CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT DES CIRCUITS ELECTRONIQUES

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ETUDES D’UNE ALIMENTATION A PARTIR D’UN CONVERTISSEUR CONTINU- CONTINU A TRANSISTORS

On étudie les types de hacheurs utilisées fréquemment pour asservir en vitesse et en position un moteur à courant continu :

 Hacheur série

 Hacheur parallèle

 Hacheur réversible ou deux quadrants

 Hacheur en pont ou quatre quadrants

On n’étudie pas les hacheurs à accumulation capacitive ou inductive car ces derniers concernent uniquement les alimentations à découpage.

Hacheur série

Schéma de principe

Le hacheur série représenté (fig3.1) assure la liaison directe entre une source de nature capacitive(tension) et une charge de nature inductive.

Le hacheur est constitué par un interrupteur, mis en série avec la source et une diode de récupération qui vient en parallèle sur la charge.

Analyse de fonctionnement

Première phase : l’interrupteur K est fermé (fig3.2)

De t=0 à t= T0 T :

Nous sommes en présence d’une source de tension E débitant dans l’induit d’un mcc. La diode D est bloquée (tension inverse E à ses bornes).la tension de sortie U est égale à celle de l’entrée E, le courant iE correspond au courant de charge iC

Deuxième phase : l’interrupteur K est ouvert (fig3.3)

De t= T0 à t=T :

L’énergie emmagasinée dans la bobine L peut s’écouler à travers la diode D. La bobine restitue donc une partie de l’énergie accumulée. On a alors iD i ,iS =0 et U=0.

Où i(t) est solution de l’équation différentielle : Ri L dtdi e 0 .A ce stade du raisonnement, on distingue deux régimes de fonctionnement :

 Soit i(t) n’est pas nul à t=T,c’est le régime de conduction continue.

 Soit i(t) s’annule entre T0 et T, c’est le régime de conduction discontinue(on n’étudie pas ce phénomène)

Troisième phase : Phase de commutation

Pour t= T0 : ouverture de l’interrupteur K ; la diode D doit immédiatement entrer en conduction afin d’éviter une variation rapide de l’intensité dans la bobine et par conséquent une surtension L dtdi néfaste pour l’interrupteur. On dégage donc une qualité importante de la diode de récupération c’est à dire ses temps de commutation doivent être notablement plus courts que ceux de l’interrupteur auquel est associé. La commutation à la fermeture ne pose pas de problème.

Oscillogramme

On suppose que la constante de temps électrique « L/R » est supérieure à la période de fonctionnement afin d’éliminer la conduction discontinue. L’allures de formes d’ondes correspondant aux phénomènes décrit sont représentés fig3.4.On

notera TT0 le rapport cyclique susceptible de varier de 0 à100%.

Relations fondamentales

· Tension moyenne Uc :

Si Uc désigne la tension aux bornes de la charge, on a les relations suivantes.

On renvoie en annexe1 toutes les démonstrations.

U c E RIC e (3.25)

a : Rapport cyclique

E : source de tension continue alimentant l’induit

R : résistance de l’enroulement d’induit

e : f-c-ém de l’induit

I C : Courant moyen traversant la charge

· Courant d’ondulation absolue I

Le courant d’ondulation absolue est donné par la formule suivante (cf. ,annexe1) :

On peut réduire l’ondulation soit en travaillant à une fréquence de découpage élevée (période T petite), soit en augmentant l’inductance globale L de la charge.

· Bilan de puissance

le hacheur transmet la puissance avec un rendement théorique égal à un.

Schéma de principe

Le hacheur parallèle représenté (fig3.5) assure la liaison directe entre une source de courant et une charge capacitive.

Le hacheur est constitué par un interrupteur, mis en parallèle avec la source et une diode qui vient en série avec la charge.

Analyse de fonctionnement

Première phase Fig. (3.5)

L’interrupteur K est ouvert. L’énergie passe de la source à la charge par La diode D. Le condensateur C stocke de l’énergie, on a iD=iS ; l’allure de iD obéit à l’équation différentielle

Deuxième phase Fig. (3.6)

L’interrupteur K est fermé et court-circuite la source. La diode D est bloquée (sous tension inverse).La loi d’évolution du courant iS=iK obéit l’équation différentielle :

Alors au cours de cette phase ; iS(t) est une fonction croissante. On remarque alors que la première phase est négative, ce qui impose E-UC<0.On retrouve le caractère élévateur de tension.

Troisième phase : Commutation à l’ouverture de l’interrupteur K.

A l’ouverture de K,iS tend brusquement à décroître , doncdisest négatif et la tension E vient s’ajouter à la tension –vL=-Ldisqui est positive et va permettre l’entrée en conduction de la diode. Des que celle-ci entre en conduction, on se retrouve dans la première phase de fonctionnement régie par l’équation (3.29).La commutation à la fermeture de K ne pose pas de problème.

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Table des matières

Introduction
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES ALIMENTATIONS DES MOTEURS A COURANT CONTINU
I.1.Définition
I.2. Principe de l’alimentation par redresseur
I.2.1.Redresseur
I.2.2. Filtrage
I.2.3.Régulation
I.3. Alimentation à partir de redresseur commandé
I.3.1.Pontde Graetz mixte
I.3.2. Pont de Graetz à Thyristors
I.4. Alimentation par un convertisseur continu-continu
CHAPITRE II : LE MOTEUR A COURANT CONTINU
II.1. Constitution d’un moteur à courant continu
II.1.1. Stator
II.1.2.Rotor
II.1.3.Collecteur
II.1.4. Balais et porte- balais
II.2. Modes d’excitations du moteur à courant continu
II.2.1. Moteur à excitation séparée
II.2.2. Moteur à excitation parallèle
II.2.3. Moteur à excitation série
II.2.4. Moteur à excitation composée
II.3.Equations générales
II.3.1. Equation de tension
II.3.2.Vitesse
II.3.3. Couple électromagnétique
II.3.4. Rendement
II.4.Modélisation en régime dynamique
II.4.1.Fonction de transfert du mcc à excitation séparée
II.5.Contraintes et limites de fonctionnement du moteur
II.5.1.Limites de fonctionnement
II.5.2.Effet de la réaction d’induit et de la saturation
II.5.3.Effet de la commutation
II.5.4Effet des échauffements
CHAPITRE III : ETUDES D’UN ALIMENTATION A PARTIR D’UN CONVERTISSEUR CONTINU- CONTINU A TRANSISTORS
III.1.Hacheur série
III.1.1.Schéma de principe
III.1.2.Analyse de fonctionnement
III.1.3.Oscillogramme
III.1.4Relations fondamentales
III.2.Hacheur parallèle
III.2.1.Schéma de principe
III.2.2.Analyse de fonctionnement
III.2.3. Oscillogramme
III.1.4Relations fondamentales
III.3.Hacheur réversible
III.3.1. Hacheur réversible monte en série
III.3.1.1.Schéma de principe
III.3.1.2.Analyse de fonctionnement
III.3.1.3. Oscillogrammes
III.3.1.4.Relations fondamentales
III.3.2. Hacheur réversible utilisant deux interrupteur fonctionnant alternativement
III.3.2.1. Schéma de principe
III.3.2.2. Principe de fonctionnement
III.3.3. Hacheur quatre quadrants
III.3.3.1. Schéma de principe
III.3.3.2. Principe de fonctionnement
CHAPITRE IV : CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT DES CIRCUITS ELECTRONIQUES
IV.1. Cahier des charges de l’alimentation
IV.2. Hypothèses Générales
IV.3. Principe général de l’alimentation
IV.4. Conception de circuit de puissance
IV.4.1.Principe de choix des transistors de puissance
IV.4.2.Principe de choix des diodes
IV.4.3.Choix et dimensionnements
IV.4.3.1. Circuit de puissance
IV.4.3.2. Préamplificateurs
IV.5. Conception des circuits de commande
IV.5.1. Principe
IV.5.2. Générateurs de fonction triangulaire
IV.5.2.1. Générateur de signal rectangulaire
IV.5.2.2. Intégrateur
IV.5.3. Mode d’obtention de signal de référence Vc
IV.5.4. Comparateur
IV.5.5. Autres montages
IV.5.5.1. Utilisation d’un CI générateur du signal triangulaire ICL 8038
IV.5.5.2.Modulation de largeur d’impulsion
IV.6. Schéma de conception final et simulation
IV.6.1 Schéma détallé de courant d’ alimentation
IV.6.2 Simulation
IV.6.2.1. Présentation de logiciel circuit Maker
IV.6.2.2. Résultat de la simulation
IV.7. Fonction de transfert de l’organe de commande
CHAPITRE V : MONTAGE DE CIRCUIT IMPRIMÉ
V.1. Réalisation
V.1.1. Tracé du circuit imprimé
V.1.1.1.Téchnologie du circuit imprimé
V.1.1.2. Gravure
V.1.1.3. Perçage
V.2. Présentation de logiciel Trax maker
V.2.1. Généralités
V.2.2. Fonctions principales
V.2.3. Présentation et méthode de routage
V.3. Résultats de routage
V.3.1. Routage de circuit de commande
V.3.2. Routage circuit d’alimentation
V.3.3. Routage circuit de puissance
CHAPITRE VI : ESSAIS ET ROUTAGE
VI.1. Schéma de l’installation
VI.2. Mesures des grandeurs électriques et oscillogrammes en marche directe
VI.2.1. Moteur
VI.2.1.1. Fonctionnement à vide
VI.2.1.2. Fonctionnement en charge
VI.2. 2. Alimentation
VI.2.2.1. Oscillogramme de circuit de commande
VI.2.2.2. Oscillogramme de préamplificateur
VI.2.2.3. Oscillogramme de tension à la sortie de hacheur
VI.3. Mesures des grandeurs électriques et oscillogrammes en marche inverse
VI.3.1. Moteur
VI.3.1.1. Fonctionnement à vide
VI.3.1.2. Fonctionnement en charge
VI.3.2. Alimentation
VI.3.2.1. Oscillogramme du circuit de commande
VI.3.2.2. Oscillogramme de préamplificateur
VI.3.2.3. Oscillogramme de la tension à la sortie de hacheur
VI.4. Comparaison avec simulation
VI.4.1. Marche inverse
VI.4.2. Marche directe
CHAPITRE VII : ÉTUDE D’IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
VII.1. Etude d’impacts environnementaux
VII.2. Remèdes
Conclusion
Annexes
Annexe1
Annexe 2
Annexe 3
Bibliographie