Redressement monophasé non commandé

TP EEA 3.2 -Électrotechnique-
Redressement monophasé non commandé
Simulation en électronique de puissance
avec PSIM
Introduction
Le schéma classique de transport d'énergie électrique de la centrale de production vers le particulier
est donné ci-dessous.
Centrale EDF
Production
d'énergie
Transformateur
20 000V/50Hz
RTE
Transport
Transformateur
400 000V/50Hz
225 000V/50Hz
63 000V/50Hz
Particulier
Compteur
Convertisseur
230V/50Hz
230V/50Hz
25 000V/4 400Hz
5V, 12V DC...
Illustration 1 : Schéma classique du transport de l'énergie de la production -EDF- vers le particulier.
Dans ce T.P. nous allons nous intéresser au convertisseur statique : alimentation flyback que l'on
retrouve classiquement chez les particuliers -illustration 2-. Et plus particulièrement à la partie
redressement.
Bus continu
Réseau
Redresseur
Interrupteur
électrique
300V
230V/50Hz
Transformateur
Sortie
230V/50Hz
25 000V/4 400Hz
5V, 12V DC...
Illustration 2 : Schéma classique d'un convertisseur statique -alimentation de TV, PC etc...-.
Ce T.P. porte donc sur la simulation de redressement monophasé non commandé, sur différents
types de charges résistives, capacitives et inductives.
Objectifs
Les 2 objectifs de ce T.P. sont :
– l'apprentissage d'un logiciel de simulation d'électronique de puissance, outil qui va par la suite
être utilisé régulièrement dans l'ensemble des autres T.P. d'électronique de puissance.
– la prise en compte des différences de caractéristiques du redressement monophasé, selon le type
de charge.
I- Logiciel utilisé :
Il existe de nombreux logiciels de simulation en électronique : electronics workbench, pspice,
simplorer etc... Tous ces logiciels ont leur domaine de prédilection, l'électronique petit signal,
l'électronique numérique, l'électronique de puissance. PSIM est spécialisé dans l'électrotechnique et
l'électronique de puissance. C'est à dire qu'il permet de simuler par nature les commande de
moteurs : machines à courant continu, machines synchrones, machines asynchrones, ainsi que les
convertisseurs statiques : alimentation flyback, forward, buck, boost etc... partie commande et partie
puissance.
La version utilisée en T.P. est la version démonstration du logiciel PSIM. Elle n'est en aucun cas
limitée dans le temps, mais uniquement bridée par le nombre de composants que l'on va utiliser
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pour la simulation, ainsi que par le nombre de points qui va être affiché. Le logiciel est
téléchargeable
gratuitement
en
version
démonstration
à
l'adresse
suivante
http://www.powersimtech.com.
–
–
A- Fonctionnement interne du logiciel :
Le logiciel PSIM est constitué de 2 modules interdépendants :
PSIM, permet la saisie graphique du système à simuler, c'est ce que l'on appelle l'éditeur de
schémas électriques. Il permet aussi la configuration du simulateur.
SIMVIEW, gère l'affichage graphique des résultats de simulation calculés par PSIM.
B- Interface :
La description du système à simuler se fait graphiquement sous la forme d'un schéma
électrique. Une barre d'outils en bas de l'écran donne accès à l'ensemble des éléments couramment
utilisés en simulation, dont les principaux sont :
– les sources de tension
continue, alternative, triangulaire, etc...
–
les composants passifs
résistance, inductance, condensateur
–
les interrupteurs -au sens large du termediode, thyristor, MOSFET, IGBT
–
les sondes
tension -V-, courant -A-
–
les capteurs
capteur de tension, courant
–
les composants constitutifs d'un circuit de commande
proportionnelle, intégrale, sommateur, différenciateur, etc...
–
les paramètres de simulation -menu simulate/simulation control-
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C- Précautions d'emploi :
Vous devez impérativement avant d'exécuter une simulation réaliser les points
suivants :
– construire le schéma électrique du circuit de commande (lorsqu'il existe)1,
– définir les valeurs des paramètres des éléments du circuit de commande1,
– établir le schéma électrique du circuit de puissance,
– définir les valeurs des paramètres des éléments du circuit de puissance2,
– placer les sondes de mesures -courant, tension-, afin de pouvoir accéder sous SIMVIEW, aux
résultats de simulation souhaités,
– définir les paramètres de simulation.
On utilisera, sauf indication contraire, comme paramètres de simulation :
– Time Step : 1.10-4 seconde,
– Total Time : 0.1 seconde.
II- Applications :
Pour l'ensemble des montages ci-dessous, vous devez :
– de manière théorique
– représenter l'allure du courant et de la tension dans la charge3,
– calculer l'expression analytique de :
– la valeur moyenne du courant et de la tension dans la charge3,
– la valeur efficace du courant et de la tension dans la charge3,
– avec PSIM sur le même graphique:
– tracer la tension d'entrée, la tension de la charge et la tension aux bornes des différents
éléments -R, L ou C -4,
– tracer le courant d'entrée, le courant dans la charge et le courant dans les différents éléments
-R, L ou C -4,
– donner l'expression calculée par le logiciel de la valeur moyenne de la tension et du courant
dans la charge3 et 4.
A- Redressement mono-alternance :
1- Charge résistive :
D
~
230V
50Hz
R
R=100Ω
1 N'intervient pas dans ce T.P.
2 Il ne faut en AUCUN cas laisser une valeur nulle pour les valeurs des impédances des résistances, des inductances
et des condensateurs, sous peine de n'avoir aucun résultat de simulation valide, voire même aucune simulation.
3 La charge est représentée par soit une résistance seule, une inductance en série avec une résistance, ou un
condensateur en parallèle avec une résistance.
4 Ces simulations sont à effectuer pour l'ensemble des valeurs qui vous sont proposées.
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2- Filtrage capacitif :
D
~
230V
50Hz
C
R
R= 100Ω, 50Ω, 10Ω, 1Ω et C fixé à 100µF
C= 100µF, 50µF, 10µF, 1µF et R fixé à 100Ω
Expliquer les différences obtenues entre les courbes sur charge « capacitive » et sur charge résistive.
3- Filtrage inductif :
D
~
230V
50Hz
L
R
R= 500Ω, 100Ω, 50Ω, 10Ω et L fixé à 100mH
L= 100mH, 50mH, 10mH, 1mH et R fixé à 100Ω
Expliquer les différences obtenues entre les courbes sur charge « inductive » et sur charge résistive.
4- Conclusion sur le redressement mono-alternance :
Expliquer les graphiques obtenus lorsque l'on fait varier l'impédance de R ou celle du condensateur
ou de l'inductance.
Voyez-vous certaines similitudes entre le redressement mono-alternance sur charge capacitive et sur
charge inductive? Si oui lesquelles?
B- Redressement double-alternance :
1- Charge résistive :
D
230V
50Hz
D
~
R
D
D
R=100Ω
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2- Filtrage capacitif :
D
230V
50Hz
D
~
C
D
R
D
R= 100Ω, 50Ω, 10Ω, 1Ω et C fixé à 100µF
C= 100µF, 50µF, 10µF, 1µF et R fixé à 100Ω
Expliquer les différences obtenues entre les courbes sur charge « capacitive » et sur charge résistive.
3- Filtrage inductif :
L
230V
50Hz
D
D
D
D
~
R
R= 500Ω, 100Ω, 50Ω, 10Ω et L fixé à 100mH
L= 100mH, 50mH, 10mH, 1mH et R fixé à 100Ω
Expliquer les différences obtenues entre les courbes sur charge « inductive » et sur charge résistive.
4- Conclusion dur le redressement double-alternance :
Expliquer les graphiques obtenus lorsque l'on fait varier l'impédance de R ou celle du condensateur
ou de l'inductance.
Voyez-vous certaines similitudes entre le redressement double-alternance sur charge capacitive et
sur charge inductive? Si oui lesquelles?
Au vu des différents fonctionnements analysés dans ce T.P. énoncez les avantages et inconvénients
des redressements mono et double alternance.
Est-il possible avec les montages ou l'un des montages proposés de fabriquer une tension négative?
Justifiez votre réponse.
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Rappels
I- Caractéristiques d'un signal périodique :
A- Série de Fourier :
Un signal périodique de fréquence f (période T) peut-être décomposé en une série de
Fourier :
∞
e t =E 0 ∑ E n⋅cos n  tn 
n=1
où
–
–
–
n est un nombre entier, ω=2πf et φ n le déphasage à l'origine.
Le terme constant E0 est appelé valeur moyenne de e(t) ou valeur continue.
Le terme de fréquence f(n=1) est appelé le fondamental E1.cos(ωt+φ 1).
Les termes de fréquence 2f, 3f,...nf sont les harmoniques de rang 2,3,...n.
B- Valeur moyenne ou composante continue :
Par définition :
T
1
E 0 = ∫ e t dt
T 0
C- Valeur efficace :
Par définition, on appelle valeur efficace la racine carrée de la moyenne du carré de la
fonction périodique e(t) -en anglais RMS Root Mean SquareT
1
2
E 0 = ∫ e 2 t dt
T 0
–
–
–
La valeur efficace d'une tension continue est égale à a valeur moyenne
E max
Pour un régime sinusoïdal e(t), E eff =
2
E 2 E 22 E 23 E 2n
Pour un signal périodique E 2eff =E 20  1
(théorème de Parseval)
2
D- Taux d'ondulation :
C'est le rapport entre la valeur de l'ondulation d'un signal par rapport à sa valeur
moyenne. Plusieurs définition différentes peuvent être utilisées, il est indispensable de préciser la
définition employée. Généralement on utilise la plus adaptée aux mesures que l'on est capable
d'effectuer.
Exemple 1 : Rapport entre la valeur efficace du fondamental avec la valeur moyenne du signal
eff
m=E 1
E0
Exemple 2 : Rapport entre l'amplitude crête de l'ondulation et la valeur moyenne du signal.
E- Facteur de forme :
C'est le rapport de la valeur efficace à la valeur moyenne
E
F = eff (F est nécessairement ≥ 1)
E0
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E- Puissance :
Lorsqu'une tension est appliquée à un circuit, celui-ci est parcouru par un courant
d'intensité i. On peut définir :
1- Puissance instantanée, p(t) :
C'est le produit, p(t)=u(t).i(t) à l'instant considéré. Unité le Watt (W).
2- Puissance active, P :
Si u et i sont périodiques, on appelle puissance active la valeur moyenne
T
1
de la puissance instantanée : P= ∫ u t ⋅i t dt
. P traduit les pertes par effet Joule dans les
T 0
circuits.
– Si u et i sont sinusoïdaux et en phase, on obtient P=U eff⋅I eff
. Unité le Watt (W).
– Si u et i sont sinusoïdaux et déphasé, on obtient P=U eff⋅I eff cos 
. Unité le Watt (W).
3- Puissance réactive, Q :
En régime sinusoïdal, on a Q=Ueff.Ieff.sin(φ). Unité le Volt-Ampère
réactif (VAR). Q traduit les phénomènes d'accumulation d'énergie électrostatique ou
électromagnétique dans les composants.
4- Puissance apparente, S :
C'est le produit des valeurs efficaces de la tension et du courant S=Ueff.Ieff..
Unité le Volt-Ampère (VA). S traduit la puissance totale fournie au système.
S2=P2+Q2
II- Composants :
1- Résistance :
symbole représentatif
Lois
U = R.I
Significations et désignations
Loi d'Ohm
U : tension aux bornes en Volt -V-
R=
l
S
I : courant traversant la résistance en Ampère
-Aρ : résistivité Ohm/m -Ωl : longueur de la résistance linéique en mètre
-mS : surface du fil résistant en mètre2 -m2-
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Lois
P=R⋅I 2 =
Significations et désignations
V2
R
Puissance dissipée par la résistance en régime
continu en Watt -WPuissance dissipé en régime périodique par la
résistance en Watt -W-
T
1
P= ∫ U t ⋅I t ⋅dt
T 0
2- Condensateur :
+
Symbole d'un condensateur polarisé et non polarisé -électrolytique-.
Lois
Commentaires
Q=C.V
Q : charge électrique en Coulomb emmagasinée -CV : différence de potentiel appliquée en Volt -V-
I =C
V  j =
dV
dt
C : capacité en Farad -FI : courant traversant la capacité en Ampère -A-
1
⋅I  j 
jC
C =
S
e
Z  j =
1
jC 
: impédance complexe du condensateur
Capacité d'un condensateur plan
S : surface des armatures en mètre carré -m2e : épaisseur en mètre -m-
3- Bobine :
Symbole représentatif
Lois
Commentaires
dI
V =L⋅
dt
V : tension aux bornes de la bobines en Volt -V-
t
I=
1
∫ V⋅dt
L 0
V  j = j L ⋅I  j 
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L : inductance propre en Henri -HI : courant traversant la bobine en Ampère -AZ  j = j L  : impédance complexe d'une
bobine
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4- Diode :
symbole représentatif
Domaine
Expression du courant traversant la diode
Région normalement passante
I=
V ≥ Vs
Vs seuil de conduction (généralement de l'ordre
de 0.6V)
V −V s
rd
rd : résistance différentielle en Ohm -Ω-
Régime normalement bloqué
V < Vs
I=0
I
IS Vs
V
Caractéristique réelle d'une diode
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