APPLICATION NOTE
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APPLICATION NOTE
Dimensionnement des éléments de puissance
pour un convertisseur AC/DC
!
Projet Génie Electrique 2009/2010 : Cartes de puissance
robustes et isolées galvaniquement
Auteur : Anass MAACH
Client : Michel JAMES
Tuteur industriel : Gérard CHAZELLE
Tuteur technique : Christophe PASQUIER
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Sommaire
Résumé .................................................................................................4
Abstract.................................................................................................5
Introduction...........................................................................................6
Etude d’un montage redresseur ............................................................7
Choix du pont de diode.........................................................................9
Choix des condensateurs de filtrage ...................................................10
Varistance ...........................................................................................14
Fusible.................................................................................................14
Thermistance CTN..............................................................................15
Système de protection des condensateurs...........................................15
Dimensionnement de la résistance de dissipation ..............................18
Solution permettant de shunter la thermistance..................................19
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Dans le cadre de la formation d’ingénieur en Génie Electrique dispensée à
Polytech’Clermont-Ferrand, les étudiants réalisent un projet industriel. Ce
document constitue la note d’application du projet 2009/2010 « Cartes de
puissance robustes et isolées galvaniquement » rédigée par Anass Maach.
Le sujet de ce projet a été proposé par Michel James, enseignant à
Polytech'Clermont Ferrand, en réponse à une problématique récurrente dans le
département Génie Electrique qui est celle de la partie puissance dans la
commande de moteur.
En effet, l'école reçoit souvent des sujets de projet, de la part des industriels,
portant sur la commande de moteur. Ces projets nécessitent toujours une partie
puissance et sa conception est souvent un élément critique qui retarde le travail
des étudiants.
L’objectif final du projet était la réalisation de deux cartes qui soient des
versions plus robustes que celles des années précédentes.
Ce document décrit le dimensionnement des composants d’un convertisseur
AC/DC.
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As part of training to become engineers specialized in electrical engineering at
Polytech'Clermont-Ferrand, students realized an industrial project. This
document is an application note written by Anass Maach and match with the
2009/2010 project called « Robust and galvanically isolated power cards ».
The project's subject was suggested by Michel James, teacher at
Polytech'Clermont Ferrand, in response to a reoccurring problem in the electric
engineering department which is that of the power part of the motor control.
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$(5)+,50E!'*+',5+&+G!6*)*5!'*+)5*%I!These projects always require a power
part which is often a critical element which delay the student's work.
The project's final aim was the creation of four cards which would be more
robust versions than those from previous years. This document describes the
dimensioning of component for a AC/DC converter.
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Un convertisseur AC/DC permet d’obtenir une tension continue (de valeur
moyenne non nulle) à partir d’une tension alternative sinusoïdale (de valeur
moyenne nulle).
On distingue le redressement non commandé, utilisant uniquement des diodes et
délivrant une tension de valeur moyenne non réglable et le redressement
commandé, utilisant des thyristors permettant d’obtenir une tension de la valeur
moyenne réglable"!
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Fig 1: Redressement non commandé
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Fig 2: Redressement commandé
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Fig 3: Redresseur avec protection
L’étude d’un montage redresseur porte sur :
• La recherche de la forme de la tension redressé Vs : étude des semiconducteurs en conduction et de leur durée de conduction.
• Le calcul de la valeur moyenne Vsmoy
• Le calcul de la valeur efficace Vs
• Le calcul du facteur de forme F et du taux d’ondulation
Par définition le facteur de forme F est :
Plus F tend vers 1, plus la tension vs(t) peut être considérée comme continue.
Par définition, le taux d’ondulation est :
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Plus ! tend vers 0, plus la tension redressée vs(t) peut être considérée comme
continue.
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Afin de déterminer le choix du pont de diode, il est nécessaire de calculer le
courant nominal délivré par un moteur de 3KW avec la formule suivante:
I=
P
=
3 *U * cos!
3000
= 10, 8A
3 * 230 * 0, 7
On doit également évaluer les forts pics de courants. Les pics de courant ont
estimer en multipliant par un facteur compris entre 10 et 20. On trouve alors des
pics de courant d’une centaine d’ampère.
On peut prendre pour plus de marge le GBPC3510
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Fig 4 : datasheet du GBPC3510
&
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&
Composant utilisé : Diode de redressement
La diode de redressement est un composant de puissance composé d’une
jonction P-N. Sa caractéristique i = f(u) réelle à l’allure suivante :
!
!
!
Tension de seuil : V0 = 0.9 à 2.6V.
En général 1.2V<V0<1.6V
I0 : courant moyen admissible ("3000A à 50 Hz)
IF : courant de pointe (" 3.Io)
Vrrm : tension inverse maxi (50 V à 3500V)
!
!
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Afin d’améliorer la tension redressée double alternance, on utilise un filtrage
capacitif en plaçant sur un condensateur
Les principaux critères à considérer dans le choix des condensateurs :
·
Sa capacité
·
Sa tension de service
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fig 5: Pont de Graetz avec filtrage
Voici les différents chronogrammes suivant les différentes parties du pont de
Graetz :
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On a les formules suivantes :
P
3 *U * cos !
I=
!
C=
Vemax
2 * R * f *!vs
!
Par définition on a : ic =
C * dv
dt
Or lorsque le condensateur se charge les diodes sont passantes et
vs(t)=Vmax*sin(wt) donc icmax=Vmax*C*w*cos(wt)
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Ic est à sa valeur maximale lorsque cos(wt) est maximum soit lorsque wt est
minimum,donc pour tous les points de même ordonnée que le point A
représenté sur les courbes.
Le point A a pour ordonnée: Vmax-!vs
Vs passe par un minimum lorsque Vmax*sin(wt)= Vmax-!vs
Soit lorsque : sin(wt)= 1Donc wt= sin !1 (1-
!vs
V max
"vs
)
V max
Application numérique :
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R6(ST87CE7CR!
1*<5!<+!)(<S!;3*+;<%()&*+!;,!PQU!
!
V)!T sin !1 (1-
10
) TPE87!5(;I0WP!
325, 35
!
D’où t (temps de décharge des condensateurs)
T=
1, 32
= 3,5 ms
2 * ! * 50
Or I =
P
=10, 8 A
3 *U * cos !
Lors d'un démarrage d'une machine asynchrone, le courant peut atteindre de 4 à
8 fois le courant nominal de la machine, donc icmax est estimé à 43,2A (10,8*4)
icmax=Vmax*C*w*cos(wt)
C =!
ic max
43, 2
!T!
TPMQ9<A
V max* w * cos(wt) 325, 25 * 2! * 50 * cos(1, 32)
On peut alors prendre trois condensateurs d’une valeur de 470uF
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Sachant la tension aux bornes du condensateur sera de 230 2 , c’est pourquoi la
tension de service doit être supérieure, on peut prendre 400V par exemple.
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&
La varistance choisie est la S20K275 de EPCOS, une varistance à base d'oxyde
de zinc. Elle se monte en parallèle sur l'élément à protéger. Au repos, la
varistance présente une impédance très élevée et ne modifie pas les
caractéristiques du circuit électrique à protéger. En présence d'une impulsion
transitoire, l'impédance de la varistance chute très fortement et protège le circuit
situé en aval en le court-circuitant. Dans ces conditions, la varistance limitera la
tension à sa valeur nominale choisie à 275V.
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Il existe deux catégories de fusibles : les rapides et les retardés (appelés aussi
temporisés). Le fusible rapide fond très rapidement dès l'instant où le courant
qui le traverse dépasse la valeur qui conduit à sa fusion. Le fusible retardé
(temporisé) ne fond pas immédiatement, il faut que le courant qui le traverse
persiste un moment à dépasser le seuil autorisé pour que la fusion ait lieu. On
emploie le fusible rapide où aucune surintensité, même très brève n'est
supportée. Et on emploie le fusible retardé dans les montages où l'on sait
d'avance qu'auront forcement lieu des surintensités brèves, la plupart du temps
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au moment de la mise sous tension ou du démarrage d'une charge provoquant un
appel de courant fort.
On choisira alors un fusible temporisée supportant un courant de 20 A et de
tension 220V
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Les CTN (Coefficient de Température Négatif, en anglais NTC, Negative
Temperature Coefficient) sont des thermistances dont la résistance diminue de
façon uniforme avec la température. Une fois la thermistance ayant atteint une
certaine température, elle peut-être considéré comme un fil. La thermistance
CTN va permettre de limiter les appels de courants au démarrage lorsque le
condensateur n’est pas chargé. La thermistance se met en série sur la source
d’énergie.
fig 6: datasheet de la thermistance CTN
La thermistance choisie ici peut supporter un courant allant jusqu’à 16A.
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La fonction permettant de mettre en parallèle la résistance de dissipation est
assurée par un comparateur suivi d’un driver permettant de commander un
transistor. Pour s’assurer que le courant traversant le transistor ne cause pas sa
destruction, il sera identique aux transistors utilisés dans le montage onduleur.
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Transistor :
En fonction de la valeur de la résistance de dissipation, le transistor choisi
(IGBT ou MOSFET) doit pouvoir supporter à ses bornes la tension qui va lui
être imposée (ref : STGP7NC60HD).
Le composant d’aide à la commutation :
Ils se connectent aux bases des transistors et envoie un courant suffisamment
important pour assurer la commutation d’un état ouvert/fermé à un état
fermé/ouvert. (ref : STGP7NC60HD)
Le comparateur :
·
·
·
Pouvoir être alimenté de façon asymétrique.
Il doit délivrer une tension supérieure à la tension Vih du driver.
Il doit délivrer un courant supérieur à la tension Lih du driver.
Exemple : Un amplificateur qui permet de fournir ses propriétés pour le driver
L6386 est le LT1017.
Diviseur de tension :
Lorsque l’on dimensionne les résistances, il faut prendre en compte la puissance
dissipée pour éviter leurs destructions. Pour des résistances de 1⁄4 W et 350
volts en entrée du pont de diodes, on applique la formule : P = U2/R, on trouve
une valeur de R = 490 K#. Ajoutons un coefficient de 1.5 ou 2 pour être sur
d’éliminer entièrement le problème.
On trouve ainsi la valeur minimale des résistances qui forment le pont de diodes.
L’alimentation des circuits intégrés
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a) Calcul du condensateur de filtrage
Comme le transformateur délivre une tension de 18 V et un courant de 650 mA,
la tension redressée à l’aide du pont de diode vaudra 25,5V ( 18 * 2 _!et sachant
I
650 *10 _ 3
que C =
T!
!T!NP<A!^On peut alors prendre comme valeur
U* f
25, 5 * 50
normalisée 100uF)
Les condensateurs C7 et C8 placés entre la sortie du régulateur et la masse ne
sont pas obligatoire, mais il est conseillé de les mettre afin d’éviter tout risque
d'oscillation parasite du régulateur. Selon la documentation constructeur des
régulateurs de tensions on peut prendre comme valeur défaut 0,1 uF.
b) Calcul de la résistance R4
Le type de LED utilisé est le suivant : led rouge 1,6V/200mA
La résistance R4 se calcule de la manière suivante :
R (en ohms) = U (tension aux bornes de R4, en V) / I (courant qui traverse R4 et
D1, en A)
R= (15-1,6) /(0,02)=670 ohms (on peut prendre 1KOhms)
c) Calcul de la résistance R5
Le type de LED utilisé est le suivant : led rouge 1,6V/200mA
La résistance R5 se calcule de la manière suivante :
R (en ohms) = U (tension aux bornes de R5, en V) / I (courant qui traverse R5 et
D1, en A)
R= (12-1,6) /(0,02)=520 ohms (on peut prendre 1KOhms)
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Pour dimensionner la résistance de dissipation Rh correctement, il faut
connaître :
L’énergie envoyée par le moteur
Le nombre de phase de freinage dans le temps
Le temps maximum de freinage
Puissance renvoyée par le moteur
Etant donné que la carte redresseur effectué est un prototype, on peut
surdimensionné cette résistance de dissipation sans effectuer les calculs
complexe.
En se servant de documentation constructeur pour un moteur de 3KW, on peut
choisir une résistance de 39 #, 50 W.
Une autre approche est de considérer notre montage comme un circuit RC
parallèle. Si Rh permet d’évacuer toute l’énergie d’un condensateur en un temps
suffisamment court, elle permettra d’évacuer le surplus d’énergie accumulée
dans les condensateurs en phase de freinage (peut d’énergie à dissiper).
L’étude de la résistance de dissipation revient donc à étudier un montage RC
parallèle. On prend en considération aussi le fait que Rh doit dissiper l’énergie
renvoyée en un temps plus court que la phase de freinage.
On détermine l’énergie à évacuer par la formule :
On en déduit la puissance de la résistance pour un temps de freinage donné :
Ensuite on calcul la valeur de la résistance avec :
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Voici la notice de calcul permettant de calculer les différentes valeurs des
résistances
En utilisant le théorème de Millmann
+
V =!
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V- =
!
!
Y 6Vs + Y 5VA
Y6 +Y5 + Y5
!!Tf!!V0T!
!V - !
V#!!!!!^P_!
Y6 +Y5
Y6
Y6
Y 3 *Vref
Vref
!!Tf!R =
!!^7_!
Y3+Y4
2
Ve *Y1 + Y 5 *V +
VA =
!!^8_!
2
!
?+!&+H,')(+)!%(!5,%()&*+!^8_!;(+0!^P_!*+!*[)&,+)!e!
!
Y 6 + Y 5 Z! Y 5 Y 5 *V + + Y1*Ve
V0T
g!R W!
g!
!
Y1 + Y 5 + Y 2
Y6
Y6
!
Y5
Y1*Ve
Y5 +Y6 Y5
Y5
V0T!W g
Z!^
!W!
g
_!RZ!
Y 6 Y1 + Y 5 + Y 2
Y6
Y 6 Y 2 + Y 5 + Y1
!
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Y 5 *Y1
(Y 5 + Y 2 + Y1) *Y 6 + Y 5 * (Y1 + Y 2)
+
gR,!Z!
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(Y 2 + Y 5 + Y1) *Y 6
(Y 2 + Y 5 + Y1) *Y 6
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Y6*(Y1+Y5+Y2)*Vs+Y5*Y1*Ve= (Y6*(Y1+Y5+Y2) +Y5*(Y1+Y2)) V+
Finalement :
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V =
(Y 5 + Y 2 + Y1) *Y 6 *Vs + Y 5 *Y1*Ve a *Vs + b *Ve
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(Y 2 + Y 5 + Y1) *Y 6 + Y 5 * (Y1 + Y 2)
c
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