument de mesure de base dans cette manipulation.
Il est vivement conseillé de revoir son fonctionnement, étudié en premier cycle, et en particulier de
connaître la distinction entre les positions AC et DC !
Flyback - 1
MATERIEL MIS À DISPOSITION
- Une platine didactique convertisseur Flyback (Figure 1 et Annexe 1),
- Une Alimentation continu régulée,
- Un oscilloscope + sonde différentielle 2 voies,
- Un multimètre,
- Des rhéostats de charge.
Figure 1 : Alimentation Flyback didactique
PRECAUTIONS ET RECOMMANDATIONS
Il est impératif :
- De faire vérifier le montage à chaque modification de câblage,
- De ne pas dépasser 40 V pour la tension d’alimentation de la platine,
- De ne pas dépasser 5 A de courant de sortie,
- A chaque modification de câblage, de ramener le rapport cyclique α à 0 et de couper
l'alimentation continue,
- D’utiliser les sondes différentielles pour les mesures de tensions.
Le travail de manipulation et d’exploitation à réaliser durant la séance est identifié par un trait
double sur la partie gauche du texte (tel que pour cette phrase).
Flyback - 2
RAPPELS
L’objectif est ici d’introduire l’origine de la structure de convertisseur Flyback.
Considérons le convertisseur continu/continu abaisseur-élévateur (ou encore "dévolteur-survolteur) de
tension de la Figure 2 :
D
T
E
L
C
R
Vs
Figure 2 : Convertisseur abaisseur élévateur de tension
Il s'agit d'un convertisseur indirect tension-tension. L'inductance L permet de stocker de l'énergie.
La synthèse de ce convertisseur fait donc apparaître deux séquences successives représentées cidessous.
E
Vs
Vs
E
1ére séquence
2ème séquence
Figure 3 : Convertisseur abaisseur de tension non isolé
Dans la première séquence, l'inductance L stocke de l'énergie sous forme électromagnétique pour la
restituer dans la seconde. Le condensateur C filtre la tension de sortie Vs qui sera considérée en
première approximation comme continue. La tension VL apparaissant aux bornes de l'inductance a été
reportée dans la Figure 4.
VL
E
t
-Vs
tf
période T
Figure 4 : Tension aux bornes de l'inductance
Flyback - 3
Pendant la période de conduction du transistor T, appelée tf, la tension aux bornes de L vaut E.
Pendant son blocage, celle-ci vaut alors -Vs. La tension moyenne aux bornes d'une inductance étant
tf
nulle, de la forme d'onde de VL on en déduit l'égalité suivante: E.t f = Vs .(T - t f ) . En posant α = ,
T
α
on obtient alors: Vs = E.
.
1-α
Cette relation fait apparaître deux modes de conversion:
1
* en survolteur pour α >
2
1
* en dévolteur pour α <
2
Remplaçons dans le schéma de l'abaisseur-élévateur la bobine d'inductance L par un
transformateur de manière à isoler la source d'entrée de la sortie, et déplaçons l'interrupteur T (Figure
5).
D
D
i1
i2
T
IS
ic
E
Vs
E
V1
C
C
Vs
T
Figure 5 : Flyback
Ce montage dérivé du survolteur-dévolteur est appelé "alimentation à accumulation" ou "FLYBACK".
Deux modes de fonctionnement caractérisent ce montage. Si le flux circulant dans le circuit
magnétique du transformateur s'annule à chaque cycle, alors celui-ci fonctionne en démagnétisation
complète. Dans le cas contraire, la démagnétisation est incomplète. Plus de détails sont fournis dans
l'annexe 4.
Le montage Flyback est un convertisseur continu-continu attractif puisqu'il met en œuvre un
nombre restreint de composants actifs. En revanche, étant donné son fonctionnement en "accumulation
d'énergie", le transformateur doit posséder un volume suffisant pour pouvoir la stocker. Son utilisation
est donc limitée aux puissances faibles. De plus la diode et le condensateur de filtrage sont très
sollicités compte tenu du front raide des courants qui y circulent.
Flyback - 4
MANIPULATION
1 - VISUALISATION DES FORMES D'ONDE
Régler la fréquence de fonctionnement F à 20kHz et le rapport cyclique α à 0,3. Le trigger de
l'oscilloscope sera déclenché en externe par PT1 (commande de base du MOS de puissance) de
manière à stabiliser les traces et conserver la même référence temporelle pour toutes les courbes.
1-1 Tension et courant au primaire du transformateur
•
•
•
•
Visualiser le courant i1=iT sur la voie 1 à l'aide d'un câble BNC-BNC. La visualisation de la
tension primaire du transfo V1 (voie 2) doit être impérativement réalisée à l'aide d'une sonde
différentielle.
Faire apparaître les deux types de fonctionnement : démagnétisation complète et incomplète
(Ismax<2A).
n
A partir des formes d'onde de V1 et i1, en déduire le rapport de transformation 2 et la valeur
n1
de l'inductance magnétisante vue du primaire L1.
Imprimer ces formes d'onde.
1-2 Courants au secondaire et dans le condensateur de filtrage
•
•
•
•
Visualiser le courant i2=iD sur la voie 1 et le courant iC sur la voie 2 à l'aide de deux câbles
BNC-BNC.
Faire apparaître les deux types de fonctionnement : démagnétisation complète et incomplète
(Ismax<2A).
A partir de la forme d'onde de i2, en déduire la valeur de l'inductance magnétisante vue du
secondaire L2.
Imprimer ces formes d'onde.
1-3 Ondulation de la tension de sortie
•
•
•
•
Visualiser le courant iC sur la voie 1 et la tension de sortie Vs sur la voie 2 à l'aide de deux
câbles BNC-BNC.
A partir de la forme d'onde de iC, justifier l'allure de l'ondulation de la tension de sortie Vs.
Pour deux valeurs de courant de sortie Is (0,5 et 2A), mesurer ces ondulations et vérifier leur
dépendance avec Is.
Imprimer ces formes d'onde.
2 - CARACTÉRISTIQUE DE TRANSFERT
•
•
•
Visualiser à l'oscilloscope la tension disponible au point test PT1 à l'aide d'un câble BNCgripfils. Il s'agit de la commande de base du transistor de découpage. Régler la fréquence de
fonctionnement F à 20kHz.
Pour des rapports cycliques successifs α1=0,15, α2=0,2 et α3=0,3, régler le courant de sortie à
1,5A par action sur la charge. Noter alors la tension moyenne de sortie Vs.
Tracer les courbes Vs=f(α
α) à Is=1,5A. Commenter.
Flyback - 5
3 - CARACTÉRISTIQUES DE SORTIE
L'objectif de cette partie est de tracer les courbes Vs = f (α, I s ) dans le plan ( Vs , I s ) .
● Rappeler les expressions théoriques de Vs = f (α, I s ) dans les différents modes de
démagnétisation (voir cours et TD). Rappeler l'équation de la frontière entre les 2 régimes.
•
•
•
•
•
La fréquence de fonctionnement est conservée à 20kHz. Pour les trois valeurs de rapport
cyclique définis précédemment (α
α1=0,15, α2=0,2 et α3=0,3), relever les valeurs de la tension de
sortie Vs en fonction du courant de sortie Is variant de 0,5 à 2A (prendre 8 valeurs par
exemple). Pour les faibles valeurs de Is, s'assurer que la tension de sortie ne dépasse pas 40V.
Tracer les courbes Vs=f(Is) paramétrées en α.
Distinguer les fonctionnements en démagnétisation complète ou incomplète. Comparer aux
courbes théoriques.
Justifier la nécessité d'une régulation agissant sur α pour obtenir une source de tension.
Quelle précaution doit-on prendre lors d'un fonctionnement à vide?
***
Flyback - 6
Annexes
Annexe 1 – Platine didactique convertisseur Flyback
♦ Photographie de la platine :
Données principales :
• Tension maximale d'alimentation:
40 V
• Courant de sortie max.: 5 A
• Calibre mesure de courant :
0,1 V représente 1 A
♦ Schéma structurel :
Flyback - 7
Annexe 2 – Transistor MOS IRF 640
Cette annexe est dans le TP "Alimentation Forward"
Annexe 3 – Circuit SG3525
Cette annexe est dans le TP "Alimentation Forward"
Flyback - 8
Annexe 4 – Modes de fonctionnement du Flyback
Deux modes de fonctionnement caractérisent ce montage. Si le flux circulant dans le circuit
magnétique du transformateur s'annule à chaque cycle, alors celui-ci fonctionne en démagnétisation
complète. Dans le cas contraire, la démagnétisation est incomplète.
D
i1
i2
IS
ic
E
V1
C
Vs
T
* Fonctionnement en démagnétisation incomplète (voir Figure 7)
Dans ce type de fonctionnement, le flux ne s'annule pas avant la fin d'un cycle. Le transistor T
est en effet amorcé avant l'extinction du courant secondaire i2. La tension moyenne aux bornes de
l'enroulement primaire du transformateur étant nulle, la valeur de Vs se déduit aisément de la forme
n
α
d'onde de V1, soit: Vs = 2
E . On retrouve ici, au rapport de transformation près, la relation
n1 1 − α
obtenuepour le survolteur/dévolteur. La tension de sortie en conduction continue est donc
indépendante de la charge. Le montage se comporte comme une source de tension.
E
V1
-Vs(n1/n2)
Φ
démagnétisation incomplète
i1=iT
i2=iD
iC
-Is
Figure 6 : Fonctionnement en démagnétisation incomplète
- Ondulation de la tension de sortie
La tension de sortie Vs est la tension qui apparaît aux bornes du condensateur C. Le calcul de
l'ondulation de Vs consiste donc à intégrer l'expression de iC. Pendant le temps de conduction du
transistor de découpage, le calcul est simplifié puisque iC=-Is. On trouve (voir cours et TD) :
Flyback - 9
∆Vs =
n2
αI
Eα 2
= s.
n1 (1 − α )RCF CF
* Fonctionnement en démagnétisation complète (voir Figure 7)
Dans la phase d'accumulation d'énergie T est conducteur et D est bloquée (polarisée en inverse).
La tension V1 au primaire du transformateur vaut E, le flux Φ croit alors linéairement. La diode D
étant bloquée, le courant i2=iD est nul. La loi de continuité de la somme des AT du transformateur nous
indique alors que le courant i1=iT est proportionnel à Φ et croit donc également linéairement.
Dans la phase de restitution d'énergie, T est bloqué (plus de commande de base). Le
courant i1 s'éteint alors instantanément. La continuité du flux dans le circuit magnétique du
transformateur fait apparaître alors un courant i2 au secondaire du transformateur grâce à l'amorçage de
la diode D. La tension au secondaire du transformateur est -Vs, la tension V1 qui apparaît au primaire
n
vaut alors − 1 Vs . Le flux décroît alors linéairement. Celui-ci ne subit pas de discontinuité pendant le
n2
passage d'une phase de fonctionnement à l'autre, le courant i2 (proportionnel à Φ puisque i1 est nul)
n
décroît alors à partir d'une valeur i 2max = 1 i 1max avec une pente -Vs/L2. Lorsque le flux s'annule, la
n2
diode D se bloque, le courant i2 et la tension V1 s'annulent alors.
La forme d'onde du courant iC dans le condensateur de filtrage C se déduit de celle de i2=iD. En effet, Is
étant considéré continu et la valeur moyenne de iC étant nulle, alors iC est la composante alternative de
iD, puisque iD=iC+Is.
n
La tension de sortie a pour expression Vs =  2
 n1
2
 E 2α 2

(voir cours et TD). Elle dépend du rapport
 2LFI s
2
 n  E2α 2
cyclique et du courant de sortie. La puissance de sortie s'exprime par Ps = Vs I s =  2 
.A
 n 1  2LF
rapport cyclique constant, le montage se comporte donc en source de puissance.
E
V1
-Vs(n2/n1)
Φ
i1max
pente E/L1
démagnétisation complète
i1=iT
i1max(n1/n2)
pente -Vs/L2
i2=iD
iC
-Is
tf
T
Figure 7 : Fonctionnement en démagnétisation complète
Flyback - 10
ALIMENTATION À DÉCOUPAGE FORWARD
OBJECTIFS DE LA MANIPULATION
Les alimentations à découpage sont des convertisseurs continu-continu alimentés généralement
par le réseau redressé et filtré. La sortie est souvent isolée galvaniquement de l'entrée par un
transformateur. Celui-ci fonctionne à fréquence élevée de manière à réduire sa taille et faciliter le
filtrage de la tension de sortie. Il permet également la réalisation d'alimentations qui abaissent ou
élèvent la tension. La tension de sortie de tels convertisseurs est le plus souvent réglable et contrôlée
par une régulation qui ne sera pas étudiée dans cette manipulation.
Ce TP a pour but d'étudier le fonctionnement d'une alimentation à découpage isolée du type
Forward. Il s'agit d'un convertisseur statique de tension continu/continu, utilisant un transformateur en
mode de transfert d'énergie direct. Ce transformateur fonctionne en régime alternatif non sinusoïdal et
nécessite une phase de démagnétisation.
A l'issue de la manipulation, (et après consultation des cours et TD), l'étudiant doit savoir aborder
ou traiter les points suivants :
- Transformateur en régime non sinusoïdal :
- Règle des points,
- Théorème d’Ampère, conservation du flux magnétique et notion de réluctance,
- Utilisation de la loi de Faraday pour déterminer l’évolution temporelle du flux magnétique,
- Concept de transformateur idéal,
- Utilisation du schéma équivalent d’un couplage magnétique sans fuites, sans pertes et dont le
circuit magnétique à une perméabilité constante,
- Notion de « démagnétisation »,
- Effets de la saturation magnétique.
- Alimentation à découpage Forward
- Propriétés des circuits électriques en régime périodique ;
- Intérêts de l’isolation galvanique ;
- Équivalence formelle avec un convertisseur abaisseur de tension ;
- Explication des formes d’ondes de tension et de courant en différents points du circuit, en
particulier au niveau de l’interrupteur au primaire et aux bornes des différents enroulements du
transformateur,
- Filtrage de la tension de sortie du hacheur par une cellule (L,C), régime de conduction continu
et discontinu, forme d'ondes, ondulations, expression de la tension moyenne de sortie ;
- Caractéristiques de sortie.
Remarque importante : L'oscilloscope est l'instrument de mesure de base dans cette manipulation.
Il est vivement conseillé de revoir son fonctionnement, étudié en premier cycle, et en particulier de
connaître la distinction entre les positions AC et DC !
Forward - 1
MATERIEL MIS À DISPOSITION
- Une platine didactique convertisseur Forward (Figure 1 et Annexe 1),
- Une platine « interface » permettant l’accès aux bornes du transformateur (Figure 4),
- Un Générateur Basse Fréquence,
- Une Alimentation continu régulée,
- Un oscilloscope + sonde différentielle 2 voies,
- Un multimètre,
- Des rhéostats de charge.
Figure 1 : Alimentation Forward didactique
PRECAUTIONS ET RECOMMANDATIONS
Il est impératif :
- De faire vérifier le montage à chaque modification de câblage,
- De ne pas dépasser 40 V pour la tension d’alimentation de la platine,
- De ne pas dépasser 5 A de courant de sortie,
- A chaque modification de câblage, de ramener le rapport cyclique α à 0 et de couper
l'alimentation continue,
- D’utiliser les sondes différentielles pour les mesures de tensions.
Le travail de manipulation et d’exploitation à réaliser durant la séance est identifié par un trait
double sur la partie gauche du texte (tel que pour cette phrase).
Forward - 2
RAPPELS
L’objectif est ici d’introduire l’origine de la structure de convertisseur Forward.
Considérons le convertisseur continu/continu abaisseur de tension de la Figure 2.
L
T
E
D
C
R
Vs
Figure 2 : Convertisseur abaisseur de tension
Si l’on désire isoler galvaniquement la source de tension E de la charge R, et/ou obtenir une tension de
sortie vs supérieure à E (ou largement inférieure …) tout en conservant la même technique de réglage
et donc de régulation, ce montage conduit au schéma du convertisseur Forward de la Figure 3.
L
D2
n3
n1
n2
D1
C
R Vs
E
D3
T
Figure 3 : Structure d’une alimentation Forward
L’utilisation d’un transformateur peut sembler à première vue paradoxale car la source de
tension d’entrée est continue : Le premier objectif de la manipulation est de montrer comment on peut
néanmoins utiliser un transformateur dans ce contexte.
Ce transformateur possède 3 enroulements : La position des points est fondamentale pour savoir quel
mode de fonctionnement est utilisé au niveau des différents couplages magnétiques. La règle des
points indique le sens relatif du pas d’enroulements des bobinages vis à vis du circuit magnétique
commun. Pour les enroulements primaire (n1) et secondaire (n2), la position des points impose le
transfert direct de puissance (par effet transformateur) d’où le nom de Forward.
Pour un transformateur quelconque, il est donc indispensable de savoir retrouver la position des points
en pratique (voir partie 1-1) pour l’utiliser correctement.
De plus, nous remarquons la présence d’un troisième enroulement (n3) en série avec une diode D3,
l’ensemble étant placé en parallèle sur la source E. Nous verrons que cet enroulement permet la
démagnétisation périodique du circuit magnétique (pour éviter la saturation), en récupérant l’énergie
magnétique correspondante.
La diode D2 a été ajoutée pour permettre l’inversion de la tension au secondaire, sans quoi la
diode de roue libre D1, en imposant une tension v2 unipolaire, empêcherait la démagnétisation du
transformateur.
Forward - 3
MANIPULATION
1 - ETUDE DU TRANSFORMATEUR À TROIS ENROULEMENTS
1-1 Isolement galvanique, transmission de signaux, règle des points, rapports de transformation
Dans cette partie, nous étudions le transformateur seul, disposé sur la platine de connexion et
séparé de la platine didactique (Figure 4).
G
A
A n3
R
E
D
B
n1
G.B.F.
n2
n1
E
n3
n2
B
C
C
D
F
Figure 4 : Platine de connexion avec
transformateur
Figure 5 : Alimentation avec un GBF
•
A l’aide du multimètre vérifier l’isolement galvanique des enroulements 1 et 2.
•
En utilisant le GBF sans offset à une fréquence de 20 kHz et une amplitude de 1V, réaliser le
montage de la Figure 5.
Vérifier la transmission de signaux triangulaires, carrés ou sinusoïdaux de l’enroulement 1
vers l’enroulement 2 en visualisant les tensions aux bornes des différents enroulements au
moyen d'un oscilloscope.
Déduire la position relative des points sur les trois enroulements (en fonction des repères A, B,
C, D, E) ainsi que les rapports de transformation m=n2/n1 et md=n3/n1.
•
•
1-2 Etude du fonctionnement à vide avec une alimentation au primaire de type hacheur
Placer l’ensemble transformateur - plaquette sur la platine didactique du convertisseur Forward,
ce qui permet d’obtenir le schéma de principe de la Figure 6.
v1
E
30V
iT
v3
n1
vT
n3 n2
vD3
i3
Figure 6 : Transformateur à vide
Forward - 4
v2
Le transformateur fonctionne à vide, on ne visualise donc que les phases de magnétisation et
démagnétisation du circuit magnétique.
Remarque :
Dans la suite, La section moyenne
du circuit magnétique sera notée Ae
(aire effective) et la longueur
moyenne des lignes de champ le
(longueur
effective).
Le
tore
équivalent (Figure 7 et Annexe 3)
ainsi constitué sera supposé parcouru
par un champ uniforme suivant la
section Ae d'une part, et le long du
contour moyen de longueur le d'autre
part.
iT
v1
le
Ae
n1
i2
v2
n2
n3
v3
i3
Figure 7 : Tore équivalent au circuit magnétique
•
Régler la source continue à 30V, le rapport cyclique au maximum (potentiomètre α) et la
fréquence de découpage à 20kHz (potentiomètre F)
•
Visualiser les courants instantanés iT et i3. Déduire des formes d’ondes et de la valeur du
rapport de transformation md qu’il n’y a pas de discontinuité de flux dans le circuit magnétique
(malgré la discontinuité du courant dans les enroulements). On utilisera pour cela le théorème
d’Ampère.
Observer les formes d’ondes des tensions v1 et v3. Vérifier que les tensions moyennes aux
bornes des enroulements sont nulles.
•
•
•
•
Expliquer le rôle de la diode D3. Pour cela il est intéressant de faire évoluer le rapport cyclique
α et d'observer le courant i3.
Montrer qu’avec le rapport de transformation md unitaire entre l’enroulement de
démagnétisation et le primaire on ne peut pas dépasser un rapport cyclique de 0,5. Que se
passerait-il sinon ?
Régler à nouveau le rapport cyclique α au maximum. Visualiser vT et expliquer pourquoi son
amplitude maximale vaut 2E (on rappelle que le rapport de transformation md est unitaire).
Diminuer α et observer l'évolution de la forme d'onde de vT.
A ce niveau, les oscillations apparaissant sur vT sont dues, après le blocage de la diode D3, à la
présence d'un circuit LC parasite. Ce dernier est constitué de l'inductance magnétisante associée à la
capacité parasite du transistor MOS bloqué.
•
•
A partir du relevé à l’oscilloscope de la tension v1 et du courant iT tension déterminer
l’inductance magnétisante L1 vue de l'enroulement 1 (primaire).
Compte tenu des observations précédentes concernant ce transformateur à 3 enroulements,
rappeler les hypothèses simplificatrices permettant de le modéliser suivant le schéma
équivalent proposé sur la figure 10.
Forward - 5
1-3 Caractéristique B(H) du matériau magnétique et saturation
Il s’agit ici d’identifier la limite de fonctionnement du transformateur (début de la saturation du
circuit magnétique) afin d’être sûr que cette limite ne sera pas dépassée durant le fonctionnement
normal du convertisseur.
Il est vivement conseillé de lire attentivement l'Annexe 5 pour plus de détails sur cette partie.
•
Alimenter le convertisseur sous tension maximale de 35V et visualiser le courant iT sur la voie
1 de l'oscilloscope.
•
Faire varier la fréquence de découpage F et le rapport cyclique α et observer l'influence de ces
variations sur le courant iT. d'une part et le courant i3 d'autre part. Déterminer la relation entre le
courant iT+i3 et l'excitation magnétique H dans le circuit magnétique.
•
Montrer que, à une constante près, l'intégrale de la tension au secondaire v2 donne l'image du
flux du champ magnétique B à travers la section Ae du circuit magnétique.
L'utilisation d'un circuit RiCi série permet alors d'intégrer (à une constante près) simplement la tension
1
(ici voisine de 1kHz) est petite devant la
v2, dans la mesure ou sa fréquence de coupure
2 πR i C i
fréquence de découpage minimale (ici 15kHz). La tension intégrée vi est mesurée directement aux
bornes de la capacité Ci. Ce dispositif est accessible en reliant les bornes E et F de la Figure 4.
•
•
•
Réaliser alors le montage de la Figure 8 et visualiser simultanément le courant iT ou le courant
i3 sur la voie 1 de l'oscilloscope et la tension vi sur la voie 2. Placer l'oscilloscope sur le mode
XY.
Observer qualitativement l'influence de chacun des paramètres E, F et α sur la portion décrite
sur la caractéristique B(H). Interpréter en s'aidant des relations données dans l'Annexe 5.
Constater que, pour une tension d'alimentation de 30V max, le constructeur a correctement
dimensionné le transformateur pour éviter la saturation magnétique.
i2
n3
Ri
v1
v2
n1
iT
E
T
vT
n2
i3
Ci
vi
D3
Figure 8 : Montage pour la visualisation de la caractéristique B(H)
Forward - 6
2 - ETUDE DU CONVERTISSEUR FORWARD EN CHARGE ET COMPARAISON AVEC
LE CONVERTISSEUR ABAISSEUR DE TENSION
Comme précisé dans les rappels, nous allons vérifier que les fonctionnements du convertisseur
abaisseur et du convertisseur Forward sont identiques (au rapport de transformation m près) entre leur
diode de roue libre respective (D et D1, Figure 2 et Figure 3) et la charge en sortie.
•
•
•
•
Enficher directement le transformateur sur la platine didactique et placer un rhéostat de charge
réglé à une valeur voisine de 10Ω, afin de réaliser le montage de la Figure 9. Régler E à 30V.
Visualiser les tensions vD1 (entre les bornes 5 et 4, annexe 1) et vs (entre les bornes 3 et 4,
annexe 1). Vérifier qualitativement la correspondance des formes d'ondes avec celles de
l'abaisseur de tension.
A une fréquence de découpage de 20kHz et pour quelques valeurs du rapport cyclique, vérifier
que la tension moyenne de sortie est donnée par v s = mE α , tant que le groupement de diodes
(D1, D2) est en régime de conduction continue ( i L > 0 ).
Pour un rapport cyclique constant, vérifier que la tension moyenne de sortie ne dépend presque
pas de la valeur de la résistance de charge, tant que le régime de conduction est continu.
VL
D2
iL
n3
L
iC
n1
n2
D1
VD1
C
R Vs
E
D3
T
Figure 9 : Convertisseur Forward
•
Visualiser la tension vL et le courant iC et en déduire la valeur de l'inductance de lissage L.
Rappel : Dans la mesure où la tension aux bornes du condensateur est quasi constante, on peut
considérer que la composante continue du courant iL correspond au courant de sortie is et que la
composante alternative est dérivée par le condensateur. Les ondulations des courants iL et iC sont donc
identiques.
3 - CARACTÉRISTIQUES DE SORTIE
L'objectif de cette partie est de tracer les courbes v s = f (α , i s ) dans le plan ( v s , i s ) .
● Rappeler les expressions théoriques de v s = f (α , i s ) suivant que le le groupement de diodes
(D1, D2) est en régime de conduction continue ou discontinue. Rappeler l'équation de la frontière entre
les 2 régimes.
•
•
Pour une fréquence de découpage de 15 kHz, tracer les caractéristiques de sortie pour des
rapports cycliques de (0,2 0,3 0,5). Ne pas dépasser 5 A de courant de sortie.
Comparer les courbes théoriques et expérimentales.
Forward - 7
4 - EXERCICE : MODÉLISATION EN CHARGE DU CONVERTISSEUR FORWARD
L
D2
L1
md
D1
VD1
C
Vs
R Vs
m1
E
T
D3
Figure 10 : Schéma équivalent du convertisseur
•
•
•
En vous appuyant sur le modèle ci-dessus, proposer en les justifiant 3 schémas équivalents
simplifiés mettant en évidence les 3 phases de fonctionnement de ce convertisseur.
Pour chaque schéma, exprimer sous forme littérale v1, v2, v3, vds, vD3, i1 et i3 en fonction de E,
m, md, et le temps t.
A titre d’exercice et en utilisant la démarche proposée en annexe 5 on pourra simplifier ce
schéma en éliminant les transformateurs idéaux en utilisant les règles de passage des
impédances et des sources.
***
Forward - 8
Annexes
Annexe 1 – Platine didactique convertisseur Forward
♦ Photographie de la platine :
Données principales :
• Tension maximale
d'alimentation: 40 V
• Courant de sortie max.: 5 A
• Calibre mesure de courant :
0,1 V représente 1 A
♦ Schéma structurel :
Forward - 9
Annexe 2 – Transistor MOS IRF 640
Forward - 10
Annexe 3 – Circuit magnétique du transformateur
Forward - 11
Annexe 4 – Circuit SG3525
Forward - 12
Annexe 5 – Visualisation de la caractéristique B(H)
La figure 11 rappelle le montage utilisé et la Figure 12 le tore équivalent au circuit magnétique.
i2
n3
Ri
v1
v2
n1
iT
E
T
iT
vT
n2
i3
Ci
vi
v1
l
S
n1
i2
v2
n2
n3
D3
v3
Figure 11 : Montage pour la visualisation de la
caractéristique B(H)
i3
Figure 12 : Tore équivalent au circuit
magnétique
• RELATIONS DE BASE
Nous rappelons les hypothèses simplificatrices fondamentales concernant le couplage
magnétique à 3 enroulements, représenté par la Figure 12 :
(a) pas de fuite magnétique (le même flux magnétique Φ traverse les 3 enroulements),
(b) la résistance de chaque enroulement est négligée,
(c) le circuit magnétique est constitué d'un matériau homogène,
(d) le champ magnétique B est supposé uniforme dans la section Ae (supposée constante)
du circuit magnétique,
- (e) le champ magnétique B est supposé uniforme le long de la ligne de champ moyenne de
longueur le.
-
La loi de Faraday nous permet d'écrire (vu (a) et (b)) :
dΦ
dΦ
dΦ
v 1 (t ) = n1
; v 2 (t ) = n 2
et v 3 (t ) = − n 3
.
dt
dt
dt
En particulier la seconde expression, avec Φ(t ) = A e ⋅ B(t ) (vu (d)), donne
dB v 2 (t )
=
.
dt n 2 A e
Si B 0 est la valeur initiale du champ B à l'instant initial t 0 , on obtient alors
B( t ) = B 0 +
1
n2Ae
∫
t
t0
v 2 ( τ )dτ . (1)
Le théorème d'Ampère, appliqué le long de la ligne de champ moyenne et avec le sens de parcours
choisi, donne (vu (c) et (e))
H ( t ) ⋅ l e = n 1 ⋅ i T ( t ) − n 2 ⋅ i 2 (t ) + n 3 ⋅ i 3 ( t )
soit encore :
1
H(t ) = (n1 ⋅ i T (t ) − n 2 ⋅ i 2 (t ) + n 3 ⋅ i 3 (t )) . (2)
le
Forward - 13
• APPLICATION
Nous allons exploiter les relations (1) et (2) dans le cadre du fonctionnement du montage de la
Figure 11.
- Visualisation du champ magnétique B
Nous allons montrer que grâce au circuit du 1° ordre RiCi (Figure 11) on peut obtenir, dans
certaines conditions, que la tension vi soit l'intégrale dans le temps de la tension v2. Il est conseillé de
se reporter au TP n°1 d'Outils Electriques du Module 2.
La transformée de Laplace de la tension vi s'exprime par
1
v 2 (p ) .
1 + R iCip
On en déduit dans le domaine harmonique ( p = jω ):
1
v i ( jω) =
v 2 ( jω) .
1 + R i C i ωj
Dans le cadre d'un fonctionnement en régime périodique établi à la fréquence de découpage F, tous les
signaux sont décomposables en séries de Fourrier et ont chacun le fondamental à la fréquence F.
Si la constante de temps RiCi est choisi de manière à obtenir R i C i ⋅ 2πF >> 1 , on obtient alors pour
toute pulsation ω ≥ 2πF
1
v i ( jω) ≅
v 2 ( jω) ,
R i C i ωj
qui devient dans le domaine de Laplace
1
v i (p ) ≅
v 2 (p )
R iCip
et donc dans le domaine temporel, avec une condition initiale nulle pour v 2 ( v 2 (t 0 ) = 0 )
v i (p ) =
t
1
v 2 ( τ )dτ .
∫
R i Ci t0
En remplaçant dans la relation (2), on obtient finalement :
v i (t ) =
B( t ) = B 0 +
R i Ci
v i (t ) .
n2 Ae
→ La tension vi est donc une image du champ B dans le circuit magnétique.
Valeurs numériques : R i = 22 kΩ
C i = 10 nF
n 2 = 15 tours
S = 190 mm 2 .
- Visualisation de l'excitation magnétique H
La résistance Ri a été choisi afin que le courant i2 soit négligeable. La relation (2) devient alors,
avec ici n1 = n 2 = n 3 = n
H(t ) =
n
(i T (t ) + i 3 (t )) . (3)
le
Forward - 14
→ A tout instant, la somme des courants iT+i3 est une image de l'excitation H dans le circuit
magnétique.
Valeurs numériques : n = 15 tours
l e = 69 mm .
- Exercice (très utile pour le § 1-3 …)
Dans le cadre du fonctionnement correspondant au montage de la Figure 11, exprimer les relations
(1) et (3) dans le cas où le transistor T est passant d'une part, et dans le cas où il est bloqué d'autre part.
Détailler en particulier l'expression de v2.
Forward - 15
Annexe 6– Démarche de simplification du schéma équivalent
La modélisation demandée dans le paragraphe 4 - p. 8 est ici rapidement présentée. A partir du schéma
de la Figure 10 :
•
•
•
•
•
Dédoubler « mentalement » la source de tension E en une source E’et la faire glisser dans la
maille de l’enroulement 3 pour l’amener en série avec la diode D3.
L’enroulement 3 est maintenant isolé du reste du circuit on peut ramener la source E’ et la
diode en série au primaire du transformateur (considérer le rapport de transformation md…)
On peut remarquer à ce niveau qu’il existe d’autres méthodes pour réaliser une
démagnétisation…
On peut alors retirer le transformateur idéal de démagnétisation (car son secondaire est "en
l’air" et il se retrouve donc à vide …) .
On peut transférer enfin tous les éléments vers le secondaire.
On obtient ainsi un schéma équivalent simplifié qui ne prend en compte que l’inductance magnétisante
et les rapports de transformation m et md. Ce schéma à l'avantage de simplifier la description des
différentes phases de fonctionnement et l'expression des différents courants et tensions. Cependant, il
est évident qu'il ne rend plus compte des isolations galvaniques …
***
Forward - 16
REDRESSEMENT MONOPHASÉ À ABSORPTION SINUS
OBJECTIFS DE LA MANIPULATION
Les appareils électriques de la classe D (micro-ordinateurs, électroménager, HIFI,…) nécessitent
une alimentation continue de leur électronique de commande. Comme la source d'énergie primaire est
le réseau monophasé, un premier étage de conversion alternatif/continu est nécessaire. La solution
traditionnelle est celle de la Figure 1. Le post-régulateur est souvent à découpage et assure aussi
l'isolement électrique : les structures couramment utilisées sont les convertisseurs flyback et forward.
Étage redresseur d'entrée
Post-régulateur =/= de sortie
Figure 1 : Alimentation ~/= conventionnelle
Si la présence du condensateur C de filtrage réduit l'ondulation de la tension secteur redressée, il
réduit également l'angle de conduction des diodes, amenant le courant secteur Ie à une allure
impulsionnelle. Ce courant distordu induit de nombreux inconvénients ; on citera :
- une distorsion locale de la tension réseau Ve à travers les impédances de ligne,
- un augmentation des pertes en lignes,
- un mauvais facteur de puissance,
- un surdimensionnement des transformateurs de distribution,
- un vieillissement accéléré des condensateurs de compensation de réactif éventuellement
présents sur le réseau BT.
Depuis janvier 2001, la norme CEI 61000-3-2 (voir annexe 2) s'applique aux appareils
électriques et électroniques ayant un courant d'entrée dont la valeur est inférieure ou égale à 16 A par
phase et qui sont destinés à être raccordés à des réseaux publics de distribution à basse tension. Elle
définit les limites des harmoniques du courant d'entrée qui peuvent être produits par ces appareils. La
structure de la Figure 1 ne satisfait pas à cette norme.
Ce TP a pour but d'étudier en simulation le fonctionnement d'un étage d'entrée redresseur dit "à
absorption sinus", et de calculer les éléments constitutifs. Cet étage est communément nommé PFC
(pour "Power Factor Correction" ou "Power Factor Controller"). A l'issue de la manipulation, (et après
consultation des cours et TD …), l'étudiant doit savoir aborder ou traiter les points suivants :
- Principe de la norme CEI 61000-3-2,
- Utilisation du logiciel de simulation PSIM®,
- Redresseur PD2 et filtrage,
- Analyse spectrale par FFT,
- Hacheur parallèle, convertisseur élévateur de tension et éléments de dimensionnement,
- Commande par fourchette de courant (hystérésis),
- Modulation d'amplitude.
PFC - 1
MATERIEL MIS À DISPOSITION
- Un ordinateur avec le logiciel PSIM®,
- Une maquette PFC de démonstration.
RECOMMANDATIONS
Il est impératif de préparer ce TP. De nombreux calculs et démonstrations peuvent être effectuées
au préalable.
Le travail de manipulation et d’exploitation à réaliser durant la séance est identifié par un trait
double sur la partie gauche du texte (tel que pour cette phrase).
Un utilitaire de copie de zone d'écran est à votre disposition pour sauver schémas, graphiques et
courbes : prévoir une clé USB pour sauvegarder les fichiers.
MANIPULATION
1 - CAHIER DES CHARGES DE BASE
Globalement, on souhaite étudier un convertisseur AC/DC monophasé répondant aux spécifications
suivantes :
- Source de tension d'entrée sinusoïdale (15 V / 50 Hz),
- Puissance 70 W.
Les autres éléments du cahier des charges seront précisés au fur et à mesure du TP.
2 - REDRESSEMENT MONOPHASÉ CLASSIQUE
2-1 Modèle de la source d'entrée réelle
La tension efficace à vide de la source est de 15 V.
- Déterminer le courant efficace nominal de la source.
Sur charge purement résistive réglable, la tension de la source en charge vaut 14,3 V à courant
nominal.
Sur charge purement inductive réglable, la tension de la source en charge vaut 14,7 V à courant
nominal.
- Déterminer le modèle de Thévenin de la source réelle. On rappellera l'approximation effectuée.
2-2 Montage avec condensateur en tête
•
Charger le fichier " Red class.sch" dans PSIM®. Le schéma structurel fournit par PSIM® est
représenté sur la Figure 2.
PFC - 2
Figure 2 : Redressement classique
La résistance de sortie est réglée à 6,5 Ω.
- En supposant une source idéale, et que le redresseur fonctionne à puissance nominale, déterminer la
valeur du condensateur de sortie pour obtenir une ondulation résiduelle de 15 %.
•
Observer les différents courants et tensions à diverses échelles de temps et commenter.
Expliquer en particulier l'origine des différences entre Ve0 et Ve.
Spectre du courant d'entrée :
•
Effectuer une simulation sur 400 ms et tracer le courant d'entrée Ie. Appliquer la fonction FFT
de PSIM® et tracer le spectre de Ie en coordonnée logarithmique pour l'axe des fréquences, sur
une plage de 10 Hz à 1 kHz. Commenter.
Facteur de puissance à l'entrée :
•
•
•
Ajouter au modèle de simulation un wattmètre et un ampèremètre RMS à l'entrée du
redresseur.
Effectuer une simulation pour évaluer le facteur de puissance à l'entrée du redresseur.
Commenter.
Que vaut la puissance moyenne en sortie ? Commenter.
2-3 Montage avec filtre LC
•
Charger le fichier "Red filtre LC.sch" dans PSIM®. Le schéma structurel fournit par PSIM® est
représenté sur la Figure 2.
Figure 3 : Redressement classique avec filtre LC
•
•
Pour plusieurs valeurs de l'inductance L (1 mH, 3 mH, 10 mH), observer les différents courants
et tensions à diverses échelles de temps et commenter et comparer au cas précédent.
Pour L = 3 mH régler la résistance en sortie pour obtenir la même puissance que celle obtenu
dans le cas précédent (2-2). On utilisera cette résistance pour la suite.
PFC - 3
Spectre du courant d'entrée :
•
Pour L = 3 mH, effectuer une simulation sur 400 ms et tracer le courant d'entrée Ie. Appliquer
la fonction FFT de PSIM® et tracer le spectre de Ie en coordonnée logarithmique pour l'axe des
fréquences, sur une plage de 10 Hz à 1 kHz. Commenter et comparer au cas précédent (2-2).
Facteur de puissance à l'entrée :
•
Pour L = 3 mH, effectuer une simulation pour évaluer le facteur de puissance à l'entrée du
redresseur. Commenter et comparer au cas précédent (2-2).
3 - REDRESSEMENT MONOPHASÉ À ABSORPTION SINUSOÏDALE
3-1 Principe - Calcul de L
Afin d'améliorer le facteur de puissance et de diminuer la distorsion de courant à l'entrée du redresseur,
un hacheur parallèle est intercalé entre la bobine L et le condensateur C sur le circuit de la Figure 3.
On obtient le schéma de principe de la Figure 4, qui permettra de maîtriser le courant Ired et par voie
de conséquence Ie. On souhaitera ainsi asservir le courant d'entrée à un courant sinusoïdal en phase
avec la tension Ve.
Figure 4 : Redresseur à absorption sinus
La position de l'interrupteur constitué par le transistor T est repérée par la variable u :
u = 1 lorsque l'interrupteur est fermé et u = 0 lorsqu'il est ouvert.
- Écrire l'équation différentielle vérifiée par le courant Ired sous la forme :
dIred
= f (Vred, Vs, u ) .
dt
- Montrer que Vs doit être supérieur à Vred pour pouvoir faire croître ou décroître le courant Ired.
- Si on suppose que u est piloté par MLI (Fréquence de découpage Fd et rapport cyclique α), exprimer
l'ondulation crête à crête ∆i de Ired en fonction de α, Vs, L et Fd.
- Pour Vs = 30 V et Fd = 15 kHz, calculer la valeur de L pour que ∆i ne dépasse pas 0,5 A.
3-2 Fonctionnement avec une source de tension en sortie
Afin de maîtriser le courant d'entrée, on réalise une boucle de commande par hystérésis (ou encore par
fourchette de courant) sur le courant Ired, suivant le schéma de la Figure 5. Afin de simplifier l'étude
de cette boucle, on place en sortie du redresseur une source de tension constante. La largeur
d'hystérésis est de ∆i = 0,5 A.
PFC - 4
Figure 5 : Boucle de courant par hystérésis
- Proposer une méthode pour générer une référence de courant Iref permettant d'obtenir un courant
d'entrée sinusoïdal en phase avec la tension Ve. L'ondulation résiduelle haute fréquence sera négligée.
•
•
•
•
Charger le fichier " PFC sur source.sch" dans PSIM®. Le schéma structurel fournit par PSIM®
est représenté sur la Figure 6.
Déterminer l'amplitude du courant d'entrée pour absorber une puissance de 60 W. Régler alors
l'amplitude du courant de référence.
Observer les différents courants et tensions à diverses échelles de temps.
Régler Vs à 22 V et observer les modifications des courants Ie et Ired (en particulier au passage
à zéro et autour du maximum). Commenter.
Figure 6 : PFC sur source de tension
Spectre du courant d'entrée :
•
Pour Vs = 30 V, effectuer une simulation sur 400 ms et tracer le courant d'entrée Ie. Appliquer
la fonction FFT de PSIM® et tracer le spectre de Ie en coordonnée logarithmique pour l'axe des
fréquences, sur une plage de 10 Hz à 1 kHz. Commenter et comparer au cas précédents (2-2 et
2-3).
PFC - 5
3-3 Fonctionnement sur condensateur et résistance
•
Charger le fichier " PFC sur C R.sch" dans PSIM®. Le schéma structurel fournit par PSIM® est
représenté sur la Figure 7.
On suppose que la tension est stabilisée autour de 30 V.
Figure 7 : PFC sur circuit CR
- L'ondulation crête à crête de la tension de sortie a pour expression (voir cours et TD) :
Ps
,
2πFCVs
où Ps est la puissance de sortie et F la fréquence du réseau en entrée.
∆Vs =
- Pour Ps = 70 W (puissance nominale) et ∆Vs = 2,5 V (8 % de Vs), en déduire la valeur du
condensateur C de sortie.
- Calculer la résistance de charge Rch pour absorber en entrée une puissance de 60 W.
•
Ajuster les différents paramètres et régler l'amplitude du courant de consigne. Observer alors
les différents courants et tensions.
3-4 Étude de la boucle de tension
On souhaite réguler en boucle fermée la valeur moyenne de la tension de sortie à une consigne Vref.
La variable de commande pour cette boucle est la consigne en amplitude Ired_max de la boucle de
courant. Après une étude en boucle ouverte, un correcteur sera proposé et réglé.
PFC - 6
Remarque importante : La boucle de tension ne doit pas être trop rapide afin d'éviter de distordre le
courant absorbé à l'entrée. Justifier cette remarque.
Étude de la réponse indicielle en boucle ouverte
~
On va s'intéresser à la fonction de transfert entre une variation I red_max de Ired_max et une variation
~
Vs de Vs (Figure 8), en négligeant l'ondulation résiduelle due au découpage ainsi que celle due à la
composante à 2xF (100 Hz). On s'intéressera à un point de fonctionnement autour d'une tension de
sortie de 30 V.
~
I red_max
K
τ p+1
~
Vs
Figure 8 : Modèle en boucle ouverte pour la régulation de tension
- Déterminer le gain statique K autour de Vs = Vref au moyen d'un bilan de puissance entrée-sortie en
régime permanent.
•
•
•
•
•
•
Au moyen du fichier "PFC sur C R.sch" précédent, compléter le modèle afin de simuler la
réponse à un échelon de 3 A sur Ired_max.
On souhaite appliquer cet échelon en partant d'un courant Ired_max = 3,5 A et une tension de
sortie de 25 V. Calculer la valeur de la résistance de charge qui permet d'obtenir le régime
permanent au départ. Quelle sera alors la valeur finale de Vs ?
Ajuster alors les différents paramètres et appliquer l'échelon de courant 20 ms après le début de
simulation.
Lancer une simulation sur 150 ms et observer la tension de sortie. En déduire la constante de
temps τ.
Recommencer pour le même échelon de 3 A, mais en partant d'un courant Ired_max = 2 A et
une tension de sortie de 25 V.
Rch ⋅ C
Vérifier que τ ≅
.
2
Étude de la réponse en boucle fermée
On se propose d'étudier la réponse de la régulation de tension représentée sur la Figure 9.
∼
Vref +
Kp
-
Ti p+1
~
I red_max
Ti p
K
τ p+1
~
Vs
Figure 9 : Régulation de tension
- Expliquer le choix du correcteur.
~
Vs(p)
- Déterminer la fonction de transfert ~
lorsque la résistance de charge tend vers l'infini.
I red _ max(p)
Ce cas correspond à la marche à vide théorique de l'alimentation, qui constituera le cas critique pour la
stabilité en boucle fermée car la charge ne contribue pas à l'amortissement par dissipation. Le
correcteur de la boucle de tension sera déterminé dans ces conditions.
- Exprimer la fonction de transfert en boucle fermée sous la forme :
PFC - 7
~
Vs(p)
=
~
Vref (p)
1 + Ti p
.
2z
p2
1+
p+ 2
ωn
ωn
- Exprimer Kp et Ti en fonction de ωn et z.
- Déterminer numériquement Kp et Ti pour ωn = 2.π.25 rd/s et z = 0,25. Expliquer ces choix.
•
•
Au moyen du fichier "PFC sur C R.sch", compléter le modèle avec la régulation de tension et
choisir la résistance de charge pour fonctionner à 60 W.
Observer le comportement de la régulation de tension sur une durée de 150 ms. Commenter.
Spectre du courant d'entrée :
•
Effectuer une simulation sur 500 ms en enregistrant les points qu'à partir de 100 ms (pourquoi
?) et tracer le courant d'entrée Ie. Appliquer la fonction FFT de PSIM® et tracer le spectre de Ie
en coordonnée logarithmique pour l'axe des fréquences, sur une plage de 10 Hz à 1 kHz.
Commenter et comparer au cas 2-23-2.
On souhaite diminuer la distorsion du courant d'entrée. Pour cela, déterminer numériquement Kp et Ti
pour ωn = 2.π.10 rd/s et z = 0,25. Expliquer ces nouveaux choix.
•
Avec ce nouveau correcteur, effectuer une simulation sur 500 ms en enregistrant les points qu'à
partir de 100 ms et tracer le courant d'entrée Ie. Appliquer la fonction FFT de PSIM® et tracer
le spectre de Ie en coordonnée logarithmique pour l'axe des fréquences, sur une plage de 10 Hz
à 1 kHz. Comparer au réglage précédent.
Influence de variation de charge
•
Charger le fichier "PFC BF tension PI var Rch.sch" dans PSIM®. Le schéma structurel fournit
par PSIM® est représenté sur la Figure 10.
Figure 10 : Régulation de tension – variation de charge
- Expliquer comment sont effectuées les variations de charge.
- Entre quelles valeurs de puissance commute-t-on ? Commenter.
PFC - 8
•
Lancer une simulation pour le dernier jeu de paramètres du correcteur utilisé et observer les
différentes variables. Commenter.
***
PFC - 9
PFC - 10
Annexes
Annexe 1 – INITIATION À «PSIM® »
D'après un document de Claude Lahache (http://claude.lahache.free.fr/topic/index.html)
Enseignant en BTS au Lycée Couffignal de Strasbourg
PFC - 11
PFC - 12
PFC - 13
PFC - 14
PFC - 15
PFC - 16
PFC - 17
PFC - 18
Annexe 2 – La norme EN 61000-3-2
Résumé : La présente partie de la CEI 61000 traite de la limitation des courants harmoniques injectés
dans le réseau public d'alimentation. Elle définit les limites des harmoniques du courant d'entrée qui peuvent
être produits par les matériels soumis à l'essai dans des conditions spécifiées. Les harmoniques sont mesurés
conformément aux dispositions des annexes A et B. Cette partie de la CEI 61000 est applicable aux appareils
électriques et électroniques ayant un courant d'entrée dont la valeur est inférieure ou égale à 16 A par phase et
qui sont destinés à être raccordés à des réseaux publics de distribution à basse tension. Les appareils de soudage
à l'arc qui ne sont pas du matériel professionnel, dont le courant d'entrée est inférieur ou égal à 16 A par phase,
sont inclus dans le domaine d'application de la présente norme. Les appareils de soudage à l'arc destinés à un
usage professionnel, tels que spécifiés dans la CEI 60974-1, sont exclus du domaine d'application de la présente
norme et peuvent être sujets à des restrictions d'installation comme indiqué dans la CEI 61000-3-4 ou la CEI
61000-3-12.Les essais effectués conformément à la présente norme sont des essais de type. Les conditions
d'essais pour des appareils particuliers sont indiquées à l'annexe C. Pour les systèmes alimentés par des réseaux
dont la tension nominale est inférieure à 220 V (phase par rapport au neutre), les limites n'ont pas encore été
envisagées.
La norme EN 61000-3-2 détermine, pour un réseau de tension comprise entre 220V et 240V, les valeurs
efficaces à ne pas dépasser pour les courants harmoniques jusqu'au rang 40 (Figure 11 et Figure 13). Cette
norme est divisée en quatre classes, en fonction du type d'appareils utilisés, des niveaux de puissance et de la
forme du courant absorbé.
1) La classe A : cette classe concerne les équipements triphasés équilibrés et tout autre appareil à
l'exception de ceux qui sont indiqués dans l'une des classes suivantes.
2) La classe B : cette classe concerne les outils portatifs. Les valeurs limites sont celles de la classe A
multipliées par un facteur 1,5.
3) La classe C : cette classe se rapporte aux équipements d'éclairage, y compris les variateurs de lumière.
Les courants harmoniques de rang impair sont exprimés en valeur relative par rapport au courant
fondamental.
4) La classe D : les équipements de puissance inférieure à 600W et possédant un courant qui s'inscrit à
l'intérieur du gabarit de la Figure 12 pendant au moins 95% de la demi-période sont concernés par la
classe D. La valeur crête du courant doit être centrée dans ce gabarit. Les valeurs limites des harmoniques
impairs sont exprimées en valeur relative par rapport à la puissance. Les valeurs absolues doivent
néanmoins rester inférieures à celles de la classe A.
Rang
harmonique
impair
3
5
7
9
11
13
15 à 39
pair
2
4
6
8 à 40
classe A
(Aeff)
Classe B
(Aeff)
classe C
(%)
classe D
(mA/W)
2.3
1,14
0,77
0,4
0,33
0,21
0,15.(l5/n)
3.45
1.71
1,15
0,6
0,5
0,315
0,225.(15/n)
30.FP
10
7
5
3
3
3
3,4
1,9
1
0,5
0,35
0,3
3,85/n
1,08
0,43
0,3
0,23.(8/n)
1,62
0,645
0,45
0,345.(8/n)
2
Figure 11 : Amplitude des harmoniques selon la classe
PFC - 19
Figure 12 : Gabarit pour la classe D
Figure 13 : Limites des composantes harmoniques du courant - CEI 1000-3-2 classe A.
Références bibliographiques
● Norme Française, Norme Européenne, NF EN 61000-3-2, Compatibilité électromagnétique (CEM) partie
3 : limites - section 2 : limites pour les émissions de courant harmonique (courant appelé par les appareils
inférieur à 16 A par phase), Deuxième édition août 2000.
NF EN 61000-3-2 Août 2006
Compatibilité électromagnétique (CEM) - Partie 3-2 : limites - Limites pour les émissions de courant
harmonique (courant appelé par les appareils inférieur ou égal à 16 A par phase)
Document modifié par les amendements : NF EN 61000-3-2/A1:Novembre 2009 (C91-003-2/A1), NF EN
61000-3-2/A2:Novembre 2009 (C91-003-2/A2)
Directive(s) européenne(s) Nouvelle Approche : DI 2004/108 01/12/2004 Directive relative au
rapprochement des législations des États membres concernant la compatibilité électromagnétique et
abrogeant la directive 89/336/CEE - (Texte présentant de l'intérêt pour l'EEE)
● J.-C. GUIGNARD, Les harmoniques : application des normes de CEM associées, REE N° 5, mai 1999, pp
37-43.
● Normes CEI-555, Perturbations produites dans les réseaux d'alimentation par les appareils électrodomestiques et les équipements analogues, publications 555-1, 555-2 et 555-3, première édition 1982.
PFC - 20