mli

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session 99

Projet 1999

MODULATION DE LARGEUR DIMPULSIONRemerciements :

N

ous tenons remercier lquipe

pdagogique qui nous a aider au cour du thme MLI. Leur participation et leur patience nous a permis de mieux nous organiser et de comprendre les fonctionnements de ce type de variateur.

N

ous

remercions

le

centre

A.F.O.R.P., pour le matriel qui a t mis notre disposition et le budget accord pour les projets.

BRULE, NIECERON, PANOT

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Sommaire : Systme MLII. INTRODUCTION.........................................................................................................................................................3 II. SYNOPTIQUE GENERAL........................................................................................................................................4 III. PARTIE PUISSANCE...............................................................................................................................................7 1. Le redressement partir du rseau PD3..........................................................................................................7 2. Choix de lONDULEUR.................................................................................................................................16 3. Choix du matriel de protection...................................................................................................................18 4. Essai du moteur aliment V/f = cte..............................................................................................................20 IV. PARTIE COMMANDE...........................................................................................................................................27 1. PRINCIPE DU MLI........................................................................................................................................28 2. HEF4752V MLI composant Philips :..............................................................................................................32 3. Le SKHI22 de Semikron :...............................................................................................................................47 4. Le HEF4047B.........................................................................................................................................52 5. Le NE566...................................................................................................................................................55 6. Commentaires HEF4752V + SKHI22 + IGBT...............................................................................................59 7. La BOUCLE de Rgulation............................................................................................................................60 8. ETAPES et DIFFICULTES lors de la mise en service....................................................................................72 9. Boitier dALIMENTATION ........................................................................................................................74 V. BOITIER DE TEST...................................................................................................................................................78 VI. CONCLUSION.........................................................................................................................................................79


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I. INTRODUCTION

but de ce projet est la ralisation dun convertisseur de vitesse pour une machine asynchrone triphas. Ce variateur de vitesse est constitu dun pont redresseur PD3, dun filtre et dun onduleur par commande M.L.I (modulation de largeur dimpulsion ) dlivrant plusieurs crneaux rectangulaires de largeur et de frquence variable. En effet, ce procd permet une alimentation du moteur frquence variable et constante.BRULE, NIECERON, PANOT Page 3/79

Le

V = f

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Le systme comporte galement une boucle de rgulation vitesse permettant de sapprocher le plus rapidement et le plus prcisment possible de la vitesse de consigne, selon les variations du couple de charge. Les diffrentes contraintes : Rseau triphas 230/400v. Puissance du moteur 1,5KW. Interrupteur de type IGBT ( un module par branche donduleur ). Protection gnrale de lquipement. Ensemble de lquipement placer dans un rack et monter en armoire. Sortir les principaux signaux sur la face avant de larmoire. Travail demand : Choisir le matriel de commande. Raliser les schmas de cblage, dimplantations des borniers et typons. Ralisation de lensemble du projet, interfaage, mise en oeuvre du circuit de commande et du circuit boucle retour. Montage en rack sous armoire. Essais, rglages, vrifications et mise en service. Ralisation du dossier technique.

REDRESSEUR

FILTRE

CONVERTISSEUR

M

II. SYNOPTIQUE GENERAL

AMPLIFICATEUR DIMPULSION

COMMANDE MLI


REGULATION DE VITESSE

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a)

Pourquoi ?

Le systme MLI a t labor afin de piloter un moteur asynchrone dont la vitesse serai variable et de rendement meilleur. Avec ce systme les bruits de la machine sont atnus et les pertes se sont considrablement rduites. La prcision de vitesse est accrue. Une conomie dnergie est trs vites ressentie, tant donn que le systme ne fonctionne plus en tout ou rien. Il en rsulte une usure dautant plus rduite. On le rencontre couramment mme si ce sont les systmes dit commande vectorielle qui prennent le relais.

b)

Comment?

On ralise la fonction MLI laide dun composant lectronique qui effectue les calculs relatifs. Le synoptique de cette page dcrit la rpartition des tches et les grandes lignes du systme raliser. Le cahier des charge succint, ci-dessus, fournit un moteur asychrone triphas capable de supporter le systme.

c)

Rpartition de tches

Le trinome du projet MLI se compose de Pascal Brul Olivier Niceron et de Guillaume Panot Brul, Panot. La rpartition des tches cest effectue comme le montre les entours du synoptique prcdent. Au cours du projet nous avons not ce que chacun a ralis et nous pouvons classer sous forme de tableau le travail effectu : Pascal Brul Partie puissance..........................BRULE, NIECERON, PANOT Page 5/79

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-PD3 -Filtre L, C -Dcharche de C -Onduleur triphas -Machine Asynchronre -Choix de matriel

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Olivier Niceron Partie commande......................... -Commande MLI HEF4752V -Composants de commande -Cartes CAO -Asservissement -Dynamo tachymtrique Guillaume Panot Partie commande......................... -Commande MLI HEF4752V -Composants de commande (NE566, ...) -Interface de puissance SKHI22 -Asservissement -Ralisation des cartes Chacun a exploit ses capacits et les connaissances ont pu tre mise en commun lorsque lun dentre nous se trouvait bloqu sur un problme. La rpartition sest faite en deux parties (Puissance et Commande ). A lintrieur de chaque partie, la part de chacun a pu tre apprci du trinome.


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III.

PARTIE PUISSANCE

1. Le redressement partir du rseau PD3BRULE, NIECERON, PANOT Page 7/79

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a)

Dtermination du PD3

Londuleur est aliment par un pont PD3 comprenant six diodes. Nous utilisons ce type de pont car il offre en sortie un signal redress de frquence f = 300 Hz. ( T =1 1 = = 3.33 ) T = 3.33ms. Ainsi, avec une telle f 300+

priode, le filtrage sera plus vident.

D1

D2

D3

L1 L2 L3D 1 D 2 D3

Us

Le calcul de la tension moyenne en sortie du pont redresseur se fait partir de lexpression : Us = avec 2 = 6 Us = Us = p sin p 6 2 . U rs sin 1 U ( ) 0

=

p

et P= nombre de pulsation par priode

6

Us =

3 2 . U rs

Us =

3 2 . 400

Us = 540 V

*visualisation :BRULE, NIECERON, PANOT Page 8/79

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Visualisation de la tension compose U12(t) ainsi que la tension redresse Us(t) en sortie du redresseur. Ce relev a t recueilli partir dun oscilloscope et de deux sondes diffrentielles avec un rapport de 1/200 .

Estimation du courant : P = U . I Le courant tant liss en sortie du pont, on prendra I = constante. P=U.I I= 2.78A Avec les valeurs calcules en sortie de pont, nous utilisons un pont toutes diodes : Le SKD 25/12 . SEMIKRONP 1500 = U 540

I

estim

=

b)

Filtrage tension et courantPage 9/79


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En sortie du redresseur, la tension nest pas totalement constante. Afin de rduire les oscillations, nous allons utiliser un filtre LC. Grce aux transformes de Laplace et aux sries de Fourrier, nous pouvons calculer la bobine ncessaire sachant que la capacit nous est fixe 2200F. *schmas du filtre :L PONT PD3

C

Us

*calculs du filtre : Us(t) : tension en sortie du pont redresseur. Us(t) : tension en sortie du filtre.ldi + Us(t) dt ld cdUs' Us(t) = * + Us(t) dt dt Us' Us(t) = L C d + Us(t) dt

Us(t) =

or ic =

cdus' dt

Par la transforme de Laplace : Us(p) = L.C.p . Us(p) + Us(p) Us(p) = Us(p) . ( 1+ LCp )Us' ( p) = us( p) 1 LCp + 1

Fonction

de

transfert :

Us(p)

1 LCp + 1

Us(p)


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1 1 ( j ) ( j ) H (j ) = 1 + 1 = 1+ ( ) o LC

Daprs la srie de Fourrier de notre signal Us(t), notre premier harmonique se trouve une frquence de 300hz. Ainsi, pour avoir un signal qui se rapproche dun signal continu, nous devons attnuer le premier harmonique. On se fixe un condensateur C = 2200F supportant une tension Us = 540V. On choisit donc deux condensateurs mis en srie : 4700F = 450V AERO BOX C =

C = 2200F

{

Umax = 900V

On a : 0 =

1 LC

et 0 = 2..f1 C 0

On dtermine linductance: L = : L C 02 = 1

Avec cette rsonance 300Hz, nous sommes en prsence dun pic de gain qui va augmenter notre premier harmonique au lieu de le diminuer. Nous avions en notre possession une inductance L = 4.6mH Do 0 = 50Hz Grce cette inductance, la rsonance aura lieu 50hz et lattnuation sera plus consquente pour la frquence de 300Hz.1 = LC 1 = 314.34 rad s (2300.10 - 6 . 4,6.10 - 3)

f =


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G (dB))

Diagramme de Boder: pulsation f=50hz o: pulsation f=300hz o r

(rad/s)

-32dB

*Calcul de lattnuation : Daprs le diagramme de Bode, on a pour f = 300hz un gain G = -32dB. Soit : -32dB = 20 log ( (Us' ) us

32 Us' 20 = 0.025 ) = 10 Us

Ainsi, le premier harmonique de la tension en sortie du filtre Us sera attnue de 40 fois par rapport au premier harmonique de la tension Us en sortie du pont.

c)

Protection damorage et de fin de fonctionnement

Lors de la mise sous tension de londuleur, la capacit du filtre LC est dcharge. Lorsque lutilisateur applique ses bornes une tension, cela entranera un court-circuit.


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i=

cduc donc un chelon de tension provoque un appel de dt

courant trop important et une destruction de notre pont redresseur .

Afin dviter ce problme, une rsistance est mise en srie avec la capacit pour lui laisser le temps de se charger. On impose donc une rsistance de limitation de courant de 80, le courant maximal est alors de : I=540 = 6,75A la mise sous tension. 80 U = R

Le temps de charge de la capacit 64 % de sa valeur maximale est = R.C = 80 x 2200.10-6 = 0.176s. Alors, une temporisation de 1s sur le contact temporis devrait largement suffire. Lors de la mise Hors tension, la capacit est charge. Une rsistance de 1k est installe en parallle avec le condensateur afin de le dcharger. Le temps de dcharge est dau moins 5 secondes. Ce temps nous parat raisonnable avant de recommencer dautres manipulations. *visualisation : Vrification du temps de charge du condensateur pour Uc Sonde 1/200 ainsi que du courant dappel lors de la mise sous tension.

Sonde 100mV/A pour I


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Rappels des calculs prcdents : = 0.176s et Uc = temps 64% de Umax. Daprs la visualisation ci-dessus, Uc( ) = 370V et Ucmax = 580V. Vrification : Uc( ) 370 = = 0.638Uc max 580

donc = RC : Uc( ) est bien gale environ 64% de uc max De plus, le courant visualis ci-dessus est lintensit en sortie du filtre lors de la mise sous tension .Thoriquement nous avions estim ce courant 6.75A. Avec une sonde diffrentielle de 100mv/A , nous avons relev un courant I = 3.6 div x 0.2 (cal) x100 I = 7.2A Dtermination du temps de dcharge.Sonde 1/200 pour Uc Sonde 100mV/A pour I


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Ici nous pouvons constater un temps de dcharge complet du condensateur de 8s.


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2. Choix de lONDULEUR

a)

Londuleur pourquoi ?

Londuleur est limage de la commande en format puissance. On peut lassimiler un amplificateur. Sa fonction est donc de laisser passer ou non une tension continue ; celle redresse par le PD3. Sa commande est faite par une carte lectronique que lon traitera par la suite (partie commande).

b)

Schma de londuleur

Londuleur est la dernire partie du variateur de vitesse situe avant le moteur. Dans notre cas, londuleur doit aussi bien engendrer la frquence de sortie du moteur que lamplitude de la tension de sortie.Semi-conducteurCARACTERISTIQUES

MOS-FET

IGBT

LTR

Symbole

Conduction Conductivit courant Pertes Blocage Seuil suprieur Commutation Temps dexcitation Temps de dexcitation Pertes Commande Puissance consomme Grandeur

faible grande

leve faibles

leve faibles

leve

moyen

bref bref faibles

moyen moyen moyenne

moyen bref grande

faible tension

faible tension

leve courant


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Londuleur triphas comporte six interrupteurs de commande (6 IGBT) avec une diode de roue libre sur chacun.U I=cste

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V

W

Us

Vu sa gamme de puissance, sa conductivit, sa frquence de commutation, et sa simplicit de commande, le transistor IGBT convient parfaitement au variateur de vitesse. On utilise des modules dIGBT de marque SEMIKRON et de rfrence : Skm 75 GB 123D Ces modules sont appropris car ils supportent une tension maximale de 1200V, un courant de 50A avec une temprature du dissipateur T = 80C. De plus, ils sont commands louverture et la fermeture par le biais dune tension de gchette provenant du SKHI22. Ce dernier applique une tension de 15V pour le rendre passant et une tension de -15v pour le rendre bloquer. c) Calcul du dissipateur

Daprs les donnes constructeur du SEMIKRON, on a : Rthc-h = 0,05C/W Vto = 1,2V Tjmax = 125C Puissance dissipe Pd = Vto x Io = 1,2 x 7 = 8,4VBRULE, NIECERON, PANOT Page 17/79

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Or nous sommes en prsence de 2 IGBT par module avec trois modules pour la ralisation de notre onduleur. Pd totale = 8,4 x 2 x 3 = 50,4W Le dissipateur disponible pour une telle puissance est le KL-245 avec une longueur de 50 mm.

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3.

Choix du matriel de protection

La dpart moteur regroupe lensemble des appareils ncessaires la commande et la protection dun moteur lectrique. Les diffrentes fonctions assurant le dpart moteur sont : Le sectionnement La protection contre les surcharges et les courts-circuits La commutation

a)

Le sectionnement

Afin dintervenir en toute scurit sur notre installation variateur de vitesse pour machine asynchrone , il est ncessaire de disposer dun moyen disolement par rapport lalimentation gnrale. Lappareil utilis pour assurer ce rle est le sectionneur. Il est choisit en fonction de la tension demploi, en loccurrence 220/380V, avec un courant maximale de 7A. ( In moteur = 3,5A ). On a choisit un sectionneur de marque TELEMECANIQUE ( 660V , 25A ) le plus petit de toute sa gamme. Il est constitu dun bloc ttrapolaire et de deux contacts auxiliaires de prcoupure. La fermeture et louverture des ples seffectuent manuellement au moyen dun dispositif de commande latrale ou frontale. Rfrence du sectionneur : LS1-D253A65 + LA8-D2545 (avec bloc neutre) Rfrence des fusibles : aM 10A cartouche 10x38

b)

Le relais thermiquePage 18/79


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La surcharge est le dfaut le plus frquent sur les machines. Le relais thermique est un dispositif de protection contre les surcharges faibles et prolonges. Une autre particularit de ce dispositif est quil contrle lquilibrage des intensits et permet de couper lalimentation du moteur en cas de dysfonctionnement entre deux phases. courant

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Rfrence : LR1 D09310 rgl pour le nominale (classe 10 ) Classe 10A : dure comprise entre 2 et 10s.

c)

Le transformateur disolement

On choisit un transformateur disolement pour alimenter le circuit de commande 24V. Rfrence : LEGRAND 42731 ; 100VA alimentation primaire = 220V

d)

Les contacteurs

La fonction du contacteur est dtablir et dinterrompre le passage du courant dans un ou plusieurs circuits lectriques distance par lintermdiaire dune commande dlectroaimant. En gnral, la tension de commande provient dune trs basse tension de 24V et sans danger pour lutilisateur. On choisit notre contacteur en fonction de la tension, du courant, de la frquence et de la catgorie demploi ( AC3 concernant les moteurs dont la coupure seffectue moteur lanc ).


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4. Essai du moteur aliment V/f = cteLe but de cet essai, est de donner diffrentes valeurs numriques de la frquence de rotation N en tr/min pour diffrentes valeurs de frquences f et de couple C de charge.

a)

Modlisation de la machine asynchrone

caractristique du moteur : Pour un montage toile, Pu = 1,5kW C = 10Nm Schma : ( modle par phase )I1 R I10 V R X I2 X2

U =380VIn = 3,5A cos = 0,82 Nr = 1430 tr/mn

R2 g

b)

Essai videI10 R I2=0A

V

R

leI10 glissement g = 0 R2/g = X = 0A I2

Grce la mthode des doubles wattmtres, on relve : Pao = 510 W Pbo = -895W P vide = Pao + Pbo P vide = 385WBRULE, NIECERON, PANOT Page 20/79

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Q vide =

3 ( Pao Pbo )

Q vide = 2443,5 VAR

On relvera galement un courant I vide = 1.95A La rsistance R dun enroulement statorique a t mesure partir dun pont de Wheastone. ( R = 4 ). On peut considrer les pertes engendres par cette rsistance ngligeables (Pertes joules stators = 3xRxI = 46W). Rcapitulatif : Po = 385W Qo = 2443.5VAR Io = 1.95A Calculs : 377.14 R =3.V 3.220 = 385 Po 3.V 3.220

R

=

X = Qo = 2443,5

X = 59.4

c)

Essai rotor bloqu

I1 I10 Vcc R

I2cc

X2

X

R2

G = 1 donc R2/g = R2 I1 = I1n = 3.5A Vcc = 46.1V

Grce la mthode des doubles wattmtres, on relve : Pacc = 40 W Pbcc = 480W Pcc= Pacc + Pbcc Pcc = 520W Qcc=3 ( Pacc Pbcc )

Qcc = 762 VARPage 21/79


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Calculs : Soit P2cc tant la puissance active du rotor ramene au stator. Soit Q2cc tant la puissance ractive du rotor ramene au stator.

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P2cc = Pcc -

3.Vcc 3.46,1 = 520 R 377,14

P2cc = 503,1W

Q2cc = Qcc -

3.Vcc 3.46,1 = 762 X 59,4

Q2cc = 654,1W

S2cc =

P 2cc + Q 2cc =

503,1 + 654,1

S2cc = 825 ,6VA I2cc = 5,97A

I2cc = Ainsi,

825.6 S 2cc = 3.46,1 3.Vcc

503,1 P 2cc = 3.5,97 3.I2cc 654,6 Q 2cc X2 = = 3.5,97 3.I2cc

R2 =

R2 = 6,11 X2 = 4,7

d)

Expression du couple partir du model Ptr : Puissance transmise au rotor Pjr : Perte joule rotor Pmca : Perte mcanique (nglig) P : nbre de paires de ples = 2

Pu Ptr Pjr Pmca C= = s s

C=

p Ptr g.Ptr = Ptr (1 g ) s 2 R2 3. .I2 .(1-g) g

C=


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6.V 1 V . .(1 g ) 6 R2 g C= . . R2 .(1-g) = R 2 + (l2). g ( ) + X 2 g R2 g

En mettant 1 l2 en facteur, on obtient : 6 V 1 . . (1 g ) gl 2 C = l2 R 2 + gl 2 R2

*Calcul du couple maximum de la machine avec gmax = R 2 l2 = 76,9% 6 V .( ) donc Cmax = l2 (1 g ) 2 Cmax = 17,8Nm Diffrentes valeurs de vitesse de rotation par rapport un couple donn. N tant la variation de vitesse entre la vitesse de synchronisme et la vitesse de rotation. N = Ns Nr = 60 Ns Nr .Ns = g.Ns = g. . p 2 Ns N = g.. 15


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Avec lexpression du couple, on en dduit que g est une constante. Par consquent N est galement une constante. Alors pour une valeur de couple donn, la variation de vitesse ne changera pas quelle que soit la frquence f.

Tableau retraant les diffrentes valeurs de Nr en fonction du couple et de f.

F 10 r q u e n c e f ( H z ) Vitesse de synchronisme (tr /mn) Couple C = 0 Nm C = 1 Nm C = 2 Nm C = 3 Nm C = 4 Nm Variation N = 0 tr/mn N = 10 tr/mn N = 19.5 tr/mn N = 29 tr/mn N = 39 tr/mn 300

30

50

900

1500

Vitesse de rotation 300 290 280.5 271 261 900 890 880.5 871 861 1500 1490 1480.5 1471 1461Page 24/79


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C = 5 Nm C = 10 Nm

N = 48.8 tr/mn N = 98 tr/mn Exemple :

251.2 202

851.2 802

1451.2 1402

Pour un couple de charge C = 3Nm, et une frquence f = 30Hz nous devons retrouver une vitesse de rotation Nr = 871 tr / mn

C (Nm) C max

C=3 N (tr/mn)

Nr = 871

Essai de la machine :

F r q u e n c e f ( H z ) Vitesse de synchronisme (tr /mn)BRULE, NIECERON, PANOT

10

30

50

300

900

1500Page 25/79

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Couple C = 0 Nm C = 1 Nm C = 2 Nm C = 3 Nm C = 4 Nm C = 5 Nm C = 10 Nm

Variation N = 0 tr/mn N = tr/mn N = N = N = N = N = tr/mn tr/mn tr/mn tr/mn tr/mn 300 291 280 266 241 186 0 5.3N/m

Vitesse de rotation 900 896 890 883 866 860 791 1500 1495 1490 1480 1472 1466 1400


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IV. PARTIE COMMANDE


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1. PRINCIPE DU MLI

Pour faire varier la vitesse d'un moteur asynchrone triphas, il existe plusieurs solutions: - soit on fait varier le nombre de paires de ples (couplage DALHANDER); - soit on contrle le glissement du moteur; - soit on agit sur la frquence du rseau; Notre projet utilise le principe de la troisime solution partir dune condition importante : il faut que le rapport U/f soit constant. En effet la formule Ns=f/p montre que la vitesse du moteur est fonction de la frquence d'alimentation. Pour la commande MLI, il faut que le couple moteur reste constant quelle que soit la vitesse, c'est dire que : CM = k**I*cos = constante Il faut donc d'aprs la formule que le flux soit constant car si = cte alors CM = k*I. Dans le cas d'une machine asynchrone, c'est le stator qui cre ce flux. Or l'impdance du stator est Z = Lw. Pour une tension U, on a : U = Z*I = L* *I = L*I*2*f Or est cr par I : I = k1* donc U = L*2*f*k1* avec L*2 = constante. On en dduit que k2*U = k1**f soit =k3 (U/f). donc U/f =

Si l'on veut que = constante, il faut constante.

Pour obtenir ce U/f = constante tout en faisant varier la vitesse du moteur, il existe plusieurs possibilits. Celle choisit pour le projet utilise le principe du MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion),BRULE, NIECERON, PANOT Page 28/79

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galement appel PWM (Pulse Width Modulation). Ce systme labore, partir d'une tension continue constante, un signal hach en brves impulsions de largeurs diffrentes. Grce ce systme, le moteur renvoie une rponse en courant sinusodale du fait qu'il se comporte comme un filtre passe bas (voir tude harmonique). Le signal, destin commander des interrupteurs de type IGBT, est compos d'une suite d'impulsions positives et ngatives, d'amplitude constante pour une frquence donne, comme prsente sur le diagramme ci-dessous (figure 1).

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Courbe rouge : rponse en courant thorique Courbe noire : signal MLI

FIGURE 1

Pour laborer ce signal, il existe un certain nombre de solutions plus ou moins simples. La plus facile consiste superposer une tension sinusodale dite de rfrence et une tension triangulaire. Les intersections de la tension triangulaire et des sinusodes (au nombre de trois dphases de 2/3) donnent 3 signaux identiques mais dphass de 2/3. Ces points d'intersections sont compars par les composants lectroniques de la carte de commande : chaque fois que la tension triangulaire est suprieure la tension sinusodale, l'impulsion de sortie est nulle; lorsqu'elle est infrieure, l'impulsion de sortie est gale U. On obtient alors les chronogrammes prsents page suivante (figure 2 et 3).


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U1

U2

U3

C1 figure 2

C2

figure 3

Une fois cette premire tape effectue, il faut laborer un signal capable de commander le moteur, cest dire un signal comportant une partie positive et une partie ngative. Pour ce faire, on soustrait chaque signal C1, C2 et C3 un peigne de frquence fixe mais de rapport cyclique variable. On obtient alors 3 signaux (dont 2 sont prsents sur la figure 4, V10 et V20) qui sont envoys sur chacune des phases du moteur. La tension compose, obtenue par soustraction des signaux V10 et V20, correspond la forme d'onde d'une commande MLI (figure 4, V12).


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C1 1 0 C2 1 0 V10 1 0 V20 1 0

V12 U

FIGURE 4

Un autre principe de cration de modulation de largeur d'impulsions, beaucoup plus sophistiqu, est celui qui a t utilis pour la ralisation de notre projet. Il est entirement ralis par un composant lectronique compos de 28 broches, le HEF4752V.


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2. HEF4752V MLI composant Philips :a) Pourquoi ?

Le mode de fonctionnement du HEF est bas sur le principe de la modulation de largeur dimpulsion. Par dfinition cest un circuit de contrle de vitesse de moteur asynchrone ralis en technologie LOCMOS. Il peut en outre commander 6 interrupteurs de type transistors (IGBT) ou de type thyristors dont la commutation est synchronise pour former 3 signaux sinusodaux. La gnration des signaux est strictement numrique. Ce principe permet dobtenir dans le moteur des pertes infrieures celles obtenues avec un systme dimpulsions largeur constante. Les entres et les sorties sont protges contre les effets lectrostatiques. La tension nominale dalimentation est de 15V. (max. 18V) Il est bon de noter que son utilisation est reserve exclusivement la fonction MLI. Le circuit synthtise trois signaux dphass de 120 dont la tension moyenne varie sinusodalement avec le temps dans la bande de frquence de 0 200 Hz. Pour cela il utilise les signaux de trois porteuses dont la frquence est un multiple entier de la frquence de sortie finale. La largeur de chaque impulsion est obtenue en modifiant la fois la position du front montant et du front descendant de la porteuse. L'volution de l'cart xn entre un front (montant ou descendant) de la porteuse et un front (montant ou descendant) de la modulation suit une rgle bien prcise que nous allons tudier.


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Mise en vidence de l'cart xnPorteuse

Modulation

x1

x2

x3

x4

x5

x6

x7

Dtermination de la valeur de xn Les valeurs de xn sont calcules de manire ce que la moyenne des largeurs d'impulsion, chaque instant, soit sinusodale avec le temps. Pour toute la suite de la dmonstration, on utilisera un coefficient multiplicatif de 15 entre la frquence de la porteuse et la frquence de sortie. La sinusode finale est donc divise en 30 parties gales (figure 5) :


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E

E0

12Figure 5

4

6

10

15

30

On cherche ce que l'aire compris entre la sinusode, l'axe des abscisses et les deux bords d'une division soit le mme que celui d'un rectangle du deuxime signal (l'aire hachur en haut = l'aire hachur en bas). Cela signifie que, en valeur moyenne : E*T de la sinusode = Eo *xn de l'impulsion module correspondante un facteur constant prs, soit : E*2 1

sin d = Eo * xn2

donc E [ -cos ]1 = Eo * xn xn = cos 1 - cos 2

on obtient, avec E = Eo

Sachant que les angles vont de 12 en 12 (car T/30 en degrs donne 360/ 30 parties = 12), on peut dfinir l'ensemble des angles xn (voir tableau cidessous). Pour le calcul numrique, ralis par le HEF4752V, les valeurs de xn sont transformes en valeurs entires proportionnelles.BRULE, NIECERON, PANOT Page 34/79

PROJET MLIx0 -6 6 valeur calcule valeur relative 0 0 x13 150 162 valeur calcule 0,085 valeur relative 6 x26 306 318 x1 6 18 0,043 3 x14 162 174 0,043 3 x27 318 330 x2 18 30 0,085 6 x15 174 186 0 0 x28 330 342 x3 30 42 0,123 8 x16 186 198 x4 42 54 0,155 11 x17 198 210 x5 54 66 0,181 12 x18 210 222 x6 66 78 0,199 14 x19 222 234 x7 78 90 0,202 14 x20 234 246 x8 90 102 0,208 14 x21 246 258

session 99x9 102 114 0,199 14 x22 258 270 x10 114 126 0,181 12 x23 270 282 x11 126 138 0,155 11 x24 282 294 x12 138 150 0,123 8 x25 294 306

-0,043 -0,085 -0,123 -0,155 -0,181 -0,199 -0,202 -0,208 -0,199 -0,181 -3 x29 342 354 0 -3 -6 -8 -11 -12 -14 -14 -14 -14 -12

valeur calcule -0,155 -0,123 -0,085 valeur relative -11 -8 -6

Le rsultat de tous ces angles nous donne , partir d'un signal de rfrence, deux signaux UR et UY, reprsentant deux phases (voir courbes page suivante). Pour la partie ngative de la sinusode, on constate que les valeurs de Xn sont identiques mais affectes d'un signe ngatif (signaux UR et UY). On s'aperoit galement que ces signaux ne comportent quune partie positive. Or le moteur a besoin de sinusodes positive puis ngative. C'est pourquoi on moteur un signal qui rsulte de la diffrence trains d'impulsions. On obtient alors le signal. tension envoie au entre deux quatrime


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Pour un bon fonctionnement du moteur, on cherche ce que la valeur moyenne du signal VR-VY soit gal chaque instant celle d'une sinusode qui serait envoye par le secteur la mme frquence. Cette valeur moyenne est gale la somme des largeurs positives S multiplie par la tension d'alimentation E 0 et divise par le temps d'une demi priode T. Calcul de S Pour le signal UR en prenant A comme largeur de la porteuse Largeur de la premire impulsion : A + x28 + x29 Largeur de la deuxime impulsion : A + x0 + x1 ... Largeur de la huitime impulsion : A + x12 Pour le signal UY, dphas de 120, la premire impulsion correspond l'angle 18 soit: Largeur de la premire impulsion : A + x18 + x19 Largeur de la deuxime impulsion : A + x20 + x21BRULE, NIECERON, PANOT Page 37/79

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... Largeur de la huitime impulsion : A + x2

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On effectue maintenant l'opration UR - UY S = A+x28+x29+A+x0+x1+...+A+x12 (A+x18+x19+A+x20+x21+...+A+x2) = x3+x4+x5+...+x12-(x18+x19+...+x27) = 236 notre valeur moyenne donne alors : Vmoy = 236 * P * E0/T d'impulsion dterminer.

-

avec P temps de base

La tension moyenne d'une vraie sinusode est :T

Vmoy sin = T

1

0

E0 sin t dt

=2 E0/ si Vmoy = Vmoy sin alors 236P/T = 2E0/ soit P = 2T/236

Le calcul de largeur a t effectu pour 8 crneaux de UR soit 15 crneaux de VR-Y (coefficient choisit prcdemment). Pour le HEF4752V, cela correspond une frquence au moteur de 50Hz. On en dduit que pour 50 Hz, P = 26,98 sec . Les valeurs de x s'obtiennent en multipliant la valeur proportionnelle par P: X1 = 3 * 26,98 sec =80,94 secRemarque importante

Si la frquence de sortie augmente ou diminue, la valeur de x va galement augmenter ou diminuer. Par consquent la tension efficace de sortie va varier, permettant ainsi d'obtenir U/f = cte Le facteur multiplicatif de 15 entre la frquence porteuse et la frquence de sortie n'est utilise queBRULE, NIECERON, PANOT Page 38/79

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pour la gamme de vitesse du moteur la plus leve. Pour amliorer la distribution des impulsions des vitesses plus basses, la frquence porteuse devient un multiple d'ordre plus lev de la frquence de sortie. Les points d'intersections des facteurs multiplicatifs sont pourvus d'un hystrsis entre celui la monte et celui la descente de manire viter les instabilits de fonctionnement en ces points. Le tableau ci-dessous donne des facteurs multiplicatifs dans la gamme de vitesse du moteur. Frquence moteur 0,1 - 6,4 Hz 5,7 - 8,9 Hz 8,1 - 12,8 Hz 11,2 - 17,9 Hz 16,3 - 25,5 Hz 22,3 - 35,7 Hz 32,5 - 51 Hz 44,6 - ... Hz Facteur multiplicatif 168 120 84 60 42 30 21 15 Frquence porteuse 16,8 - 1070 Hz 675 - 1070 Hz 675 - 1070 Hz 675 - 1070 Hz 675 - 1070 Hz 675 - 1070 Hz 675 - 1070 Hz 675 - ... Hz

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coefficient multiplicatif de la frquence

Le passage dune plage lautre donne alors :

5,7Hz 6,4Hz Seuil hytrsis

Pour la ralisation pratique de cette modulation, le HEF4752V utilise un certain nombre de compteursdcompteurs ainsi que des codeurs commands par le circuit NE566 et le circuit HEF4047. Nous ntudierons pas la manire dont il les utilise. Prsentation du composant Le circuit HEF4752 est compos de28 broches dont : 7 entres de donnes 4 entres dhorloge 2 entres dalimentation en 0 +15VBRULE, NIECERON, PANOT Page 39/79

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3 sorties de test 12 sorties pour la commande des IGBT

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b)

Schma dapplication et calculsSCHEMA D'IMPLANTATION DU HEF4752V

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12V

0V C1 R1 COMMANDE EN FREQUENCE DU MOTEUR +12V R3 +12V R2 C2

R4

+12V +12V 1 6 8 NE566 7 1 BZX79C3V3 3 2

5

28 ORM1 8 ORM2 9

12 OYM1 22 VERS LES IGBT

5

ModulatriceR5

OYM2 21 OBM1 3 OBM2 2

C3 0V

Modulatrice

HEF4752V +12V C5 REGLAGE EN FREQUENCE DU HEF4752V R6 1 3 2 4 5 6 14 HEF4047B 7 R7 8 9 12 C4 +12V 24 7 25 13 15 16 14

Porteuse

4 17 6

switch-on delay +12V C6

Pour mieux comprendre la fonction MLI nous allons dcomposer le signal en Srie de Fourrier.

0V

F (x )

1 2 3 4 5

6 7

8 9

1 01 1 1 21 3 1 4

Etude du signal


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La fonction f(t) ne comporte pas dharmonique de rang pair car f(t + T/2) = -f(t) La fonction est impaire de priode 2 ce qui signifie que a0 = 0 et an = 0

Le signal MLI ne comporte pas dharmoniques de rang multiple de 3. En effet, le signal f(t) est compos du signal U10 et du signal U20, lesquels sont dphass de 120 : f(t) = U10 - U20. Or pour les rangs 3n, on a

U10(3n) = b3n sin 3n U20(3n) = b3n sin 3n( - 2/3) Donc f(t) = b3n sin 3n - b3n sin 3n( - 2/3) = b3n sin 3n - b3n sin 3n + b3n sin 2/3 =0 on peut donc maintenant dcomposer le signal ainsi : f(t) = ( bn sin (n t) avec = 2f = 1 n=1 2 T on cherche donc lexpression des bn : bn = 0 f(t) sin nt dt T 2 bn = 0 f(t) sin nt dt 2E bn = 2* 7 sin nt dt]

2

4 1

6 3

8 5

[

sin nt dt +

sin nt dt +

sin nt dt +

-4E bn = [cos n2-cos n1-cos n4-cos n3-cos n6-cos n5-cos n8cos n7] -4EBRULE, NIECERON, PANOT Page 42/79

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bn = [cos n2+cos n4 +cos n6 +cos n8 ]-[cos n1 +cos n3 +cos n5 +cos n7 ] Dans le principe, on souhaite annuler le plus grand nombre dharmoniques susceptibles de perturber le bon fonctionnement du moteur. Or, aprs analyse, on constate que les harmoniques de rangs b2, b3, b4, b6, b8, b9, b10, b12, b14 sont limines. Comme harmoniques gnant, il reste les rangs b5, b7, b11, b13. Pour liminer ces harmoniques, il suffit de choisir les angles n de telle manire que b5 = b7 = b11 = b13 = 0 Nous ne raliserons pas ce calcul qui naurait aucun intrt, car il dpend de la frquence du moteur et les angles varient avec elle. Grce ce dveloppement, il ne reste plus maintenant que des harmoniques de rangs 13, 17, ... ce qui ne perturbe plus beaucoup le moteur. Une tude, ralise par un laboratoire dapplications, a tablie la valeur des harmoniques. Ils ont obtenu les rsultats suivants :A1 poteuse F15 fonctionnement sans MLI 1 1 A2 0 0 A3 0 0 A4 0 0 A5 0 2 A6 0 0 A7 0 0,1 A8 0 0 A9 0 0 A10 A11 A12 A13 A14 0 0 0 0,1 0 0 0,3 0,1 0 0

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A15 A16 A17 A18 A19 A20 poteuse F15 fonctionnement sans MLI 0 0 0 0 0,3 0,6 0 0 0 0,5 0 0

2,5 2 1 0,5BRULE, NIECERON, PANOT

tude thorique

Le graphique correspondant est :

1,5

rangPage 43/79

0

1

3

5 7

9 11 13 15 17 19

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Un essai moteur nous a donn les rsultats suivants :

On peut constater que la rponse en courant cidessous est pratiquement sinusodale :

c)

Mesures et relevs

Voici le relev de deux sorties complmentes du HEF4752V. Il prsente une opposition de tension 0 ou 15V afin dviter tout empitement des transistors de la 0BRULE, NIECERON, PANOT Sorties HEF4752V 0 Page 44/79

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commande. Ce relev expose bien la commande MLI avec des largeurs dimpulsions diffrentes : troites en dbut de priode, larges en milieu, pour se resserrer en fin de priode. Ce cycle se rpte avec cette mme priode dfinit par la commande prsente prcdement.

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En approfondissant le signal, on peut observer quelques chose de particulier : en effet, on constate un dcalage entre les fronts opposs. Le diagramme cidessous, zoom de 1000 fois et permet dtablir lcart de commande entre deux transistors. IL est de 12,9s, temps de scurit qui empche un empitement des transistors.

Sorties HEF4752V

Relev 2

Pour la commande dIGBT ou transistors, on considre un temps minimal de 2,7s. Cette valeur est donne par lesBRULE, NIECERON, PANOT Page 45/79

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documents constructeurs prconisant un temps de protection . La commande de ces IGBT se fait par le biais dune interface fournie chez Semikron. Celle-ci adapte et protge linstallation entre la partie commande et la partie puissance.

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d)

Conclusion

Le composant fournit bien un signal de commande MLI. Le dveloppement en srie de fourrier nous montre bien que les harmonique ont recul. Le signal lui-mme peut commander des IGBT avec un amplificateur de puissance. La suite de la partie commande concerne cette interface de puissance qui comporte des scurits adaptes la puissance.


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3. Le SKHI22 de Semikron :a) Pourquoi ?

Cest une interface de commande pour thyristors et transistors (IGBT). Ce driver est compos de 2 parties complmentaires pour la commande de 2 lments. Sa particularit est davoir une isolation galvanique entre la partie commande et la partie puissance, vitant ainsi des risques de surtensions ou de courant trop fort. Notons une autre particularit importante et essentielle pour la survie des IGBT. Le SKHI22 gnre des retards au niveau des commandes, trs utiles lorsque vous devez commander un onduleur. Nous verrons dans les relevs suivants le temps de rponse dun IGBT par rapport sa commande. Ces retards vitent un empitement des commandes. Sils nexistaient pas, un court-circuit franc de lalimentation serait fatal pour le systme. Le courtcircuit ocasionn dans notre cas se ferait environ 536V continu .

b)

Ce quil sait faire...

* 1 seule alimentation pour deux commandes. * Ajustage externe des retards, surveillance de lalimentation, Rg on/off pour application spcifique. * Valeur de dV trs leve de 24kV/s (isolement par transfo au lieu dt doptolectronique. *Isolement entre commande et IGBT jusqu 4kV. *Courant de crte 3.3 A. *Signal derreur *Interverrouillage des entres inerdisant la conduction simultane. *Valim

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