TP 10 - lejeune
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LYCEE LOUIS DE CORMONTAIGNE. 12 Place Cormontaigne – BP 70624. 57010 METZ Cedex 1 Tél.: 03 87 31 85 31 Fax : 03 87 31 85 36 Sciences Appliquées. Savoir-faire expérimentaux. . Référentiel . . : .5 Sciences . Appliquées. . . . . B - 2 : Conversion continu continu B – 2 – 1 Structure des hacheurs TP Sciences Physique 3 : Conversion continu-continu, hacheur parallèle Support Matériel : Maquette pré-cablée Matériel spécifique : Oscilloscope à entrées différentielles intégrées OX 802, multimètre MX 554 Objectifs : Analyser le fonctionnement d’une cellule de commutation. Etudier le fonctionnement d’un hacheur parallèle. STS2_1_10 Conversion continu-continu , hacheur parallèle.doc Page 1 sur 7. 06/05/2014 . Savoir-faire expérimentaux. CONVERSION CONTINU-CONTINU HACHEUR PARRALLELE INTRODUCTION Pour faire du freinage électrique avec une machine à courant continu commandée par un hacheur il y a deux options : freinage rhéostatique sans récupération freinage avec récupération sur la source On étudiera ici uniquement le principe d’un hacheur parallèle simple permettant de situer le problème. PREPARATION 1 – Rappel : hacheur série, hacheur parallèle HACHEUR SERIE HACHEUR PARALLELE ia(t) ia(t) i(t) i(t) D charge ua D u(t) ua charge TC TC itc(t) itc(t) Rappeler la nature dynamique des charges et des sources dans l’utilisation des hacheurs série et parallèle. La cellule de commutation est formée de l’interrupteur commandé TC et de la diode D. 2 - Structure d’un interrupteur commandé à transistors L’interrupteur électronique TC est réalisé avec 3 transistors : T1 : 2N 2905 de type PNP. T2 : 2N 3054 de type NPN T3 : 2N 3055 de type NPN Un transistor PNP peut conduire si sa tension base émetteur est négative. Un transistor NPN peut conduire si sa tension base émetteur est positive. STS2_1_10 Conversion continu-continu , hacheur parallèle.doc Page 2 sur 7. 06/05/2014 u(t) Savoir-faire expérimentaux. 1 3 5 7 + Vc 6 R2 Ua interrupteur commandé TC 4 R1 T1 R3 diode transil T2 R4 T3 9 2 8 Quel doit être le signe de la tension Vc pour que le transistor PNP conduise ? Les transistors fonctionnent en « bloqué- saturé ». Que signifie cette expression ? Quel est le rôle de la diode « transil » ? Quel est l’état du transistor T3 lorsque le transistor T1 est saturé ? L’interrupteur unidirectionnel est commandé par un signal Vc(t) de fréquence f (f = fréquence de hachage) et de rapport cyclique variable (0 < < 1). La fréquence de hachage est choisie en fonction du récepteur, le rapport cyclique est la grandeur réglante. Sur une période de fonctionnement T l’interrupteur unidirectionnel TC est équivalent à un interrupteur fermé pour 0 < t < T , et à un interrupteur ouvert pour T < t < T. Le signal de commande vc(t) est un signal rectangulaire +2v, -2v de rapport cyclique réglable. vc(t) 2 0 t T Sur quelle partie du signal vc(t) l’interrupteur TC est-il fermé ? Comment est défini le rapport cyclique ? 3 – Principe du hacheur parallèle fonctionnement sur résistance. STS2_1_10 Conversion continu-continu , hacheur parallèle.doc Page 3 sur 7. 06/05/2014 Savoir-faire expérimentaux. L i ia itc Ua u TC R Dans ce cas particulier la diode D de la cellule de commutation n’est pas nécessaire. Sur une période de fonctionnement T l’interrupteur unidirectionnel TC est équivalent à un interrupteur fermé pour 0 < t < T, et à un interrupteur ouvert pour T < t < T. La charge est une résistance R. 3 – 1 Fonctionnement à ondulation de courant non négligeable. En régime permanent le courant ia est périodique, on admet qu’il est ininterrompu sur une période T. On posera ia (t=0) = ia (t=T) = Iam, ia (t=T) = IaM Pour 0 < t < T écrire l’équation différentielle régissant l’évolution de ia(t). Donner l’expression de ia(t). Pour T < t < T écrire l’équation différentielle régissant l’évolution de ia(t). Donner l’expression de ia(t). Pour = 0.6, représenter : u(t), ia(t), itc(t) et i(t). Exprimer la tension moyenne U0 = < u(t) > en fonction Ua et . 3 – 2 Fonctionnement à ondulation de courant négligeable Si L/R >> T l’ondulation du courant est négligeable on posera ia(t) = I. Exprimer u lorsque l’interrupteur TC est ouvert. On notera cette tension Um.. Pour = 0.6, représenter : u(t), ia(t), itc(t) et i(t). Montrer que Um = Ua /(1- ). Montrer que la puissance moyenne P dissipée dans R peut s’écrire P = Ua2 /R (1- ) et que la résistance Req vue par la source peut s’écrire Req = R (1- ). Pour R = 30 Ω , Ua = 15 V et 0 < < 0.75 tracer les caractéristiques Um() et P ( ). STS2_1_10 Conversion continu-continu , hacheur parallèle.doc Page 4 sur 7. 06/05/2014 Savoir-faire expérimentaux. 4- Principe de fonctionnement d’un hacheur parallèle en élévateur de tension L ia D 5 6 i 7 1 itc TC Ua 2 utc C R u 8 On admet que l’ondulation de la tension u(t) est négligeable, u(t) = U. La conduction est continue dans la source. En régime permanent le courant ia est périodique, on admet qu’il est ininterrompu sur une période T. On posera ia(t=0) = ia (t=T) = Iam , ia(t=T) = IaM . Pour 0 < t < T l’interrupteur TC est fermé, donner l’équation différentielle de ia(t) et la résoudre. Pour T < t < T l’interrupteur TC est ouvert, donner l’équation différentielle de ia(t) et la résoudre. Représenter, pour = 0.6, utc(t), ia(t), itc(t) et i(t). Exprimer la tension moyenne Utc0 = < utc(t) > en fonction U et . En déduire la relation entre Ua et U. Calculer la valeur limite de α si Ua = 15 V et U max 60V Montrer que l’ondulation du courant ia(t) s’exprime par Δia = αUaT/L. Donner la forme des oscillogrammes dans le cas ou la conduction dans la source est discontinue. MANIPULATION Mode opératoire Dans toute la manipulation on utilisera un oscilloscope à sondes différentielles intégrées OX 802. Vc(t) est issu d’un GBF dont la masse est reliée au + de l’alimentation Ua. L’ondulation du courant sera mesurée en utilisant la position AC de l’oscilloscope. Les grandeurs moyennes seront mesurées en utilisant des multimètres PM 554 1 – Hacheur parallèle, fonctionnement sur R 1 – 1 Schéma de montage STS2_1_10 Conversion continu-continu , hacheur parallèle.doc Page 5 sur 7. 06/05/2014 Savoir-faire expérimentaux. L’alimentation sera réglée à 15 V. La résistance R est un rhéostat pouvant supporter au moins 2A et réglé à 30Ω. On utilisera comme self une inductance de 0.1H, 3A. 1 ia L 3 6 5 i 6 vc Ua itc R2 alimentation 15 V 3A 4 R R1 u R3 R4 2 TC 9 8 Dans toute la manipulation la tension moyenne Uo ne doit pas dépasser 60 V Fixer la fréquence de hachage du signal de commande vc(t) à 1 kHz. 1 – 2 Fonctionnement à fréquence constante Pour R = 30 Ω et α = 0.6 relever et commenter les oscillogrammes de u(t), i(t), et ia(t). Comment obtenir très simplement la puissance moyenne fournie par l’alimentation ? Relever et tracer en fonction de α: la tension moyenne Uo le courant moyen Iao fourni par la source la puissance moyenne Po fournie par la source Commenter l’ensemble des résultats en utilisant les données de la préparation.. 1 – 3 Influence de la fréquence de hachage Refaire la même étude pour une fréquence de 5 kHz. Justifier les résultats obtenus. 1 – 4 Utilisation en freinage rhéostatique Expliquer comment on peut faire du freinage de machine à courant continu en utilisant ce procédé. 2 - Fonctionnement en élévateur de tension d’un hacheur parallèle 2 – 1 Fonctionnement sur charge RC STS2_1_10 Conversion continu-continu , hacheur parallèle.doc Page 6 sur 7. 06/05/2014 Savoir-faire expérimentaux. Modifier le montage conformément au schéma ci-dessous avec : R = rhéostat 165Ω, 2.8 A, C = 5700 µF Attention : la tension U ne doit pas dépasser 60 V L ia D 5 6 i 7 1 itc TC Ua 2 utc C R u 8 Fixer la tension Ua à 15 V et la fréquence de hachage à 1 kHz. Pour α = 0.6 relever et commenter les oscillogrammes de u(t), i(t), utc(t) et ia(t). Relever et tracer en fonction de α: la tension moyenne Uo le courant moyen Iao l’ondulation du courant ia(t) Commenter l’ensemble des résultats. 2 – 2 Simulation d’un freinage électrique Lorsque l’on fait du freinage électrique la fem de la machine à courant continu diminue avec la vitesse. La tension du réseau continu reste constante. De ce fait l’énergie transite d’une tension continue faible vers une tension continue élevée. Ua simulera la machine à courant continu et U le réseau Pour simuler ce fonctionnement on maintiendra U = cte = 50 V, donner les valeurs de α qui permettent de garder U = 50 V lorsque Ua varie de 40 à 10 V ; Pour ce fonctionnement mesurer côté machine à courant continu ( Ua ) la puissance de freinage STS2_1_10 Conversion continu-continu , hacheur parallèle.doc Page 7 sur 7. 06/05/2014
