Partie puissance

  • 1. Principe de la machine à courant continu

Le moteur à courant continu est un composant de conversion d'énergie électrique en énergie mécanique (énergie mécanique de rotation). Il est composé de deux parties essentiels qui sont le rotor qui est la partie rotatif et le stator (ou inducteur) qui génère le champs magnétique et constitue la partie fixe.

Le stator est constitué par des aimants permanents ou d’électroaimants et le rotor est constitué d’un bobinage qu’il faudra alimenter pour créer une interaction avec le stator ce qui fait que le moteur tourne dans un sens selon le type d’alimentation (tension positive ou négative).
Une interaction magnétique se crée lorsqu’on alimente le moteur ce qui met en mouvement ce dernier.


Machine à courant continu.png

Caractéristique du moteur à courant continu à commander :

  • tension nominale : 220 Volts
  • courant nominal : 13.6 Ampères
  • vitesse de rotation: 1500 tours /minutes
  • 2 paires de pôles
  • inductance :
  • Résistance :
  • Temps de réponse
  • couple électromagnétique :
  • Constante Electromagnétique :

Ces informations nous permettront de bien définir les besoins du projet afin d’assurer la sécurité de fonctionnement du moteur (Choix de technique de commande, choix de composant pour la commande etc….) *

  • 2. Conception du convertisseur de puissance*
    • A. Carte d'alimentation* *** a. Principe de fonctionnement

La carte d'alimentationn servira à alimenter notre système (carte de commande, carte de puissance). L'objectif est de récupérer la tension du secteur alternatif(230V ,50Hz) et de générer des tensions réduites et continues (15V , 5V ) afin de pouvoir alimenter les différents composants électronique de nos cartes.
Pour réaliser céla nous utilserons un transformateur monophasé suivi d'un pont de diode qui permettra d'avoir un redressement de type double-alternance. Ce signal sera ensuite filter à l'aide d'un condensateur pour lisser signal mais celui présente des ondulatation.
Nous avons mis un régulateur de tenison qui permet de stabiler la tension de sortie souhaitée afin d'avoir un parfait signal continu.

Schéma Electrique de la carte d'alimentation
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NB : Nous devons alimenter deux cartes ( carte de commande et carte de puissance ) qui doivent être séparées isolées c'est pourquoi nous avons un tansformateur monophasé double sorties
  • b. Dimensionnement des composants
  • Transormateur : 230V/18V avec une puissance apparante de 18VA > 1A en sortie
  • Le pont de diode : 1N4007
    La tension de sortie au niveau du pont de diode sera :
    Vsout= 1.41 * 18 - (2*0.7)= 24V (0.7 étant la chute de tension d'une diode à l'état passant)
    donc Vsout sera la composante continu après le filtrage du signal
*Dimmensinnement du condensateur de filtage:
Nous pouvons déterminer la capacité minimum du condensateur grâce à ce formule : C = I *T / Vsout (I:courant ,T= période du signal F=50Hz , Vsout : tension d'ondulation crête à crête)
  • C = 1/50*24 = 833 uF*
    Remarque = Il est important de savoir que plus la valeur du condensateur est grande plus le signal de sortir devient lisse. Donc Nous avons pris un condensateur de 1000uF pour mieux lisser le signal de sortie.
  • Régulateur de tension :
    Nous souhaitons alimenter nos composants par des tensions de 5 Volts et de 15 Volts c'est pourquoi nous avons utiliser les régulateurs de tensions LM7815 (sortie 15Volts) et LM7805.
    Remarque :
    le générateur de tension continu qui servira à alimenter le moteur à courant continu sera fourni par le client.
    • B. Choix des composants*

Pour la conception du hacheur faudra bien choisir les composants de puissantes tel que les interrupteurs (transistors et diodes) qui seront capable de fonctionner sans problèmes avec la tension nominale et aussi être capable de supporter les surtensions et les surintensités du moteur au démarrage.
Remarque :
- Pour le choix de ces interrupteurs nous avons pris en compte le cadre du projet. En effet nous avons pris le cas critique c’est-à-dire au cas où un étudiant alimente le hacheur entre une phase de l’alimentation triphasé. La tension entre phase vaut 400V donc nos interrupteurs doivent avoir la capacité de supporter cette tension pour la sécurité.
- Nous savons que au démarrage du moteur, il y’a un fort d’appel courant de ce dernier.
L’étude du moteur à vide nous a permis de vérifier cela :
Id(démarrage) ≈ 5A
I0 = 0.8 A ==> Id>>I0

  • a. Dimensionnement de l’interrupteur de puissance*

Le critère de choix repose sur divers aspects comme la tension et courant maximale qu’il peut supporter, la consommation d’énergie (les pertes) en conduction et le coût.
En effet, il existe plusieurs types de transistors sur le marché avec des propriétés différentes décrites sur le tableau suivant :

Types de transistors

Nous avons opté d’utiliser le transistor MOSFET car selon nous il présente beaucoup plus d’avantage pour concevoir notre convertisseur de puissance à ce qui concerne la vitesse de commutation et la fable résistance à l’état passant (Rdson) c’est-à-dire moins de pertes de conduction.
Mode de fonctionnement du transistor MOSFET :
Le transistor Mosfet est souvent utilisé en électronique de puissance car il présente plusieurs d’avantages qui sont :

- Une commutation rapide ( entrainant une faible pertes de commutations)
- Résistance à l’état passant très faible (faible pertes de conduction)
- Facile à commander

Un transistor Mos se commande en régime linéaire en appliquant une tension aux bornes de sa grille (gate) et la source, lorsque cette dernière dépasse une certaine valeur (indiquée dans le datasheet du composant), le transistor devient passant. Lorsque la tension appliquée Vgs(entre la grille et la source) est inférieure à VT le transistor Mosfet reste un interrupteur ouvert. .

Transistor MOSFET

NB : nous avons deux types de transistors qui ont des modes de fonctionnements différents en régime linéaire :
  • Les transistors MOS à canal N seront fermés si VGS (tension entre la grille et source) soit supérieure à VT
  • Les transistors MOS à canal P seront fermés si VGS (tension entre grille et source) soit inférieure à VT

    Type de transistor MOSFET

Remarque :
La valeur de Rdson ( résistance à l’était passant) peut augmenter en fonction de la température d’où l’augmentation des pertes par conduction. Il faut donc éviter le réchauffement de ces composants. Donc il faudra mettre des radiateurs pour dissiper la chaleur au niveau des transistors.

Composant choisi : IXFH60N65X2
_Coût d’un composant : 7.61€
Nous avons une résistance Rdson faible, la tension et courant max du transistor seront suffisant pour faire fonctionner le hacheur malgré les contraintes du projet.
Bilan des pertes :*++
Donc nous pouvons déterminer l’approximation des pertes pour dimensionner les radiateurs pour dissiper la chaleur au niveau des transistors.
- Pertes par conduction :* Pc = RDson × I Deff ²
  • Ideff = 13.6 A (courant nominal au niveau du moteur)
  • RDson ≤ 52 mΩ
    Donc Pc =52.10^(2)×13.6^2 = 9.62 W
    Pertes par commutation : Pcom = ½ × VDS × IDmax × (tr + tf) × F
  • IDmax = 60 A
  • VDS= 220V
  • Tf = 12 ns et tr = 23ns
  • F = 20 KHz

*-Pertes par commutation : Pcom = ½ × VDS × IDmax × (tr + tf) × F

Donc nous aurons Pcom = 4.62W
PT = Pc+Pcom = 4.62+9.62 = 14.24 W
Nous pouvons maintenant évaluer la résistance du dissipateur qui permettra de refroidir le transistor MOSFET.
PT = (Tj – Tamb )/(RT ) avec RT = Rth +Rj-c+Rc-s
D’où Rth ≤ (Tj – Tamb )/(PT ) - ( Rj-c+Rc-s )
Rth ≤ (150 –25)/14.24 - (0.21+0.16)
Rth ≤ 8.4°C/W ==> donc la résistance thermique du transistor est inférieur à 8.4°C/W

  • b. Diode de puissance*
On a besoin des diodes de roue libre quand nos transistors seront bloqués pour le changement du sens de rotation du Moteur.
Nous avons choisi la diodes de puissance : STTH3006 (600V, 30A)
  • Supporte les surcharges de courant
  • Faible chute de tension,
  • Commutation rapide
  • c. Choix du Driver Mosfet*

Le driver a pour but de fournir assez de puissance entre la grille et la source des transistors MOSFET pour que ce dernier puisse être commander afin de permettre les changements d’états (passage de l’ouverture à la fermeture ou de la fermeture à l’ouverture) ainsi que permettre le maintien dans un état ouvert ou fermé.
Nous avons cependant plusieurs types du driver MOSFET (qui sont destinés pour commander pour commander un système). Parmi ces possibilités nous avons choisi d’utiliser un driver Mosfet demi-pont H qui sera capable de commander un bras du hacheur où les transistors diagonaux de ce dernier.

Intérêt d’utiliser ce type Driver pour la commande des transistors :
- Du fait qu’on alimente par une tension plus élevée, ce type de driver permet d’éviter d’avoir une référence flottante de l’étage du haut quand un interrupteur de l’étage du haut est ouvert. Cela empêchera d’avoir une tension très grande (220V de l’alimentation) au borne de la référence de la source du transistor (VGS max =+/-40 V).
- Nous avons évoqué précédemment, l’aspect de temps mort (Dead times) qui s’agit du temps auquel les deux interrupteurs de la même branche sont simultanément ouverts à fin d’éviter un court-circuit du convertisseur. Dans notre ça sera fait à partir du microcontrôleur c’est pourquoi nous devons utiliser un Driver half-bridge Boostrap ayant deux entrées pour régler le temps mort.

Choix du driver : L6385E
Ce driver est de type demi-point qui permet de commander les interrupteurs diagonaux. Il a deux entrées et deux sorties non inverseurs. Les deux entrées nous permettront de régler le temps à partir de la commande (microcontrôleur) :
+Schéma du driver l6385E : +


Le condensateur CBOOT la charge et la décharge de l’interrupteur de la sortie du haut. Il sera mis entre les sorties VBOOT et OUT.
La sortie OUT est la sortie qui de point de référence du transistor du haut.
Pour un fonctionnement du driver, le constructeur nous dit d’ajouter un condensateur de CBOOT dont la valeur dépend du transistor MOSFET ou IGBT à commander. Il faudra calculer CEXT comme indiqués ci-dessous :

NB : les valeurs de Qgate et Vgate doivent être indiquées sur la datasheet du transistor.
  • Dans notre cas nous avons : Qgate = 104 nC et Vgate = 10 V d’où CEXT = 10.4 nF
  • Donc nous avons choisi une valeur de CBOOT de 100nF
  • d. Choix du capteur de courant :*

Le capteur de courant nous servira d’avoir une information concernant le courant qui circule dans le moteur.
Dans ce cas nous avions différentes possibilités comparées sur le tableau ci-dessous :
+ Mesures de courants+

Nous avons choisi d’utilisé le capteur à effet HALL car il est plus performant et dispose déjà d’une isolation galvnique cela nous évitera d’ajouter un nouveau circuit pour encombrer notre carte et il plus adéquat pour notre application.
Composant Choisi : LST 25 NP
- IpMAX = +/- 25A
- Dispose d’une sonde à effet HALL qui permet le fonctionnement en AC et en DC
- Isolation galvanique
- Précision < +/- 1.5%
- Supporte une surcharge de courant
- Alimentation : +5V
  • e- Choix de l'optocoupleur :

L'optocoupleur est un isolateur galvanique. Il permet d'isoler la partie commande et la partie puissance. Donc il sert de protection pour notre circuit de commande au cas ou y aura des problèmes sur la partie puissance( exemple: court-circuit) .
Nous avons composant HCPL A2531 (1Mbit/s Dual-Channel High Speed Transistor Output Optocoupler) car il peut isoler une tension de 2.5KV RMS.

Conversion .png (12.5 KB) Issa Sall, 01/30/2018 04:15 PM

MCC.png (181 KB) Issa Sall, 01/30/2018 04:15 PM

Transistors.png (42.9 KB) Issa Sall, 01/30/2018 04:24 PM

CANAL_N_P.png (16.3 KB) Issa Sall, 01/30/2018 04:34 PM

L6385E.png (27.8 KB) Issa Sall, 01/31/2018 02:54 PM

PONT_H.PNG (19.8 KB) Issa Sall, 01/31/2018 02:54 PM

Cboot.PNG (2.86 KB) Issa Sall, 01/31/2018 02:56 PM

capteurs.png (27.7 KB) Issa Sall, 01/31/2018 03:01 PM

LTS25NP.PNG (27.7 KB) Issa Sall, 01/31/2018 03:04 PM

sortie_capteur.png (13.7 KB) Issa Sall, 01/31/2018 03:05 PM

carte_alimentation.png (21.2 KB) Issa Sall, 02/07/2018 02:45 PM

lissage.jpg (18.6 KB) Issa Sall, 02/07/2018 02:54 PM