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Résumé
Étude et amélioration d’un
variateur de lumière
Contexte de l’étude
INSA de Strasbourg Spécialité Génie Electrique option Système
Nom et prénom de l’élève
JACQUIER Thibaud
Date du stage
09 Février – 09 Août 2015
Entreprise d’accueil
Hager Controls SAS
33 rue Saint Nicolas
67700 Saverne - FRANCE
Résumé
Mon Projet de Fin d’Etude (PFE) portait sur l’étude et l’amélioration d’un variateur de lumière. Il s’agit d’une
étude de la structure interne des variateurs de lumière proposés par Hager. Celle-ci a été mené grâce à la suite
Matlab/Simulink et aux modules (Simscape, SimElectronics).
Mon objectif était de créer un modèle fiable et complet d’un variateur à découpage de phase composé d’un
étage de puissance à base de MOSFET. Le but de cette modélisation étant d’optimiser le fonctionnement du
variateur mais aussi améliorer sa robustesse (fiabilité, réaction en échauffement,…) ainsi que la vitesse de
développement (éviter de la dichotomie).
Au cours de mon stage j’ai pu étudier le fonctionnement et les différents blocs constituant un variateur par
exemple modélisé, l’étage de puissance et sa commande ou la synchronisation en tension et en courant. Les
résultats de la modélisation sont fiables : comparaison des résultats obtenus à une modélisation Pspice ou
directement à un produit existant.
Nom des tuteurs:
Dr. Guy STURTZER (tuteur INSA) ................... Enseignant chercheur en Génie Electrique, INSA Strasbourg
Dr. Eric STURTZER (tuteur entreprise) ....................................Ingénieur Etude Electronique, HAGER Saverne
Mots clés - Variateur de lumière ; modélisation ;
Matlab/simulink ; Synchronisation en tension
I.
INTRODUCTION
Depuis quelques années de nouvelle charge se développe
particulièrement avec l’arrivée des LED sur le marché. C’est
pourquoi les variateurs de lumières doivent anticiper ces
changements afin de pouvoir adapter à ces évolutions. La
structure des premiers variateurs était basé sur des TRIAC
mais cette technologie de composant étant limité et ne permet
pas la variation de tous les types de charge (halogène, CFL,
etc.). D’où le choix de HAGER d’une structure à base de
MOSFET qui permet de pallier à cette limitation. Le but de
cette étude est de concevoir un modèle complet des variateurs
de l’entreprise. Ce modèle devrait être capable de simuler les
contraintes thermiques auxquels sont soumis les composants
électroniques (modélisation multi domaine) dans les produits.
Cette modélisation permettra aussi d’optimiser et de réduire le
temps de développement en simulant le comportement du
variateur.
Ce résumé présente de façon générale le principe de
fonctionnement d’un variateur de lumière c’est-à-dire le
découpage de phase. Ensuite je présenterai la brique de
variation ainsi que son synoptique. Une fois le variateur de
lumière introduit, je traiterai en détails les résultats de
simulation obtenue sur la fonction de détection de passage par
zéros de la tension secteur. La conclusion synthétisera les
résultats obtenus et présentera les perspectives d’évolutions
possibles.
II. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT : DECOUPAGE DE PHASE
Le principe utilisé dans les différents variateurs Hager est
celui du découpage de phase1 c’est-à-dire que l’on va venir
conduire la phase (alimenter la charge) pendant une faction du
temps de la demi-période du secteur. Il faut savoir qu’il existe
d’autre principe de variation comme par exemple la variation
de fréquence comme dans les ballasts à large plage de
variation (cf [3]). Les TRIAC bien que de plus en plus
obsolète dans les applications de variation de lumière peuvent
tout de même faire varier d’autre type de charge que les
lampes à incandescence comme par exemple les ballasts
électronique à deux fils présenté dans [4]. [5] introduit la
complexité de faire varier des charges récentes comme des
LED ou des CFL en utilisant ce type de technologie. Il existe
deux modes de découpage suivant la nature de la charge
présente sur la sortie du variateur. C’est deux modes sont le
mode coupure à l’angle (« trailing edge ») soit le mode
conduction à l’angle (« leading edge »). Ces deux modes sont
illustrés sur la Figure 1.
A. Coupure à l’angle
Le mode coupure à l’angle consiste à alimenter la charge
du début de la demi-période jusqu’à une certaine fraction de la
demi-période. On utilise ce mode de conduction pour les
charges de nature capacitive. Par définition ces charges sont
sensibles aux variations de tension à leurs bornes, c’est
pourquoi on vient fermer les interrupteurs commandés de type
MOS au passage par zéros de la tension secteur.
B. Conduction à l’angle
Le mode conduction à l’angle consiste à alimenter la
charge à partir d’un certain instant jusqu’à la fin de la demi-
période. On utilise ce mode de conduction pour les charges de
nature inductive. Par définition ces charges sont sensibles aux
variations de courant à leurs bornes, c’est pourquoi on vient
ouvrir les interrupteurs commandés de type MOS au passage
par zéros du courant secteur.
V
Vsecteur
Vcharge
t
(a)
V
Vsecteur
Vcharge
t
(b)
Figure 1: Secteur et tension de charge en fonction du temps: Coupure à
l’angle (a) et conduction à l’angle (b)
III.
LA BRIQUE DE VARIATION
Le variateur de lumière est proposé au catalogue Hager
depuis plusieurs années et est donc mature dans son cycle de
vie et de développement. Une problématique telle que le
scintillement2 (« flickering ») est déjà maîtriser.
Dans cette section je présenterai le synoptique fonctionnel
implémenté dans les variateurs de lumière HAGER. Après
avoir exposé cet élément j’expliquerai brièvement le rôle de
chacune de ces fonctions. On appelle ce synoptique la « brique
de variation ». Comme on peut le voir sur la on y trouve un
microcontrôleur dont le rôle principal est de piloter une paire
de MOSFET. Cette fonction de contrôle est rendue possible
grâce à l’acquisition de nombreux paramètres mesurés via
différents capteurs. Je vais maintenant présenter chacune des
fonctions constituants ce synoptique.
A. L’étage de puissance : il s’agit de deux MOSFET Canal N
de tension Drain Source 600V et de résistance RdsON 140
mΩ. Ces MOSFET vont conduire chacun une alternance de la
sinusoïde secteur en synchronisation avec la commande
appliquée sur leur grille commune.
B. Les deux varistances (entre la phase P et le neutre N et
entre la phase P et la sortie charge ɛ). La varistance entre P et
N permet de protéger le produit contre les surtensions réseaux
mais également contre un mauvais câblage de la part de
l’installateur. La varistance entre P et ɛ est présente pour
protéger la sortie du produit contre les surtensions.
C. Il s’agit d’une alimentation de type Flyback qui va fournir
les diverses tensions continues au reste de l’électronique
embarqué dans les variateurs. En l’occurrence ces deux
niveaux de tension sont le 12 et le 3.3V.
D. La « synchro U » est un circuit qui permet de détecter
précisément le passage par zéros de la tension secteur. De
cette façon, on sera capable de couper des charges capacitives
précisément au zéros tension.
1
Le découpage de phase est un peu détaillé dans [1] – [2]
mais avec une structure à TRIAC.
2
As presented by C.-S. Wang in [6].
Figure 2: synoptique vairateur de lumière
E. La « synchro I » est un circuit qui permet de détecter
précisément le passage par zéros du courant secteur. Grâce à
ce circuit on pourra couper des charges inductives précisément
au zéros courant du secteur.
F. La commande MOS permet d’adapter les niveaux de
tension entre la sortie du microcontrôleur et l’étage de
puissance. Il existe toute une littérature sur l’aspect de
commande mais [7] s’intéresse en partie à la commande
nécessaire afin de contrôler un variateur (à la différence que
dans cette publication des TRIAC sont utilisés pour le
découpage de phase). Ce circuit possède également un réglage
de pente qui permet d’ajuster cette dernière lors de la
commutation des MOS. Ce réglage de pente entraînant des
problèmes CEM en émission rayonnée, il est nécessaire de
placer une capacité entre la sortie charge (ɛ) et la Phase (P)
pour atténuer cela.
G. Il s’agit d’un bloc qui permet de protéger le variateur en
cas de court-circuit sur la sortie charge (ɛ). (Typiquement une
casse du filament sur une ampoule incandescente)
H. Grâce à ce circuit on va venir détecter si la tension réseau
passe de façon répété au-dessus d’un certain seuil. Si c’est le
cas alors on détecte une surtension. Celle-ci est généralement
due à un phénomène passager (foudre, mauvais mode de
conduction, …).
I. Si la puissance sur la sortie charge est supérieur à un
certain seuil on place le produit soit à vingt pourcent de la
consigne soit à OFF suivant le niveau de surcharge.
J. Le circuit de surchauffe est basé sur une résistance
évoluant avec la température. Si on est au-dessus d’un certain
seuil de critique pour le produit on met ce dernier en mode
repli. Dans ce mode on réduit la puissance en sortie à vingt
pourcent de la puissance maximale.
K. On mesure en continue le courant dans la charge grâce à
deux shunts de mesure présent sur l’étage de puissance. De
cette manière on peut constamment surveiller le courant dans
la charge.
L. On mesure la tension de charge en abaissant cette dernière
dans une plage de tension mesurable par le microcontrôleur.
De cette façon on peut contrôler en permanence la tension
présente sur la charge.
M. Ce bloc est seulement implémenté sur les variateurs
connectés (bus KNX). Il permet d’évacuer les courants de
fuite dans la charge lorsque la consigne est à OFF.
Ce découpage en bloc va permettre de modéliser de façon
plus simple (bloc par bloc). Mais aussi de rendre plus
compréhensible la structure interne des variateurs HAGER par
des personnes ne maîtrisant pas la brique de variation. Ce qui
m’amène donc à la section suivante qui va traiter de la
modélisation de cette brique de variation.
IV. MODELISATION DU VARIATEUR DE LUMIERE
Un peu plus tard dans le projet une fois que les différents
blocs ont été modélisés sous Simulink il a fallu réfléchir à la
façon d’architecturer mon modèle. Pour ce faire, je suis parti
du synoptique présenté.
La Figure 3 présente la structure que j’ai choisi de
développer pour mon modèle. On distinguera trois niveaux de
description dans mon modèle:
 Le niveau N qui est une vision boîte noir du
produit, c’est-à-dire comme si on n’ignore tout de
la structure interne d’un variateur de lumière.
Cela correspond au pointillé (extérieur) sur le
synoptique de la Figure 4.
 Le niveau N-1 est fait pour quelqu’un qui possède
des notions sur la structure interne des variateurs.
C’est le niveau fonctionnel.
 Le niveau N-2 (niveau expert) a été développé
pour un spécialiste de la variation qui a de bonne
connaissance de chacun des blocs fonctionnels et
sur le fonctionnement de ces derniers.
Level N
Level N-1
Level N-2
Figure 3: Architecture du modèle
V.
MODELISATION DE LA SYNCHONISATION EN TENSION
Le bloc Synchro U (ou encore appelé détection de
passage par zéros tension) est utilisée pour synchroniser la
commande par rapport au zéro secteur, et filtrer les signaux
tarifaires. Ce bloc de détection du passage par zéros de la
tension secteur est très important dans nos variateurs de
lumière car il permet d’éviter les surintensités lors de la
commande d’une charge de type capacitive.
Comme on peut le voir sur la Figure 4 la phase et le
neutre du réseau sont placés en entrée de ce bloc.
Les résistances R23 et R24 sont des résistances de fortes
valeurs (dites chutrice) de l’ordre du MΩ.
La diode Z1 sur la Erreur ! Source du renvoi
introuvable.est une Zener (Simulink donnant le même
symbole graphique pour toute les diodes mais le
comportement de celle-ci est bien celui d’une Zener). Celleci est présente afin de limiter la charge du condensateur C8 à
sa tension Zener. Sur les alternances positives, la diode D1 a
pour fonction de redresser l’alimentation constituée par C8,
D3 et R23 en série avec R24. Sur les alternances négatives
cette diode est présente afin de forcer la capacité C8 à se
déverser dans le collecteur du transistor T9.
Le condensateur C8 est un condensateur « réservoir » ;
c’est-à-dire que celui-ci va se charger lors des alternances
positives du secteur et se décharger au changement
d’alternance secteur dans le transistor noté T9 (sur la
Erreur ! Source du renvoi introuvable.).
R27 est une résistance de tirage qui va venir ajuster le
seuil haut du signal en sortie de l’optocoupleur.
R26 possède deux fonctions la première est de fixer le
seuil bas du potentiel de sortie et la seconde de former un
filtre passe-bas du premier ordre avec la capacité C10. Ce
filtre atténue les variations du signal Synchro_U en entrée
du microcontrôleur.
Figure 4: Modèle Synchro U
Sur la Figure 5 on observe que le modèle est pleinement
fonctionnel car quand on passe d’une alternance positive à
négative il y a un front descendant sur la sortie de
synchronisation de la tension. Afin d’être totalement certain
que mon modèle fonctionnait correctement j’ai réalisé une
simulation Pspice ainsi qu’une mesure sur un produit du
groupe. Pour réaliser cette mesure j’ai utilisé un
oscilloscope MSOX3014A, une sonde différentielle et une
sonde classique pour mesurer le signal de « synchro U » (en
vert sur la Figure 5 sur la capture d’écran d’oscilloscope).
Comme attendu le modèle Pspice et la mesure sur produit
me donne le même résultat.
(a) Modèle Simulink
400V
VI. CONCLUSION
Mon objectif était de construire un modèle pour notre
variateur de lumière et de prendre en compte plusieurs
domaine physique (thermique par exemple) qui impacte les
produits. J’ai réussi à terminer la majeure partie des
objectifs que je m’étais fixé en réalisant un modèle tenant
compte de l’impact thermique sur nos produits. J’ai aussi
conçu un modèle quasiment complet mais je n’ai
malheureusement pas eu le temps d’achever ce dernier. Les
perspectives pour la suite sont de continuer de développer
mon modèle en l’enrichissant des dernières fonctions que je
n’ai pas eu le temps d’achever.
VII. REFERENCE
[1]
J. B. Smith, J. Speakes and M. H. Rashid, "An
Overview of the Modern Light Dimmer: Design,
Operation, and Application," in Power
Symposium, 2005. Proceedings of the 37th
Annual North American, 23-25 Oct. 2005.
[2]
J. C. W. Lam, J. C. Y. Hui and P. K. Jain, "A
Dimmable High Power Factor Single-Switch
Electronic Ballast for Compact Fluorescent
Lamps With Incandescent Phase-Cut Dimmers,"
IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.
59, no. 4, pp. 1879 - 1888, Avril 2012.
[3]
S. Y. R. Hui, L. M. Lee, H. S.-H. Chung and
Y. K. Ho, "An Electronic Ballast with Wide
Dimming Range, High PF, and Low EMI," IEEE
Transactions on Power Electronics, vol. 16, no. 4,
pp. 465 - 472, Juillet 2001.
[4]
S. T. S. Lee, H. S.-H. Chung and S. Y. R. Hui,
"TRIAC Dimmable Ballast With Power
Equalization," IEEE Transactions on Power
Electronics, vol. 20, no. 6, pp. 1441 - 1449, Nov
2005.
[5]
A. Tjokrorahardjo, "Simple Triac Dimmable
Compact Fluorescent Lamp Ballast and Light
Emitting Diode Driver," in Applied Power
Electronics Conference and Exposition (APEC),
Palm Springs, CA, USA, Février 2010.
[6]
C.-S. Wang, "Flicker-Insensitive Light
Dimmer for Incandescent Lamps," IEEE
Transactions on Industrial Electronics, vol. 55,
no. 2, pp. 767 - 772, Février 2008.
[7]
H.-M. Jung, J.-H. Kim, B.-k. Lee and D.-W.
Yoo, "A new PWM dimmer using two active
switches for AC LED lamp," in International
Power Electronics Conference (IPEC), Sapporo,
JAP, 21-24 Juin 2010.
200V
0V
-200V
-400VV(V1:+)
3.0V
2.0V
1.0V
SEL>>
0V0s V(C4:2) 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms100ms
Time
(b) Modèle Spice
(c) Résultat de mesure
Figure 5: Modèle Synchro U: Simulink Model (a) Spice Model
Leading (b) Product Measurement(c)