Montage élévateur de tension à correction de facteur de puissance

K1 – Montage elevateur de tension a
correction de facteur de puissance
Objectif :
Montrer que l’on peut prélever l’énergie coté réseau avec un facteur de puissance optimal, pour une
énergie constante coté charge. Nous rappelons que la charge est non linéaire.
Le montage PFC corrige deux aspects : déformation harmonique et puissance réactive.
A) Etude d'un redresseur par pont de diode à capacité en tête :
Nous commençons par le montage suivant :
On a un redresseur à pont de diodes avec une capacité pour lisser la tension de sortie.
En théorie : On a en sortie du transfo : Usmax = 24sqrt(2) = 33,9V
=> Usmoy=32,3V, Idmoy= 73mA ,ΔUs=3,27V, Ipeak=1,51A
Nous relevons les courbes suivantes :
Avec une charge de 220ohm, nous relevons: ΔUs =3,6V , Usmoy=34,5V Idmoy=160mA Ipeak=2,1A
Nous remarquons que le courant absorbé (jaune) n'est pas du tout sinusoïdal avec un TDH=86% et
va fortement perturber le réseau.
Commentons l'allure de la tension (violet) : lorsque la diode est bloquée, le condensateur fourni de
l'énergie à la charge, il se décharge donc (tension décroissante). Lorsque la diode est passante, il y a
un fort pic de courant et le condensateur se charge jusqu'à ce que le courant soit trop faible et
bloque la diode. Les pulses de courant sont gênants car ils déclenchent les éventuelles protections.
De plus, il y a de fortes ondulations de la tension de sortie.
Lorsqu'on diminue la charge, on a un TDH qui diminue et un pic de courant encore plus grand.
Avec une charge de 60ohm, nous relevons: ΔUs =9V , Usmoy=31,7V Idmoy=607mA Ipeak=5,6A
B) Etude du montage convertisseur élévateur de tension "BOOST"
Nous étudions cette fois le montage suivant :
Entre 0<t<α T, T est passant donc on stock dans L et on a VL=E*t
Entre αT<t<T, T est bloqué donc VL = (E- Vs)*t <0
pour t=αT : E*α*T=-(E-Vs)(T-α*T) => Vs/E=1/(1-α) c’est donc un montage élévateur
ΔiL = Ilmax-Ilmin=(E*α*T)/L - (E-Vs)(T)= ...
Nous relevons les courbes suivantes :
La forme du signal du courant commence déjà à être sinusoïdale. Les « pics » de courant
correspondent aux instants de commutation et son beaucoup moins important que lors du
premier essaie. Le courant est plus étalé dans le temps et s'approche d'une sinusoïde. Il y a
beaucoup moins d’harmoniques que précédemment.
Avec une charge de 220ohm, nous relevons: ΔUs =1,8V , Usmoy=56V Idmoy=450mA Ipeak=13,4A
Nous relevons TDH = 53%
Lorsque nous diminuons Rc, Usmoy diminue à 46V et le temps de charge de la bobine est
plus long. Ceci engendre que le courant est plus élevé et plus ondulé. Il sera nécessaire de
réguler le courant autour d'une sinusoïde en phase avec le réseau pour ne pas le perturber.
Mesure et interprétation analytique
Sans charge
α=0,06
Vs= 35V
α=0,13
Vs=38V
α=0,175
Vs=40,4V
α=0,25
Vs=46,7V
Avec charge
Vs=32,7
Vs=36V
Vs=37,3V
Vs=38,6V
C) Etude de la boucle interne 1 : "Régulation en courant"
Nous nous intéressons à présent au montage suivant :
Nous réalisons une régulation en courant avec un montage à trigger de Schmidt. Cela nous permet
d'éviter d’absorber un courant trop déformé (notamment les pics de courant de la capa) et absorbé
un courant bien sinusoïdal. C’est pour cela qu’on absorbe un courant redressé avec la commande en
sinusoïde redressé. Afin d’avoir un courant absorbé total sinusoïdale avant le pont.
Si le courant est asservi à la forme d’un sinus redressé il sera, vu du réseau, un courant « propre »
sans harmonique. Le « pas » de connexion est celui du hachage du MOS modulo l’épaisseur du
trigger hysteresis. Le ΔI ne peut pas être trop faible car sinon le MOS commute beaucoup et
engendre beaucoup de pertes par commutations, pour une précision pas toujours indispensable.
A ΔI minimum on a en quelque sorte une régulation plus fine car cela correspond à la mise en
conduction du transistor lorsque le courant I passe en dessous de Icons. On a une commande du
transistor en MLI. On a donc un courant qui ressemble bien à une sinusoide redressée.
Mais lorsque ΔI est grand c’est le contraire, on a une mise en conduction un peu trop tard ce qui fait
revenir à une forme de courant comme dans 1) et la tension Usmoy diminue.
ΔI est limité car on a besoin d’un Imin pour commander le transistor (car il faut que le Vgs dépasse un
certain seuil pour permettre au courant de passer entre le drain et la source). Mais surtout on a
beaucoup plus de commutations du transistor ce qui augmente les pertes par fréquence.
Nous remarquons que le TDH reste inchangé par rapport à l'essaie précédente, cependant le facteur
de puissance est bien meilleur car I est en phase avec le secteur.
En diminuant Rc, on a un TDH plus faible mais la tension de sortie diminue fortement (U=RI). Il sera
nécessaire par la suite de réguler en tension pour avoir une tension de sortie constante quelque soit
la charge.
Intérêt : peu de perturbations harmoniques, présence régulation et meilleur facteur de puissance
Défauts : piloté en courant, limites rapides sur la régulation du au fonctionnement du boost et
tension de sortie pas fixe.
D) Etude de la boucle interne 2 :" Régulation en tension-courant"
Nous étudions dans cette partie le montage suivant :
Le courant de ligne sans régulation amène trop de distorsions harmoniques poluantes. Il est alors
asservi par une boucle de contre réaction : comparaison un sinus redressé parfait (en phase avec
la tension car la référence courant est prise sur la tension) et pilotage du MOS du BOOST en
conséquences. Mais l’objectif final du montage est de contrôler la tension dont la consigne est
donnée en tension, elle est composée à la tension aux bornes de la charge. Le résultat passe dans
un correcteur PI qui sort une consigne de courant. La boucle de courant prend alors cette valeur
pour référence et va modifier –toujours sous la forme « propre »voulue) le courant de ligne. La
tension va alors évoluer et ce jusqu’à la valeur voulue. La consigne en courant se fait via la
tension de sortie.
Lorsque la valeur de la charge diminue, on a un TDH qui diminue, un facteur de puissance qui
s'améliore et devient très bon (0.98) mais le ΔVs augmente.
Le gros avantage est d’avoir une tension constante en sortie avec un coefficient de puissance qui
change lorsque la charge diminue. Le condensateur va recevoir moins de courant donc moins de pics
de courant et surtout moins de puissance réactive donc un coefficient de puissance plus grand.
Lorsque qu’on a un Ti petit on a une réponse plus rapide (car 1/ti grand !)
Lorsque l'on augment brutalement la charge (de 60ohm à 220ohm), on a un fort pic de tension et un
dépassement de 26%. On a effectivement un faible appel en courant qu'il faut rapidement réguler
pour pas avoir un tension trop élevée en sortie.