LIAISON REFERENTIEL Chap E3 §E31 : Fonction en logique
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CIRCUITS DE PUISSANCE Commande par modulation d’énergie Centre d’intérêt n° 8 : Circuit_P_B122 Pilotage, contrôle et comportement d’un système pluritechnologique. LIAISON REFERENTIEL : B.121- L’alimentation en énergie B.122- Les circuits de puissance – Commande par modulation d’énergie Thèmes : E5 : Liaison entre chaîne d’énergie et chaîne d’information E6 :La commande modulée de la chaîne d’énergie I5 :Commande de la chaîne d’énergie Compte rendu Chaîne d’information ACQUERIR TRAITE R COMMUNIQUE R Ordres Consigne Chaîne d’énergie Energie d'entrée ALIMENTE R DISTRIBUE R CONVERTIR AGIR TRANSMETTRE I- PRESENTATION - DEFINITION : La chaîne d’information reçoit les informations, les traite, élabore des ordres de pilotage adressés à la chaîne d’énergie, et génère des comptes rendus. De l’exemple ci-dessus, la fonction qui permet de transmette la puissance est le bloc distribuer. On peut distribuer l’énergie de deux façons : - Soit de manière modulée. - Soit sous forme de tout ou rien (TOR) II- LA MODULATION D’ENERGIE : La modulation d’énergie consiste à convertir une source d’énergie (courant ou tension fixes) en une autre énergie variable. On parle alors de convertisseurs statiques. Ces convertisseurs utilise pour leur Fonctionnement des interrupteurs statiques tel que : - Les transistors de puissance (bipolaire, Mos, IGBT, triac, thyristor) II-1- Les transistors MOS : Métal Oxyde Semiconductor, les transistors bipolaires présentent l’inconvénient d’avoir des temps de commutation lents ce qui se traduit pour les composants lors de la commutation par une puissance dissipée non négligeable. Les transistors Mos contrairement aux bipolaires sont commandés en tension. (Il n’y a pas de gain). La présence d’une tension sur " grille " rend le composant passant. Lorsque le transistor MOS est passant il se comporte comme une résistance quasi nulle (RDSON). Circuits_P_2_B122 [email protected] http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ CIRCUITS DE PUISSANCE Circuit_P_B122 Commande par modulation d’énergie Symbole : G : Représente la grille, c’est là qu’on applique le signal de commande. D G D : Représente le drain, c’est là que se connecte la charge. S : Représente la source, c’est là que l’on place la masse. S Représenter les tensions caractéristiques II-2- Les transistors IGBT : C’est un composant hybride qui allie les avantages des deux technologies précédemment étudiées Insulate Gate Bipolar Transistor. G II-3- Les thyristors : Un thyristor est un semi-conducteur bistable contrôlable par un circuit d’amorçage pour la mise en conduction, le blocage s’effectuant lors de la disparition du courant direct. Avec des thyristors il est possible de faire varier la tension de sortie en agissant sur le temps de conduction. On obtient alors un redressement commandé. Il existe aussi les thyristors GTO (gate turn off) ou le blocage est assuré par une impulsion négative sur la gâchette. Ils peuvent aller jusqu'à 400A sous 2500v. Principe de fonctionnement Sens passant Uak A Sens bloqué Uka i K G Ig A Ug K G Dans le sens passant il faut pour que le transistor, que la tension Uak soit positive et qu’il y ait un courant de gâchette Ig suffisant. Dans le sens bloqué il faut que la tension Uak passe par 0 ou s’inverse pour que le courant dans le circuit s’annule. Dés qu’un thyristor est amorcé par le courant de gâchette, ce courant peut être supprimé ;le thyristor continue à conduire tant que Uak est positif. Circuits_P_2_B122 [email protected] http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ CIRCUITS DE PUISSANCE Commande par modulation d’énergie Courbes caractéristiques Circuit_P_B122 Caractéristiques techniques : Ce sont les mêmes données que les diodes avec en plus : It état passant Le courant de maintien (Ih ), valeur minimale nécessaire pour maintenir la conduction. tension de retournement Vrrm Ih tension de claquage en inverse Vth Vdrm Vbo Vt Le courant d’accrochage (Il ), valeur minimale à maintenir pendant une durée bien précise après disparition de l’impulsion de commande Il> 2Ih. Ir état bloqué La tension (Vgt) et le courant (Igt) d’amorçage Protection des thyristors Contre les surintensités : La protection peut-être assurée par un fusible ultra rapide ou un système limiteur électronique.(Inductance simple ou saturable). Contre les amorçages trop rapides di/dt. Une inductance montée en série. Contre les blocages trop rapides dv/dt. On emploie soit un condensateur, soit un filtre RC pour limiter le courant. II-4- Le triac : Le triac ( Triode Alternatif Current ) est un semi-conducteur bistable bidirectionnel contrôlable par un circuit d’amorçage pour la mise en conduction, le blocage s’effectuant lors de la disparition du courant direct. Le triac est équivalent à deux thyristors tête bêche. Il n’existe qu’une gâchette et deux anodes. Symbole Vt Gachette It Anode 2 Anode 1 Domaine d’utilisation des Triacs. Les triacs permettent de remplacer les thyristors dans les gradateurs à trains d’ondes. Ils peuvent contrôler des courants de 1 à 60A avec des tensions inverses de 700 à 1000v. Choix d’un Triac Les critères sont les mêmes que les diodes et les thyristors. La caractéristique nouvelle est le signe du courant de gâchette. Circuits_P_2_B122 [email protected] http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ CIRCUITS DE PUISSANCE Commande par modulation d’énergie Circuit_P_B122 III- LES HACHEURS : Les hacheurs sont des convertisseurs statiques qui convertissent une tension fixe continue en une tension continue variable. Dans cette famille il en existe différents types. III-1-Hacheur 1 Q « abaisseur » : Ce convertisseur transforme une tension continue fixe en une tension moyenne plus petite. Schéma de principe : Uk k Ue Ur R Ur t T t A intervalle régulier on ferme k, on définit alors une Période T qu’on appelle période du hacheur. A chaque fermeture de k une tension aux bornes de R apparaît. L’instant de fermeture est appelé α on le nomme rapport cyclique, il est sans unité. Tracer la tension aux bornes de R Exprimer la tension aux bornes de R La résistance peut-elle stocker de l’énergie ? La puissance est donc toujours positive du point de vue récepteur. Schéma réel : Si on remplace la résistance par un moteur Quel signe a la puissance quand le moteur est alimenté. Quel signe à la puissance quand le moteur n’est pas alimenté. L’interrupteur est unidirectionnel que se passe t-il alors Quelle élément faut-il rajouter. Cette energie est donc perdue, pour la reccupérer il faut changer de Structure. Circuits_P_2_B122 [email protected] http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ CIRCUITS DE PUISSANCE Commande par modulation d’énergie Circuit_P_B122 III-2-Hacheur 2 Q « abaisseur » : Ce convertisseur permet de restituer à la source l’énergie ce que peut fournir un récepteur quand il devient générateur. Schéma réel : Nous sommes sur une pente montante Il faut fournir de l’énergie pour la gravir. La puissance réceptrice est donc positive. En haut de la cote on redescend l’inertie nous entraîne plus vite, le moteur devient générateur la puissance devient négative. Quel est le paramètre qui a change de signe ? Représentation des quadrants Couple ou courant Vitesse ou tension III-3-Hacheur 4 Q « abaisseur » : Ce convertisseur permet de restituer à la source l’énergie ce que peut fournir un récepteur quand il devient générateur, mais en plus il peut alimenter le récepteur sous une tension et un courant négatif et restituer l’énergie quand le courant s’inverse de nouveau. Schéma réel : Couple ou courant T1 D1 T2 D2 Vitesse ou tension T3 Circuits_P_2_B122 D3 T4 D4 [email protected] http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ CIRCUITS DE PUISSANCE Circuit_P_B122 Commande par modulation d’énergie Représentation de la tension aux bornes de la charge : Nous allons prendre 3 valeurs pour α : 0.25 ; 0.5 ; 0.75. Vc Vc T1-T4 T2-T3 αT T Vch +E t αT T t t T Vch αT Vc αT t T Vch αT T t αT T t -E Commentaire : Quand la tension moyenne est positive un moteur à courant continu tourne dans un sens Quand la tension moyenne est n égative un moteur à courant continu tourne dans l’autre sens Quand cette même tension moyenne est nulle un moteur à courant continu est à l’arrêt. Remarque : Par rapport à un hacheur 1 Q la tension moyenne pour une même source de tension est deux fois plus petite. III-4- LES SYSTEMES LIES A CE TYPE DE MODULATION : Dans le laboratoire : - Sécateur électronique Pellenc - Le balai d’essuie-glace Mercédes - Le joystick sidewinder - L’informatique - … Hors du laboratoire : - Les trains de banlieue, RER … - Les jouets pour enfant (Transportabilité) - L’informatique - … IV- LES ONDULEURS : L’association de composants qui forment un onduleur permet la conversion d’une énergie continue en une énergie alternative. En reprenant la structure ci-dessus et dans le cas α = 0.5 comment est la forme de la tension ? ALTERNATIVE Donc le moteur asynchrone monophasé tourne. Mais sa vitesse est comment ? CONSTANTE car f=pn Et si on fait varier la fréquence et donc la période la vitesse du moteur asynchrone varie. Circuits_P_2_B122 [email protected] http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ CIRCUITS DE PUISSANCE Commande par modulation d’énergie Circuit_P_B122 IV-1- LES SYSTEMES LIES A CE TYPE DE MODULATION : Dans le laboratoire : - Rien - … Hors du laboratoire : - Les ascenseurs - Les escalators - L’informatique - … V- LA CONVERSION ALTERNATIF/CONTINU FIXE: Ces convertisseurs permettent la conversion d’une énergie alternative en une énergie continue. Si la tension de sorite est fixe on utilise des diodes (pont fixe), si l’on souhaite moduler cette énergie on utilisera une association de diodes et thyristors (pont mixte) ou encore que des thyristors (pont complet). Dans le laboratoire : - Alimentation - Chargeur du sécateur - Le joystick - … Hors du laboratoire : - Les ascenseurs - Les escalators - L’informatique - … V-1- Redressement mono alternance : Dans ce montage la source alternative est convertie au moyen d’une seule diode. Structure d’un redressement mono alternance : XSC1 G A B T D1 V1 1BH62 10V 10Hz 0Deg R1 330ohm XSC2 G A B T Flécher les tensions et le courant sur la maille électrique. Ecrire la maille électrique. Analyser le fonctionnement pour les deux cas de la tension d’entrée. Circuits_P_2_B122 [email protected] http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ CIRCUITS DE PUISSANCE Circuit_P_B122 Commande par modulation d’énergie Remarque : Nous venons de créer une tension unidirectionnelle, mais ce qu’on souhaite c’est d’avoir une tension continue. Quel composant permet de stoker de l’énergie et de la restituer : LE CONDENSATEUR On remarque que la tension tend à être continue mais il existe encore une grande ondulation. V-2- Redressement bi alternance : Dans ce montage la source alternative est convertie au moyen de 4 diodes. Circuits_P_2_B122 [email protected] http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ CIRCUITS DE PUISSANCE Commande par modulation d’énergie Circuit_P_B122 Structure d’un redresseur 4 diodes (pont PD2 ou de Graetz) : Flécher les tensions et le courant sur la maille électrique. Ecrire les mailles électriques. Analyser le fonctionnement pour les deux cas de la tension d’entrée. Remarque : La tension est toujours unidirectionnelle mais sur le même temps elle a une valeur moyenne deux fois plus grande. Si on place à présent un condensateur. Circuits_P_2_B122 [email protected] http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ CIRCUITS DE PUISSANCE Commande par modulation d’énergie Circuit_P_B122 On obtient à présent une tension continue. Notre convertisseur est bien un convertisseur alternatif/continu. Si maintenant on diminue la charge le courant croit, le signal s’écroule car la source alternative et le condensateur ne sont plus en mesure de fournir le courant nécessaire. On place alors un régulateur de tension. Circuits_P_2_B122 [email protected] http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ CIRCUITS DE PUISSANCE Commande par modulation d’énergie Circuit_P_B122 VI- LA CONVERSION ALTERNATIVE/CONTINUE VARIABLE (redressement commandé): VI-1- Nécessité : Nous avons vue que nous pouvions convertir une tension sinusoïdale en une tension continue en utilisant un redresseur à diode. Si l’on souhaite faire varier cette tension continue on utilise un convertisseur continu/continu type hacheur, cela nous fait donc utiliser deux structures à interrupteurs statiques. Quel est l’autre moyen ? Utiliser un redresseur commandé à thyristors VI-2- Redressement commandé mono-alternance : Dans cette structure on utilise un seul thyristor à l’image de ce qu’on a vu précédemment Représentation des tensions : Angle de retard à l’amorçage de 135° Tension moyenne aux bornes de la charge Aux bornes de la charge Circuits_P_2_B122 Aux bornes du thyristor [email protected] http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ CIRCUITS DE PUISSANCE Commande par modulation d’énergie Circuit_P_B122 Angle de retard à l’amorçage de 45° Tension moyenne aux bornes de la charge Aux bornes de la charge Aux bornes du thyristor Conclusion : En déplaçant l’ordre de commande (retard à l’amorçage) on fait varier la tension moyenne aux bornes de la charge. Cependant on perd une partie du signal nous sommes en mono-alternance. Pour augmenter la tension moyenne nous pouvons ajouter un condensateur de filtrage : Angle de retard à l’amorçage de 45° Tension moyenne aux bornes de la charge Aux bornes de la charge Circuits_P_2_B122 Aux bornes du thyristor [email protected] http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ CIRCUITS DE PUISSANCE Commande par modulation d’énergie Circuit_P_B122 VI-3- Redressement commandé bi-alternance : Dans cette structure on utilise un quatre thyristors à l’image de ce qu’on a vu précédemment On a remplacé les 4 thyristors par leur équivalent symbolique. L’électronique de commande n’est pas à étudier dans notre cas Angle de retard à l’amorçage de 45° Circuits_P_2_B122 [email protected] http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ CIRCUITS DE PUISSANCE Commande par modulation d’énergie Circuit_P_B122 Angle de retard à l’amorçage de 135° Circuits_P_2_B122 [email protected] http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ CIRCUITS DE PUISSANCE Commande par modulation d’énergie Circuit_P_B122 VII- SYNTHESE : DOCUMENT A COMPLETER : Type de conversion Schéma Allure des tensions Valeur moyenne aux bornes de R Valeur efficace aux bornes de R U D1 V1 1BH62 10V 10Hz 0Deg R1 330ohm IO 2 IO 1 t D1 T Redressement Monoalternance 2 1 U R U sin wt.dt T UR 0 t U R UD t D1 V1 1BH62 10V 10Hz 0Deg IO 2 R1 330ohm IO 1 U t D1 Redressement Mono alternance avec filtrage capacitif UR t UD t Circuits_P_2_B122 [email protected] http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ T 2 1 2 2 U sin wt.dt T 0 U UR 2 U R2 CIRCUITS DE PUISSANCE Commande par modulation d’énergie Circuit_P_B122 U D1 D2 1BH62 1BH62 t D1-D3 D2-D4 V1 T T R1 10V 10Hz 0Deg 7.5kohm U R UR Redressement Bi-alternance t D4 D3 1BH62 1BH62 2 1 U sin wt.dt T 2 0 U R UD1-3 UD2-4 t D1 D2 1BH62 1BH62 U t V1 R1 10V 10Hz 0Deg Redressement Bi-alternance avec filtrage capacitif 7.5kohm D1-D3 D2-D4 UR D4 D3 1BH62 1BH62 t UD1-3 UD2-4 t Circuits_P_2_B122 [email protected] http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ U R2 2 1 U 2 sin 2 wt.dt T 2 0 UR U 2 CIRCUITS DE PUISSANCE Commande par modulation d’énergie Circuit_P_B122 U D1 2N1599 t Th1 V1 Redressement Monoalternance commandé 100V 50Hz 0Deg V2 T R1 T 0V 5V 50Hz 3.0kohm 1 U R T UR t 2 U sin wt.dt 1 T 2 2 U sin 2 wt.dt T T U U R (1 cos ) 2 UTh1 U R2 UR U 2 2 2 2 sin 2 ) t U t Th1-Th3 Th2-Th4 T T UR Redressement Bi-alternance commandé U R t U R Uth1-3 Uth2-4 1 U sin wt.dt T 2 T U t Circuits_P_2_B122 [email protected] 2 http://perso.wanadoo.fr/giovanni.delfranco/ (1 cos ) U R2 2 1 U 2 sin 2 wt.dt T 2 T UR U 2 2 (2 2 sin 2 ) CIRCUITS DE PUISSANCE Circuit_P_B122 Commande par modulation d’énergie Valeur moyenne aux bornes de R Vk R1 1kohm V1 Hacheur 1 quadrant M1 12V MOS_3TDN_VIRTUAL t T Ur1 1 <U>= t T2 T1 E T3 Hacheur 4 quadrants αT T1-4 T2-3 VR T4 Vc Vc T VR h+E t Vc αT VR h αT T t t T αT t T VR h αT T t αT T t -E <U> <U> <U> <U> Remarque : pour obtenir le fonctionnement onduleur, il faut garder à 0.5 et faire varier la fréquence si on veut faire varier la vitesse d’une machine à asynchrone. 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