Meteye Nicolas IUT de ChartresBauvillard Laudine Département GEIIDecosse Julien 2010 - 2011

Étude et réalisationProjet kart

Sommaire

Introduction

I) Séance n°1

II) Séance n°2

III) Séance n°3 et 4

IV) Séance n°5 et 6

Conclusion

Introduction

Le but de ce projet est de réaliser la commande d'un moteur de kart électrique 48V 400A. Nous allons dans un premier temps concevoir un hacheur série 1 quadrant (un seul sens de rotation sans freinage) 48V 10A pour bien comprendre le principe pour ensuite adapter le montage sur le kart. Nous faisons de cette manière car en 400A, l'ampérage est tellement fort que les contraintes ne sont plus du tout les mêmes (utilisation de Circuits d'Aide à La Commutation, de bobines feuillées, composants de puissances...).

Séance n°1

Le schéma de principe est le suivant :

Analyse fonctionnelle :A0 : hacheur série

A1 : bloc de la partie commande des composants de puissance (utilisation d'AOP, de transistors, d'oscillateur …)A2 : bloc de la partie puissance/cellule de commutation (utilisation de CALC, transistors de puissance, diodes de puissance...)A3 : asservissement du hacheur

Nous avons pendant cette séance fait un rappel théorique sur le hacheur, puis les principales relations et contraintes, comment réaliser une bobine puis le dimensionnement des composants de commande et de puissance

Étude du bloc A2 (puissance)

Rappel sur le hacheur

Le schéma de base est le suivant :

La diode est ici pour assurer la continuité de courant dans la source de courant.L'interrupteur sera lui commandé par la carte de commande.

A0

A1 A2 A3

VsVe

Is

D

Commande

Commande : - de 0 à αT on ferme l'interrupteur- de αT à T on ouvre l'interrupteur- 0 < α < 1

Vs aura donc l'allure suivante :

Vs = αE

Nous allons remplacer maintenant la source de courant par un circuit RLC :

Le problème de ce schéma est que l'interrupteur et la commande n'ont pas la même masse (le transistor à un potentiel flottant).

Nous allons donc résoudre le problème en disposant les composants ainsi :

Cette fois ci l'interrupteur et la commande ont la m^me masse, ce schéma de principe sera donc retenu.

Il faut maintenant se constituer un cahier des charges qui est le suivant: – tension d'entrée Ve = 48V– fréquence de commutation des composants 60kHz < f < 80kHz

E

Vs

t

Ve D

Commande

Vs

VsVe

D

Commande

– courant de sortie Is = 10A– Rendement η = 0,7– ondulation de tension ΔV = 1%– ondulation de courant ΔI = 10%

Nous allons maintenant étudier comment évolue le courant de sortie Is

De 0 à αT : interrupteur → fermé

Loi des nœuds : Loi des mailles :E = - Vd Id = 0E = Vl + Vs Il = It = Ir + Ic

Pour calculer Il (t) il faut faire les hypothèses suivantes :I(0) = IminVs(t) = Vso + Xvs(t) = Vso

→ E=L dIcdt

V so

Ic=E−V so

LI min

De αT à T : interrupteur → ouvert

VsVe

Il

Ir Ic

It

VsVe

Il Ir Ic

Loi des mailles : Loi des nœuds :Vt = E Id = Il

Vs=−Vl=−L dIldt

→ Il t =−V sot−αT

LI max

Au final, Il(t) aura l'allure suivante :

Avec : I max−I min

Imax10

Nous allons maintenant étudier les principales relations qui régissent ce système et les contraintes.

Vt It

Vl Il

Vd Id

IminImax

Il

t

Ton Toff

Commande

t

t

t

t

E - Vs

-Vs

Imin

Imin

Imin

Imax

Imax

Imax

-E

Relation de transfert :

<Vs(t)> = f(E,α)<Vl(t)> = 0 = α(E – Vs) – Vs(1-α) => Vs = αE

Relation d'ondulation de courant :

ΔIl = Imax – Imin = f(E,L,T,α)

Il=E –Vs t L

I min

Il αT =E−VsαT L

I min

=> ΔIl=E−VsαT L

=E−Vsα

Lf

Relation d'ondulation de tension :

Bien que nous travaillons qu'avec des tension purement continue, il y a quand même des ondulations de tension. Nous allons ici voir d'où cela peut venir.

Le courant qui traverse la bobine est de cette forme :

Ce courant peut être décomposé en deux parties, une composante continue et une alternative.→ Il(t) = Ilo + Il(t)'Et peut être vu par le circuit de cette manière :

=>

Il(t)

Il(t) Ilo Il(t)'

Ilo Il(t)'

On suppose ici que la composante continue passe par R et la composante alternative passe par C.

Donc Il(t)' et Vs(t)' ont cette allure là :

∫Vs t1

Vs t2

dVs= 1C∫t 1

t 2

Il t dt

Vs t1–Vs t2 =t2 – t1∗ΔIl t 4C

V smax – V smin=Δilt 8Cf

=E 1 – αα

8LCf²=Δvs

Nous allons maintenant nous intéresser à la réalisation d'une bobine

Ilo Il(t)'

Vso Vs'(t)

Il(t)'

Vs(t)'

t1 t2

Entrefer à air

Le but maintenant est de calculer le nombre de spires en fonction du matériau de l'armature de l'espace de l'entrefer.B=∗H

L'energie électromagnétique volumique emmagasiné dans une bobine vaut :

W emvolumique=B²2μ

Le flux magnétique dans une bobine vaut Φ = B*SEt voilà le théorème d'ampère :

∮ H dl=∑ N∗I

Hair*e + Hfer(l-e) = NIOn suppose que Bair*Sfer = Bfer*SferBeS μ0S

BS l−e Sμ0 μr

=N∗I

Φ eμ0S

l−e Sμ0 μr

=N∗I

Le terme en facteur avec Φ est appelé R(e) qui est la réluctance.

Φ=N∗I R

e

u t =n dΦdt

u t = N²Re

dIdt qui est de la forme u t =L dI

dt

Donc L= N²Re

=N²A e

A(e) s'appelle le coefficient d'inductance et est donné par la constructeur.

Nous allons maintenant passer au dimensionnement des composants.

Dimensionnement de la bobine

Nous rappelons que Δil=Eα 1−αLf

avec E = 48V et Δil = 10% et nous décidons de travailler à une fréquence de commutation de 70kHz.

Pour calculer la valeur de la bobine, il faut se placer dans le pire cas. Ici c'est quand α = 0,5Donc L = 1,7mH.

Nous allons ensuite bobiner à la main la bobine. Nous prenons donc un support dans la boîte à composants de type N145. Après lecture dans la documentation constructeur nous trouvons un Al(e)=2500 nH il nous faut donc 25 spires.

Après après avoir fait nos 25 spires, nous nous sommes rendu compte que l'armature était trop petite pour contenir autant de spire. Il faut donc enlever des spires jusqu'à ce que le support entre dans l'armature. Nous calculons donc 15,5 spires.

La valeur de L a donc changé et nous calculons 0,6mH. Pour vérifier nous utilisons un appareil de mesure qui lui nous indique 60,4 μH. Après réflexion, nous nous sommes dit que seul le Al(e) était incorrect. Et en effet il l'était, car la documentation constructeur ne tiens pas en compte l'entrefer et nous nous en avons un. Après calcul, nous avons en réalité un Al(e) de 251 nH.

Le problème est que maintenant ΔIl vaut maintenant 284%

Dimensionnement du condensateur

Nous rappelons que ΔVs= Δil8Cf

→ C = 50,6μF

Séance n°2

On a vu précédemment que le bloc puissance était commandé par un interrupteur tel que :• De 0 à αT on ferme l'interrupteur.• De αT à T on ouvre l'interrupteur.

( T représente la période de commutation de l'interrupteur )

Pour réaliser cette commande on utilise un SG3524 de Texas Instrument dont voici le schéma de principe :

On réalise tout d'abord ce montage pour observer ce que l'on obtient en sortie du SG3524 :

Explication du montage :

• Tension de référence :

Les 2 condensateurs reliés à la pâte 15 sont des capacités de découplage qui servent à empêcher que des parasites viennent perturber le montage. Le bloc « Reference Regulator » est un régulateur de tension qui sert à générer une tension de référence Vref de +5V. Cette tension servira à alimenter plusieurs composants du circuit intégré SG3524. Cette tension est aussi disponible sur la broche 16.

• Fréquence oscillateur et comparateur :

La résistance de 4k7Ω sur la broche 6 et la capacité de 3,3nF sur la broche 7 servent à fixer la fréquence de l'oscillateur.

Le potentiomètre sur la broche 9 sert ici à simuler l'appuie sur la pédale d'accélérateur du kart électrique. On obtiendra donc un potentiel sur la broche 9 suivant la pression exercée sur la pédale ou, dans notre cas, suivant la valeur du potentiomètre.

Le condensateur sur la patte 7 servira à émettre un signal en dent de scie qui entre dans un comparateur. L'autre broche de ce comparateur est relié au potentiel de la broche 9. C'est ce comparateur qui permet de faire varier le rapport cyclique en fonction de l'appuie sur l'accélérateur. Voici son fonctionnement :

Quand signal oscillateur > signal broche 9 on obtient en sortie Vref.Quand signal oscillateur < signal broche 9 on obtient en sortie 0 volt.

• Sortie transistors NPN :

Pour commencer, nous avons réaliser ce montage : nous avons relié les émetteurs des transistors NPN à la masse et nous avons connecté une résistance de 1kΩ entre les collecteurs et +Vcc.

Réalisation de la commande :

Nous avons visualisé les sorties 13 et 12 du SG3524 et nous obtenons :

On remarque que les transistors ne peuvent pas être passant en même temps.

Sur la broche 13 on obtient un rapport cyclique α tel que : 0,5 < α < 1Sur la broche 12 on obtient un rapport cyclique α tel que : 0 < α < 0,5

Il serait donc intéressant de combiner ces 2 sorties pour pouvoir répondre à notre cahier des charges, c'est-à-dire obtenir un rapport cyclique variant entre 0 et 1.

Nous avons tout d'abord essayé une porte XOR mais comme il existait une solution plus simple nous n'avons pas gardé ce montage.

Jusque là nous avions un montage émetteur commun, nous sommes donc passé à un montage émetteur/collecteur commun ( nous utilisons donc une résistance en moins ).

Montage :

Nous avons choisi tout d'abord comme sortie les collecteurs des transistors

Voici les oscillogrammes que nous obtenons :

• α = 1 :

• α = 0 :

Nous obtenions bien un rapport cyclique variant entre 0 et 1. Mais nous remarquons que nous n'avons pas parfaitement 0 volt avec α = 0. Cela pose problème car cela voudrait dire que le kart avancera dès que nous connecterons les batteries. Il faut avoir parfaitement 0 volt quand α = 0, mais nous ne sommes pas obligé d'avoir parfaitement une tension maximale quand α = 1.

C'est pour cela que nous avons modifiés notre montage : au lieu d'avoir notre sortie sur les collecteurs, nous allons mettre notre sortie sur les émetteurs des transistors.

Montage :

Nous obtenons :

• α = 1 :

• α = 0 :

Cette foi-ci nous obtenons parfaitement 0 volt pour α = 0. Et comme prévu nous n'avons plus exactement une tension maximale pour α = 1 mais cela n'a pas une grande importance.

Cette partie concerne la partie puissance, c'est à dire du choix, aux tests effectués sur la platine d'essai.

Le choix des composants peut s'avérer simple mais en fait cela peu s'avérer très compliqué avec tout les paramètres que donne les constructeurs et ceux imposés par le cahier des charges. Dans notre étude, nous avons besoin d'une diode et d'un transistor de puissance (MOS, IGBT...) avec les caractéristiques suivantes :

Diode : courant direct → 11A

Transistor : courant direct → 11A tension de commande → 5V

Après quelques recherches, nous avons opté pour la diode RHRP3060 de chez Fairchild Semiconductor et le transistor RFP12N10L du même constructeur dont les documents constructeur se trouvent en annexe.Nous rappelons le schéma de la partie puissance :

Avec les caractéristiques suivantes :L = 60,4 µHC = 50,6 µF

Lors de l'essai platine, nous n'avions pas de condensateur de 50,6 µF, nous avons donc pris 3 condensateurs de 22µF que nous avons mis en parallèle.

Pour notre premier essai, nous avons préféré séparer la partie commande et puissance par souci de simplicité et de compréhension, en faisant les deux montages sur deux platines d'essais différentes. Une fois fait, nous avons donc relié les deux plaques par un long fil, mais le montage ne fonctionnait pas. Après réflexion, il se trouvait que le fil avait une trop grande inductance linéique ce qui a beaucoup influé sur le fonctionnement du montage. En effet, la chute de tension dans le câble était trop importante et la tension aux bornes du transistor était donc trop faible pour pouvoir l'amorcer.

Après avoir câbler touts les composants sur la même plaque, le montage a correctement fonctionné, il nous suffira donc maintenant de faire cette plaque sur protel et ensuite de faire le vrai montage sous 400A.

Vs

Ve Commande

Séance n°3 et 4

Pour ces séances, après s'être rendu compte que les deux montages ne pouvait se faire sur la même plaque, nous avons donc décablé la partie puissance pour la réimplanter sur la plaque de la partie commande. Après l'avoir fait, nous avons branché l'alimentation pour la partie test, mais là, rien ne se produisait, nous n'avions rien du tout en sortie. Il se trouvait en fait, que pour cette carte, tout les problèmes de CEM (Compatibilité ÉlectroMagnétique) dont nous nous occupions absolument pas pour les projets et TP précédents, n'étaient en aucun cas à négliger pour ce projet.

En effet, le MOS étant extrêmement sensible à tout parasites extérieurs, il peut faire n'importe quoi. Touts les fils sont à minimiser le plus possible, il peuvent servir d'antenne voir de composants, ils peuvent se modéliser par une résistance et une inductance en série (10nH/cm), cela peut paraître négligeable, mais nous venons de voir que pas du tout. Nous avons donc refait le montage de cette manière :- en mettant le moins de fils possible, ou en tout cas les plus courts possible.- en les mettant les masses et les phases le plus loin possible, ceci créer des problèmes dit de diaphonie capacitive, des parasites sur un fil se retrouve sur l'autre. Deux fils face à face se comportent comme un condensateur (deux armatures métallique séparées par un diélectrique) :

- en torsadant les fils proches (par exemple ceux de l'alimentation générale), pour éviter les problèmes de diaphonie.- en mettant les composants les plus proches possible les uns des autres.- en mettant un plan de masse sous la carte, de cette manière, tout les parasites se retrouvent directement à la masse.- en découplant toutes les alimentations qui se trouve sur le montage avec un condensateur polarisé de l'ordre de quelques µF et un non polarisé de l'ordre de quelques nF, le tout en parallèle. Il faut les placer au plus proche de l'alimentation. Ce dispositif servira aussi à envoyer les parasites générés par les alimentations à la masse.- et avoir les pattes des composants utilisés les plus courtes possibles, pour éviter qu'elles fassent antennes

Après avoir fait le montage en ayant pris en compte tout ces problèmes, nous avons pu, enfin, obtenir quelque chose en sortie. Cette partie nous à pris énormément de temps de temps dû au fait qu'il fallait prendre en compte tout les paramètres précédents. Pour simuler le moteur, nous avons pris un rhéostat de puissance, et nous sommes montés jusqu'à 5A (soit 30V à peu près). Nous obtenons bien en sortie une tension variant de 0 à 30V avec un courant. Nous avons, pour vérifier le courant, pris une sonde de courant que nous avons mise sur la bobine. Nous obtenons le relevé suivant :

CpN

+Vcc

La courbe en bleue représentant la tension Vds du MOS et celle en jaune, le courant dans la bobine. Nous remarquons dans un premier temps que nous obtenons bien une variation du courant dans la bobine et que la pente négative se trouve bien quand le MOS est bloqué. Mai nous remarquons aussi que le courant et extrêmement parasité, chaque commutation des composants implique des oscillations très rapides et de grande amplitude sur la bobine. Nous avons aussi regarder ce que donnait la tension aux bornes du SG3524, nous obtenons des résultats surprenants :

Nous remarquons en premier lieu que le temps de montée et de descentes ne sont pas les mêmes et qu'il y a, encore, des oscillations. Explications :- Pour les temps de montée et de descentes, c'est à cause du MOS. Si nous faisons le schéma réel entre la sortie du SG3524 et l'entrée du MOS, nous avons un schéma tel que :

Rl

Cgs

Ll

R

+VccCharge de Cgs

Décharge de Cgs

Le MOS se comporte comme un condensateur, quand le SG3524 délivre un signal (de 0 à αT), la capacité Cgs du MOS se charge avec une constante de temps τ = RC, qui, pour la charge est assez rapide car Rl est de l'ordre de 1Ω, mais, lorsque le SG3524 ne délivre plus rien (de αT à T), le condensateur se décharge là ou il peut, c'est à dire dans R, du coup, comme R est de 1kΩ, la constante de temps τ devient bien plus lente, c'est ce qui créer une dissymétrie au niveau de la montée et de la descente.

- Pour les oscillations, il faut se rappeler des cours d'automatique. Nous avons vu qu'un circuit RLC série contient un coefficient d'amortissement dans sa fonction de transfert et qu'il était égal à :

m= R2 LC

Pour la charge, la valeur de R, de L et de C étant faible, m est inférieur à 1, c'est ce qui cause ces oscillations. Pour la décharge, R étant bien plus grand, les oscillations sont négligeables, mêmes si elles subsistent.

Pour remédier à ces problèmes, nous allons utiliser les solutions suivantes :- pour la dissymétrie, nous allons utiliser ce que l'on appelle un driver pour MOS. Ce composant permet de symétriser d'une part les temps de montée et de descente du signal de commande, et d'un autre de les diminuer par un rapport 1000! Ce qui en plus, induit moins de pertes au niveau du transistor, ce qui est très important pour notre application, chaque watt de gagné et toujours utile. Nous avons choisi de prendre un driver de type TC4428 de chez Microchip dont voici le schéma :

Nous obtenons à la sortie (OUT B) l'oscillogramme suivant :

NC NCIN A

GNDIN B

OUT AVddOUT B

Mais ce driver ne peut supprimer les oscillations.

- pour les oscillations, nous donc donc rajouter une résistance en entrée et en sortie du driver pour que le m soit supérieur à 1. Des résistances de l'ordre de quelques dizaines d'ohms suffisent. Et nous obtenons l'oscillogramme suivants :

Nous remarquons tout de suite la différence du temps de montée qui est considérable! Et nous voyons aussi que les oscillations sont beaucoup plus faibles que sans les résistances. Nous remarquons aussi que le driver sert aussi de régulateur de tension et d'adaptateur d'impédance, quand on observe la tension que nous avions en sortie sans driver, la tension était assez instable, alors qu'avec le driver elle est très stable.

Pendant cette séance, nous avons réalisé une étude thermique de la plaque. Pour ceci, nous sommes allés dans le département GIM pour utiliser leur caméra thermique. C'est un caméra qui affiche une couleur différente en fonction de la température mesurée.

C'est une étude très intéressante qui permet de voir et de comprendre tout ce qui à été vu pendant le cours de thermique au semestre 2 et aussi pendant l'intervention de Monsieur Collet sur les alimentations à découpage.

Voici ce que nous obtenons après quelques minutes de marche (nous sommes sous 5A) :

1 → C'est le MOS, nous qu'il est à 30°C à peu près, ce qui implique que notre radiateur est surdimmensionné. Nous remarquons aussi que les résistances qui se trouvent sur le gate du MOS chauffent aussi, par le MOS et aussi par le courant qui les traversent.

2 → C'est la diode, nous voyons qu'elle doit avoir les mêmes caractéristiques thermique et que le radiateur est aussi surdimmensionné. Nous remarquons aussi que la capacité de découplage qui se trouve près de la diode chauffe aussi mais uniquement par convection. Ceci rejoins ce que nous avons vu avec Monsieur Collet, que les condensateurs près de sources chauffantes chauffent aussi, ce qui réduit leur durée de vie.

3 → C'est le SG3524, nous n'avions pas pensé que celui ci pouvait chauffer autant. Ceci viens tout simplement des transistors qui se trouvent en interne, mais l'utilisation de radiateur n'est pas nécessaire, la dissipation par convection suffit largement à maintenir le composant en dessous de la limite des 150°C (température de fusion du silicium).

1

2

3

Séance n°5 et 6

Pendant cette séance, nous avons effectué un approfondissement du SG3524, ce composant contient une fonction de limiteur de courant

Un limiteur de courant peut être nécessaire dans un montage où la charge ne peut pas dépasser un courant seuil.

Le montage d'un limiteur de courant est fournit dans la datasheet du SG3524 de Texas Instrument :

Ce montage ne correspond pas parfaitement au notre, on le modifie donc de la façon suivante :

Calcul des composants :

- Valeur de Rs :

Ios=200mVRs

On fixe Ios = 0,5 A

→ Rs=200mV0,5 A

=0,4Ω

On utilise une résistance de puissance pour cette résistance :P = 0,4 * 0,5² = 0,1 W

On prend une résistance de 0,47 ΩAvec cette valeur on obtient Ios = 0,43A

- Valeur de R1 et R2 :

I omax=1R s

200mVV o∗R2

R1R2

Vo = 48 V Rs = 0,47 Ω

On fixe Io(max) = 1 A

On obtient : 1=0,43102∗R2

R1R2

→ R1 = 178 * R2On prend donc R2 = 1kΩ et R1 = 180kΩ→ Io(max) = 0,99 ALors des tests nous avions prit R2 = 1kΩ et R1 = 270kΩ → Io(max) = 0,8 A On obtenait bien une limitation à 0,83 A, on peut donc conclure que ce montage fonctionne correctement.

Pendant cette séance, nous avons aussi commencé l'étude du bloc du bloc A3 qui est la régulation en tension du hacheur dont voici le schéma :

Avec R1 = 1kΩ R2 = 120Ω R3 = 10kΩL'étage en vert sert de diviseur de tension, c'est pour passer du 48V au 5V et l'étage en rouge correspond à un comparateur différenciateur.

+

-

+

-

+5V

ChargeVs

+5V+5V

-5V-5V

R2

R3R1

R3

R3

R3

R3

R3R3

R2 R3

R1

1

1Gain

CorrecteurIntégrateur

Vers compensation du SG3524 (broche 9)

Si nous faisons un parallèle avec les cours d'automatique, nous avons le schéma suivant :

Pour calculer maintenant les caractéristiques du correcteur, il est plus commode pour ce montage de faire un essai harmonique. Il faut pour ceci mettre l'entrée du GBF sur la patte 9 du SG3524 en y ajoutant un offset. Celui ci s'est avéré quasiment impossible à faire, sa pulsation nominale est trop faible pour pouvoir être mesurée à l'oscilloscope, en effet, à 60mHz, la sortie était toujours déphasée de 180°

Pour avoir une mesure correcte de sa pulsation nominale, il faudrait étudier en profondeur le système pour en connaître sa fonction de transfert.

Dans la dernière heure de ce TR, la circuit imprimé du montage à été sortie et les composants ont été soudés. Mis à part quelques petites erreurs qui ont put être corrigées sans problèmes, la carte fonctionne tout à fait correctement :

Nous voyons qu'elle fonctionne même mieux que sur la platine d'essai. La courbe jaune correspond à Vgs et la bleue au courant dans la bobine.

C(p) F(p)+ -E(p) S(p)

Conclusion

Pour conclure sur ce TR, nous avons vu que même la réalisation d'un hacheur un quadrant n'est pas si aisée que ça. Nous avons dû nous confronter surtout à des problèmes de CEM, mais aussi à des problèmes d'oscillations sur la patte gate du MOS. La sensibilisation aux problèmes thermiques pour cette plaque est intéressante, mais elle va devenir une chose primordiale quand nous allons passer sur le kart (sous 400A, les échanges thermiques n'ont plus rien à voir). Maintenant, il va falloir mettre toutes les connaissances acquises pendant ce TR pour pouvoir aller implanter le système sur le kart.