IBTSS-05-OMM
Régulation du courant magnétisant
Introduction
Ce projet traite de la réalisation d’un convertisseur DC/DC en partant du choix de la topologie et de simulations du comportement du système jusqu’à la construction de celui ci, en passant par l’implémentation d’une structure de réglage propre au dispositif. Ce convertisseur a pour vocation de s’intégrer dans un système plus vaste permettant de fournir l’énergie nécessaire à un dispositif d’imagerie médicale de type radiographie. La particularité de ce convertisseur est sa plage de tension d’entrée pouvant varier de 24 à 48[???].
Cahier des charges
Introduction
Le présent cahier des charges se concentre sur le chargeur DC/DC pour l’interfaçage d’une source d’énergie (batterie, panneaux photovoltaïques) avec le bus continu du système, soit la batterie de stockage intermédiaire.
Description
Dans le cadre d’une collaboration avec un partenaire industriel, le Laboratoire d’Electronique Industrielle (EoI) est en charge de réaliser un dispositif d’alimentation afin de connecter un système d’imagerie médicale (Radiographie) à un réseau électrique monophasé basse tension. Le but est de garantir la fonctionnalité et l’autonomie du système grâce à des éléments d’accumulation d’énergie et cela indépendamment de l’état du réseau (même en l’absence de tension réseau pour une durée déterminée). Un bus batterie (DC) intermédiaire permet de découpler le réseau du système d’imagerie médicale. Afin de charger la batterie connectée au bus, deux chargeurs sont utilisés : le premier permet la recharge de la batterie grâce au réseau (AC/DC) et le second (DC/DC) doit être réalisé afin de permettre l’utilisation d’une autre source d’énergie de type continue. Ce projet se concentre sur le deuxième type de convertisseur (DC/DC).
Les sources d’énergie sont principalement de trois types différents :
Bus continu (DC) d’une installation photovoltaïque
Installation photovoltaïque directe
Batterie auxiliaire
La commande ainsi que la régulation du chargeur sont réalisées grâce à un processeur de signal numérique (DSP – Digital Signal Processor) qui contrôle le système de manière globale.
Le chargement de la batterie sur le bus continu peut être effectué par le chargeur AC/DC et/ou par le chargeur DC/DC. Un algorithme de contrôle du système complet (chargeur AC/DC et DC/DC) doit permettre de contrôler les deux convertisseurs mais ne fait pas l’objet de ce projet.
Objectifs
Les objectifs principaux de ce projet sont :
Analyse de spécifications et dimensionnement d’un dispositif.
Mise en oeuvre et tests sur le module dimensionné.
Remise d’un dossier technique complet et documentation.
Plus particulièrement, le module de conversion à développer comportera trois étapes principales :
Analyse du sous-système à développer. Définition et analyse des spécifications relatives au module à développer.
Mise en oeuvre des procédures et outils de dimensionnement du sous-système. Dimensionnement et simulations de pré-validation.
Prototypage du dispositif et tests si le temps imparti est suffisant.
Tâches à réaliser
Voici les tâches principales devant être réalisées :
Définition de la topologie du chargeur DC/DC : o Définir une stratégie pour réduire le coût du convertisseur (topologie minimale nécessaire), obtenir un rendement maximal et charger la batterie de manière optimale (contrôle du courant de charge). o Choix de la topologie selon les critères à respecter (cf. Spécifications et contraintes).
Dimensionnement de la partie puissance : o A l’aide d’un logiciel de simulation (« Simplorer ») :
Mise en équations du sous-système.
Calcul des valeurs d’inductances, condensateurs et du transformateur (contrôle à l’aide de simulations).
Stratégie de commande et de régulation (tension et courant de sortie, contrôle de la puissance prélevée).
Machine d’état pour les mises sous/hors tension ainsi que les modes de fonctionnement (via le DSP).
Choix des fréquences de commutations.
Calcul des valeurs de tension et courants sur les éléments (contrôle à l’aide de simulations).
o A l’aide d’un logiciel de simulation en temps réel (« Typhoon HIL ») :
Contrôle du fonctionnement du code (DSP), formes d’ondes.
Choix des composants et conception du/des PCBs : o Recherche de composants répondants aux critères définis dans les tâches précédentes.
Conception
Cette section a pour but d’établir le fonctionnement du dispositif de manière parfaitement clair et précise. Une étude systématique est réalisée afin de comprendre les relations de cause à effet qui régissent le comportement du chargeur. Un fois cette démarche réalisée, il est possible de définir les types de flux dans les différentes parties du circuit et donc de dimensionner les éléments principaux tels qu’inductances, condensateurs et transformateur. Les valeurs maximales sur les composants peuvent également être définies. Enfin, la régulation peut être implémentée en inversant les relations de cause à effet précédemment définies.
Contrôle par simulation
Les éléments principaux du dispositif ont été définis en considérant un système idéal. Il s’agit ci-dessous de montrer les différences que le système réel. Chaque composant est modélisé par son schéma équivalent (cf. Chapitre « Modèles pour le calcul des pertes ».
Remarque importante :
La tension minimale d’entrée était de 12[?] selon le cahier des charges établi au début du projet. Cette valeur a été augmentée à 24[?]. La raison principale est que les contraintes en courant sont importantes au primaire du transformateur. La faible tension d’entrée ajoutée aux forts courants impose des pertes et chutes de tension considérable sur les composants. La tension utile au primaire du transformateur est alors trop faible pour permettre de réguler correctement le dispositif. Des simulations au chapitre permettent de confirmer ce choix.
Modèles pour le calcul des pertes
Ce chapitre donne les équations fondamentales liées aux pertes de chaque composant du système. Celles-ci seront appliquées lorsque les caractéristiques des composants seront connues.
Régulation du dispositif
La régulation permet de contrôler deux paramètres du dispositif :
1. Le courant de sortie : le chargement de la batterie peut alors est contrôlée de manière précise.
2. Le courant magnétisant du transformateur : il est nécessaire de garantir un courant magnétisant moyen nul afin d’éviter la saturation du noyau magnétique. Un schéma de principe permet de visualiser le dispositif ainsi que les boucles de régulations qui y sont attachées. Ensuite chaque régulation est analysée de manière indépendante moyennant la mise en équation, la simulation de la boucle de réglage afin de déterminer le type et les paramètres de chaque régulateur. La régulation se concentre sur les valeurs moyennes du système.
Régulation du courant de sortie
Ci-dessous, uniquement la boucle de régulation du courant de sortie est représentée. Une modélisation locale peut être réalisée afin de dimensionnement le régulateur.
Régulation du courant magnétisant
Ci-dessous, uniquement la boucle de régulation du courant magnétisant est représentée. Une modélisation locale peut être réalisée afin de dimensionnement le régulateur.
Codage de la régulation
Afin de représenter le système de la manière la plus réaliste possible en simulation, la commande des interrupteurs est à l’image de la commande réelle. Une interruption ,survient toute les 50[??] afin d’exécuter le code qui commandera les interrupteurs.
Synthèse de la phase de conception
La phase de conception a permis de définir les sujets suivants :
– Comportement du système en boucle ouverte
– Equations régissant le système
– Utilisation des équations afin de définir la topologie de réglage : Mesures à réaliser, régulateurs à implémenter pour obtenir un système stable, type de commande à générer
– Paramètres influençant le système, soit le déphasage de la commande de chaque bras du pont en H ainsi que le rapport cyclique de chaque bras.
– Formes d’ondes attendues en boucle ouverte et fermée.
Simulation
Cette phase décrit les simulations effectuées en boucle fermée afin de valider la phase de conception et donc les équations définissant le système.
Condensateur d’entrée
La valeur minimale du condensateur d’entrée est prévue à 800[??]. Sur le PCB de puissance sont intégrés deux condensateurs chacun ayant une capacité de 100[??]. Il reste donc théoriquement à placer (en externe au PCB) une capacité minimale de 600[??]. Les premiers tests seront réalisés à l’aide d’une alimentation DC sans condensateur d’entrée. La mesure des courants prélevés à la source permettra de définir plus précisément quelles ondulations de courant le condensateur externe au dispositif doit pouvoir supporter et fournir.
Schémas électriques
Le schéma électrique à réaliser comprend 4 parties essentielles :
1. Puissance
2. Mesure
3. Commande
4. Interface
La première partie comprend tous les éléments de puissance nécessaire au transfert de la puissance de la source vers la batterie.
La seconde partie comprend les mesures de courant (courant du primaire du transformateur et courant de sortie du chargeur), les mesures de tension d’entrée et de sortie du dispositif (déportées sur d’autres cartes déjà existantes) ainsi que d’autres mesures de tension ou courants sur les composants de puissance afin de les sécuriser (ces mesures sont directement reliées au CPLD de la partie commande). La troisième partie comprend les drivers permettant de transformer un signal de commande en un signal en tension pouvant faire commuter les interrupteurs, la CPLD – Complex Programmable Logic Device qui permet de contrôler le bon déroulement des commutations. La CPLD contrôle si les commutations ont réellement lieu (ouverture et fermeture), si la commande venant du DSP est cohérente (pas de court-circuit) ou encore si la tension ou le courant aux bornes des interrupteurs ne sont pas trop élevés. Dans tous les cas mentionnés la CPLD stoppe les commutations des interrupteurs afin de protéger le système d’une défaillance. Un quittancement est nécessaire pour relancer le système. Enfin la quatrième partie, mais non pas la moins importante, est l’interfaçage des différents éléments du dispositif. Cette partie comprend la normalisation des mesures pour les diriger vers le DSP, la mise en forme des signaux provenant du DSP pour commander le CPLD puis les drivers des interrupteurs et enfin la mise en forme des mesures dirigées vers le CPLD.
Conclusion
Ce projet a permis d’élaborer un premier prototype de chargeur DC/DC afin de pouvoir par la suite être incorporé au système complet d’imagerie médicale.
A la fin de ce projet, le convertisseur DC/DC est réalisé et fonctionne correctement. La topologie considérée permet d’obtenir un design de chargeur robuste. Malheureusement l’utilisation de diodes pour le redressement de la tension au secondaire du transformateur implique des pertes non négligeables, ce qui affecte grandement le rendement. L’utilisation d’interrupteurs à la place de ces diodes permettrait de réduire les pertes du dispositif mais cette fois-ci au détriment de la simplicité de mise en oeuvre de la régulation du système.
L’élément clef pour la stabilité de réglage d’un tel dispositif est le transformateur La diminution des inductances de fuites de celui-ci en est le facteur clef d’optimisation.
Il reste encore à améliorer la régulation du dispositif ainsi que la prise de mesure (code du DSP) afin de rendre le système stable et par la suite, réaliser des mesures sur le chargeur en boucle fermée.
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Table des matières
1 Introduction
2 Cahier des charges
2.1 Introduction
2.2 Description.
2.3 Objectifs
2.4 Schéma fonctionnel
2.5 Spécifications et contraintes
2.6 Tâches à réaliser
2.7 Planning prévisionnel
2.8 Remarques
3 Phase 1 : Spécification
3.1 Choix de la topologie
3.2 Première sélection
3.3 Deuxième sélection
3.4 Synthèse et décision sur la topologie
4 Phase 2 : Conception
4.1 Système en boucle ouverte
4.1.1 Equations liés à la topologie
4.1.2 Formes d’ondes
4.1.3 Dimensionnement des éléments principaux
4.1.4 Contrôle par simulation
4.1.5 Valeurs numériques
4.1.6 Modèles pour le calcul des pertes
4.2 Régulation du dispositif
4.2.1 Schéma de principe
4.2.2 Régulation du courant de sortie
4.2.3 Régulation du courant magnétisant
4.2.4 Codage de la régulation
4.3 Synthèse de la phase de conception
5 Phase 3 : Simulation
5.1 Boucle fermée
5.1.1 Régulation du courant de sortie
5.1.2 Régulation du courant magnétisant
5.1.3 Saut de tension en entrée du dispositif
6 Phase 4 : Intégration
6.1 Contraintes sur les composants
6.1.1 Diodes du redresseur
6.1.2 Interrupteurs
6.1.3 Inductance de sortie
6.1.4 Transformateur
6.1.5 Condensateur d’entrée
6.1.6 Capteur de courant
6.1.7 CPLD et autres composants actifs
6.2 Calcul des pertes
6.2.1 Diodes
6.2.2 Interrupteurs
6.2.3 Inductance
6.2.4 Transformateur
6.2.5 Rendement estimé
6.2.6 Dissipateur thermique
6.3 Schémas électriques
6.3.2 Routage
6.4 Codage et régulation
6.4.1 Codage du CPLD
6.4.2 Codage du DSP
6.5 Synthèse de la phase d’intégration
7 Phase 5 : Vérification
7.1 Protocole de vérification des PCBs
7.2 Méthode de test
7.3 Protocole de contrôle de fonctionnement
7.4 Tests et mesures
7.4.1 Formes d’ondes
7.4.2 Rendement
7.4.3 Améliorations
7.5 Synthèse de la phase de vérification
8 Conclusion
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