TP de CONVERSION de l`ENERGIE

INSA de Toulouse
Département Génie Electrique et Informatique
4ème année AE
Année 2009-2010
TP de CONVERSION de l'ENERGIE
Citation à méditer : « L'électronique de puissance ne peut être qu'une électronique de
commutation » (Guy Séguier).
Objectifs du TP : Concevoir et réaliser une cellule de hacheur dévolteur (ou d'onduleur), ainsi que
son circuit de commande qui met en œuvre le principe de la Modulation de Largeur d'Impulsion.
Les concepts que l'on vous demandera d'acquérir sont les suivants :
● Comprendre le fonctionnement de la brique de base d'un convertisseur statique : la cellule
de commutation.
● Savoir analyser les phénomènes présents lors de la commutation.
● Savoir bien distinguer les différentes échelles temporelles : durée de la commutation / de la
période de découpage / de la période du signal modulant.
Planning prévisionnel : (donné à titre indicatif)
Séance 1
Séance 2
Étude du hacheur
dévolteur
(Commande directe par le
GBF)
Insertion de l'étage driver
de MOS + essais.
Câblage du générateur de
signaux triangulaires.
Séance 3
Séance 4
Étude de la MLI. Mesure
de la valeur de
l'inductance.
Mise en oeuvre de la sonde
différentielle de tension.
Étude de la structure en
pont complet : hacheur 4
quadrants et onduleur de
tension.
Evaluation du travail effectué en TP :
ème
● Fiche de mesure (1 par binôme) à remettre en fin de 4
séance.
● Un examen écrit (questionnaire TP) individuel, sur table, et sans document, à l'issue des 4
séances, accolé au contrôle final de conversion d'énergie.
Organisation générale du circuit de conversion à réaliser :
Constant
(cas du hacheur)
GBF
Sinusoïdal
(cas de l'onduleur)
Signal
modulant
+
0 1
_
Porteuse
triangulaire
Signal de commmande MLI (TTL)
5V
0V
Alimentation DC
Charge RL
ou moteur CC
E=20V
ou
Figure 1 : synoptique général du montage à réaliser.
La charge connectée au hacheur dévolteur sera soit du type R-L, soit un moteur à courant continu.
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I] Etude du hacheur dévolteur :
Concevoir puis réaliser un bras de hacheur dévolteur à l'aide des éléments fournis :
● une charge R-L série,
● une carte support de composants de puissance,
● un module de transistor MOS,
● un module de diode de commutation.
I.1] Commande directe du transistor MOS par le GBF :
Commander tout d'abord le transistor MOS avec un signal carré 0-10V, à une fréquence de
découpage fdec=20kHz.
1) Observer les formes d'onde de la tension grille-source (notée VGS), de la tension drain-source
(notée VDS), puis du courant dans le transistor (noté iT).
2) Repérer les phases durant lesquelles le transistor est bloqué, et celles où il est passant.
3) Faire varier le rapport cyclique du signal de commande. Quelle est la conséquence sur la
valeur moyenne de la tension VDS, sur la valeur moyenne du courant iT ?
4) Mesurer le temps de montée de la tension VGS. Évaluer la constante de temps
correspondante. Quel est le seuil de VGS à partir duquel le transistor MOS est passant ?
5) Observer l'influence de l'amplitude de la tension de commande sur la mise en conduction du
MOS. Que se passe-t-il si on commande le MOS par un signal carré 0-5V, puis un signal
carré 0-2V ?
6) Observer la différence de potentiel entre 2 points de la piste GND suffisamment éloignés.
Quel est le problème rencontré ? Sous quelle condition peut-on considérer qu'un fil (ou une
piste de circuit imprimé) est une équipotentielle ?
I.2] Insertion d'un étage driver de MOS :
Afin d'optimiser la mise en conduction du transistor MOS, ainsi que son blocage, on souhaite
insérer un étage « driver » entre la grille de ce dernier et le GBF. Le signal de commande délivré
par le GBF sera cette fois-ci choisi au format standard TTL : un créneau 0-5V. Le but de l'étage
d'interfaçage est de permettre une charge et une décharge plus rapide de la capacité parasite d'entrée
du MOS (capacité grille-source notée Ciss , voir figure 2).
D
10Ω
47kΩ
G
Ciss
S
Figure 2 : module de transistor MOS avec sa diode interne.
7) Concevoir et câbler sur plaque d'essai l'étage driver. On pourra utiliser au choix soit une
structure de type push-pull, soit une structure de type totem-pôle à trois transistors
bipolaires.
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8) Observer le bénéfice obtenu par l'ajout du driver. Comment ont évolué les formes d'onde de
VGS, de VDS ? Les temps de commutation se sont-ils améliorés ?
9) Observe-t-on des phénomènes indésirables dus au fait que les commutations sont plus
rapides ?
I.3] Réalisation d'une commande modulée en largeur d'impulsion :
La modulation de largeur d'impulsion (MLI) est une stratégie qui permet de faire varier le rapport
cyclique des créneaux de tension observé aux bornes de la charge. Il est ainsi possible de moduler la
valeur moyenne glissante de cette tension. Cette propriété sera utilisée lors de la dernière partie de
ce TP (réalisation d'un onduleur monophasé).
La MLI est basée sur le principe d'un signal périodique triangulaire, dont la fréquence fixe celle des
commutations du hacheur. On note fdec cette fréquence de découpage. Le signal triangulaire est
comparé au signal modulant basse fréquence (fmod << fdec).
● Lorsque le modulant est supérieur à la porteuse triangulaire, alors la tension de commande
du MOS est à l'état haut (Vcde=+5V).
● Inversement, lorsque le modulant est inférieur à la porteuse triangulaire, alors la tension de
commande du MOS est à l'état bas (Vcde=0V).
10) Concevoir et câbler sur plaque d'essai un générateur de signaux triangulaires, de fréquence
fdec=20kHz, et d'amplitude 10V crête à crête. On pourra utiliser un AO dual intégré dans le
même boîtier (TL072 ou TL082). Le montage sera alimenté par une tension symétrique de
±15V.
11) Câbler le comparateur tout ou rien. On utilisera un comparateur rapide tel que le LM311.
12) Observer le fonctionnement du hacheur commandé en MLI. Choisir pour cela un signal
modulant de très faible fréquence (fmod < 1Hz). Visualiser la porteuse triangulaire et le signal
de commande du transistor MOS. Comment évolue le rapport cyclique de la tension de
commande lorsque le signal modulant augmente ? Même question lorsqu'il diminue ?
13) Représenter l'allure du courant dans la charge obtenue pour un rapport cyclique égal à 20%,
puis pour un rapport cyclique égal à 80%.
14) Mesurer l'ondulation du courant (crête à crête) obtenue pour un rapport cyclique égal à 50%.
En déduire la valeur de l'inductance de la bobine utilisée.
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II] Test et mise en oeuvre d'une sonde différentielle de tension :
La sonde différentielle de tension doit permettre de mesurer une différence de potentiel entre deux
points du circuit de puissance. Elle permet de s'affranchir du problème de conflit de masses, que
l'on rencontre lorsque les deux masses des deux sondes d'oscilloscope sont branchées en deux
points de potentiels différents. On peut également utiliser la sonde différentielle pour observer
l'allure du courant dans la charge, en sortie de l'onduleur, comme indiqué sur le schéma de la figure
3. La résistance de mesure vaut Rmes= 0,5Ω. Le composant actif utilisé dans cette sonde est un
INA111. Il s'agit d'un amplificateur d'intrumentation rapide (bande passante et slew-rate élevés) à
gain réglable par un potentiomètre.
15) Tester tout d'abord la sonde différentielle en observant un signal carré (TTL) à 20kHz issu
d'un GBF. Mesurer le slew-rate (dVs/dt). Comparer le slew-rate mesuré avec celui annoncé
dans la documentation technique de l'INA111.
16) Le potentiomètre RG de l'INA111 permet de faire varier le gain de l'amplificateur
d'instrumentation. Faire varier le gain en jouant sur RG.
● Observer le phénomène de dépassement (overshoot) lorsque le gain de l'INA111 est faible.
● Observer l'effet indésirable du slew-rate lorsque le gain de l'INA111 est plus élevé.
● Conclure sur la nécessité d'un compromis sur la valeur du gain. On règlera dorénavant le
potentiomètre sur cette valeur optimale de gain. Mesurer dans cette condition le coefficient
d'amplification de la sonde différentielle.
17) Concevoir une méthode qui permette de mesurer expérimentalement le taux de réjection de
mode commun du montage.
18) Régler le potentiomètre Rp de manière à minimiser le gain de mode commun de la sonde
différentielle.
19) Déterminer le taux de réjection de mode commun pour différentes fréquences.
20) Observer la forme de la tension VS(t) en réponse à une tension de mode commun de forme
rectangulaire et de fréquence 20kHz. Analyser et interpréter vos observations.
VA-VB= Rmes*ICH
B
Rmes
R0
A
ICH
R2
_
B'
R1
RP
Valeur des composants :
+
A'
oscilloscope
INA111
VS
R3
RG
Rmes= 0,5Ω
R0= 30kΩ (résistance à 1%)
R1= 10kΩ (résistance à 1%)
R2= 30kΩ (résistance à 1%)
R3= 10kΩ (résistance à 1%)
Rp= 1kΩ
RG=100kΩ
Figure 3 : schéma de principe de la sonde différentielle
(application à la visualisation du courant dans la charge).
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III] Etude du hacheur en pont complet :
III.1] Hacheur en pont complet :
L'étude portait jusqu'à présent sur une structure de hacheur en demi-pont qui permet uniquement
d'obtenir une tension de signe constant aux bornes de la charge. Lorsque l'on désire avoir une
réversibilité en tension (par exemple pour pouvoir inverser le sens de rotation d'un moteur à courant
continu), il est nécessaire de passer à une structure en pont complet. Celle-ci est obtenue en insérant
la charge entre deux cellules de commutation (voir figure 4). Grâce à des interrupteurs
bidirectionnels en courant, on obtient finalement à la fois la réversibilité en tension et en courant au
niveau de la charge. Pour cette raison, le hacheur que l'on vous propose de câbler ici s'appelle
également hacheur quatre quadrants.
21) Câbler le deuxième bras de hacheur de manière à obtenir un hacheur 4 quadrants. Insérer les
deux drivers dédiés à la commande de chacun des deux bras. Pour les questions 21 à 24, on
utilisera la charge RL.
22) Câbler la commande MLI du deuxième bras de hacheur. On pourra réutiliser le signal
triangulaire généré dans la question 10, et lui adjoindre un deuxième comparateur de type
LM311 (voir figure 4).
23) Observer les signaux de commande des 2 cellules de commutation. Vérifier qu'ils sont bien
complémentaires.
24) Observer la tension Uch aux bornes de la charge, ainsi que le courant ich qui entre dans celleci. Faire varier la tension de consigne Vcons, et observer l'effet induit sur Uch et ich . Tracer les
formes d'onde correspondantes sur la feuille de mesure. Exprimer Uch en fonction de la
tension d'alimentation E et du rapport cyclique α2 qui caractérise le fonctionnement de K2
(voir figure 4).
25) Placer un moteur à courant continu (à aimants permanents) en guise de charge. Vérifier que
l'on peut contrôler à loisir sa vitesse de rotation, ainsi que son sens de rotation.
E=20V
Tension
de
consigne
Cellules de commutation
+
LM311
Porteuse
triangulaire
Signal de
commmande 1
MLI (TTL)
+
K1
M
K2
0 1
Uch
ich
K3
DRIVER 2
0 1
_
DRIVER 1
Vcons
K4
_
LM311
Signal de
commmande 2
MLI (TTL)
Figure 4 : structure de hacheur en pont complet
(utilisation pour la commande d'un moteur à courant continu)
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III.2] L'onduleur monophasé :
L'onduleur monophasé possède exactement la même structure que le hacheur 4 quadrants. Sa seule
différence découle de la manière de le faire fonctionner : au lieu de choisir une tension de consigne
constante Vcons, on place un GBF pour délivrer un signal modulant sinusoïdal lentement variable.
26) A partir du schéma électrique de la figure 4, remplacer la tension de consigne constante Vcons
par un signal sinusoïdal lentement variable. Observer les formes d'onde de Uch et ich .
27) A l'aide de l'oscilloscope numérique, visualiser la FFT de la tension Uch . A quelle fréquence
se situe la raie fondamentale de Uch ? Le spectre de Uch possède-t-il des raies harmoniques ?
Si oui, autour de quelle fréquence sont centrées ces raies harmoniques ? Tracer le spectre de
la tension de sortie Uch sur la feuille de mesures.
28) Essayer différentes fréquences et amplitudes de signal modulant, et réitérer les observations
de la question précédente. Remplir le tableau ci-dessous résumant vos observations.
Influence sur la raie fondamentale
Influence sur les raies
harmoniques
Amplitude du signal modulant
Fréquence du signal modulant
(fmod)
Fréquence de découpage
(fdec)
Tableau 1 : analyse de l'influence du signal modulant et de la fréquence de découpage sur le
spectre de la tension de sortie de l'onduleur MLI.
29) Quels phénomènes limitent la plage d'utilisation (en amplitude et en fréquence) du signal
modulant ?
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