onduleur

SOMMAIRE

Introduction

1) CAHIER DES CHARGES p.5

2) FONCTIONNEMENT DUN ONDULEUR p.6

3) SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES p.15

4/ ETUDE DU FONCTIONNEMENT p.16

5/ SYNOPTIQUE DE LA PARTIE PUISSANCE p.25

6/ DETAILS DES SOUS FONCTIONS DU SCHEMA SYNOPTIQUE p.26

7/ SYNOPTIQUE DE LA PARTIE COMMANDE p.31

8/ DETAILS DES SOUS FONCTIONS DU SCHEMA SYNOPTIQUE p.32

9/ LISTE ET PRIX DES COMPOSANTS PARTIE PUISSANCE p.37

10/ LISTE ET PRIX DES COMPOSANTS PARTIE COMMANDE p.38

11/ SCHEMA ELECTRIQUE ET TYPON DE LA PARTIE COMMANDE p.39

12/ SCHEMA ELECTRIQUE ET TYPON DE LA PARTIE PUISSANCE p.40

Conclusion

3

BIBLIOGRAPHIE p.42

ANNEXE COMMANDE voir dossier annexe

ANNEXE PUISSANCE voir dossier annexe

4

INTRODUCTION

Lors de notre deuxime anne lI.U.T. de Tours en G.E.I.I., nous devons raliser un

projet. Nous avons alors dcid, lors de la pr tude, de concevoir un onduleur de secours.

Nous avons alors choisi de raliser un onduleur 12V-230V modulation de largeurs

dimpulsions (M.L.I.).Ce choix fut pris pour diffrentes raisons :

- tout dabord, cest un montage qui a une utilisation concrte et utile,

- puis sa conception comprend une partie puissance quil nous est trs

intressant de traiter (nous sommes en option lectronique de puissance).

Nous verrons alors trois grandes parties dans ce dossier. Premirement une partie qui

constitue une pr tude, ensuite ltude de la partie commande du montage c'est--dire la

M.L.I., et enfin ltude de la partie puissance c'est--dire de londuleur quatre quadrants.

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1) CAHIER DES CHARGES

1-1) Prsentation

Le but de ce montage est de raliser une alimentation autonome 220V 50Hz partir dune

source dnergie continue isole de 12V (batterie de voiture). Trois problmes apparaissent :

1. En considrant que le convertisseur un rendement proche de lunit, la puissance en

entre, cote 12V, est gale la puissance en sortie, cote 220V.

Pour une charge 220V 1A, P = 220W, le courant continu correspondant sera

AVV

UPI 3.18

12220 !! Le convertisseur, qui sera plac sur plac sur la basse tension,

devra grer des courants importants.

2. Ladaptation de tension 12V 220V se fera grce un transformateur. La frquence

de fonctionnement de ce transformateur dterminera la taille et donc le poids du circuit

magntique. A 50Hz, par exemple, un transformateur 220V 12V 220VA, doit faire

environ 5kg, et coter 200-300 francs

3. >N : Il est rappel de prendre toutes les prcautions ncessaires lors de la manipulation en prsence de tension (voir habilitation lectrique).

1-2) Solutions technologiques

Lutilisation dun transformateur point milieux

(Figure 1) permet de rduire le nombre

dinterrupteurs.

La commande peut-tre en pleine onde rapport

cyclique , pour f = 50Hz, ou MLI.

Dautres solutions sont envisageables, savoir

lassociation dun tage lvateur 12V 311V puis

dun hacheur DC 311V AC 220V eff.

Figure 1 : Principe de l'onduleur point milieux

6

2) FONCTIONNEMENT DUN ONDULEUR Nous allons, grce des schmas, expliquer le principe gnral de londuleur. Dans notre cas, cette tude concerne un onduleur pour ordinateur. Principe de fonctionnement de l'onduleur

Rseau lectrique Onduleur Courant de sortie Ordinateur

Le courant lectrique lors de son transport entre les centres de production et les utilisateurs est "pollu".

l'arrive il est d'une qualit brute incompatible avec les quipements lectroniques sensibles comme les ordinateurs.

L'onduleur s'intercale entre le rseau brut et les quipements lectroniques sensibles.

Il reoit le courant de mauvaise qualit et le transforme en courant de haute qualit.

Derrire l'onduleur, le courant envoy l'ordinateur est appel de haute qualit.

Il est compatible avec le bon fonctionnement des quipements lectroniques sensibles

L'ordinateur reoit le courant de haute qualit, ainsi il peut fonctionner en toute circonstance afin de garantir l'intgrit des informations traites.

7

Nous allons tudier quatre technologies diffrentes :

- la technologie OFF LINE, - la technologie LINE INTERACTIF, - la technologie ON LINE MONO CONVERSION, - la technologie ON LINE DOUBLE CONVERSION.

2-1) La technologie OFF LINE

Cet onduleur porte le nom de OFF LINE car il est larrt lorsque le rseau est prsent, et il se met en route quen celui-ci est absent. On peut observer dans les schmas suivant le fonctionnement gnral de cet onduleur. Tout dabord le schma de principe avec le rseau prsent :

8

Schma de principe rseau prsent Rseau brut

Onduleur Ordinateur

Rseau prsent

Le courant qui sort du rseau passe dans le parafoudre, lanti-parasites puis prend alors deux chemins : il va dans le commutateur puis dans lordinateur mais aussi va jusqu la batterie pour la charger.

Lorsque le rseau est prsent, il est transmis l'ordinateur par le commutateur de transfert travers un anti-foudre et un anti-parasite qui permettent d'purer le courant. Le chargeur est prvu pour recharger la batterie aprs une dcharge. Le convertisseur est l'arrt, il se met en route lorsque le courant brut disparat.

Maintenant tudions le schma lorsque le rseau est absent :

9

Avantages et inconvnients Les avantages de cet onduleurs sont une faible consommation lectrique (l'onduleur est l'arrt) mais aussi un cot assez avantageux. Les inconvnients sont le temps de basculement. (il y a une interruption de courant de 4 20 ms lors de la disparition du secteur), londe pseudo sinusodale (toutes les

Schma de principe rseau absent Rseau brut

Onduleur Ordinateur

Absence rseau

-

Lorsque le rseau est absent, le convertisseur DC/AC puise l'nergie lectrique dans la batterie et le transmet l'quipement sensible.

10

alimentations ne tolrent pas ce type de signal), puis londuleur doit tre install cot de l'ordinateur (ne convient pas pour les ordinateurs en rseau).

Protection Cet onduleur protge contre les coupures et les micro-coupures, les parasites et la foudre. Il ne protge pas contre les variations de tension et de frquence. 2-2) La technologie LINE INTERACTIF Cet onduleur est appel "In line ou line interactif" car il est en interaction permanente avec le rseau. Tout dabord le schma de principe avec le rseau prsent :


Onduleur Ordinateur

11

Rseau prsent

Lorsque le rseau est prsent, ce dernier est transmis l'ordinateur par le commutateur de transfert travers un anti-foudre et un anti-parasite. Ces deux sous ensembles permettent d'purer le courant. Le booster est un dispositif qui rgule la tension du rseau, ainsi il est possible de supporter des variations de courant brut trs importantes sans utiliser les rserves des batteries. La batterie est recharge par l'onduleur qui fonctionne en sens inverse. L'onduleur est l'arrt, il se met en route lorsque le courant brut disparat, au retour il recharge la batterie.

Maintenant tudions le schma lorsque le rseau est absent :

12


Onduleur Ordinateur

Absence rseau -

Le microprocesseur de l'onduleur scrute le rseau en permanence, ds que ce dernier sort d'une fentre de tolrance, un ordre de dmarrage est transmis l'onduleur qui va convertir le courant continu de la batterie en courant sinusodal pendant le temps de l'autonomie. Le microprocesseur de l'onduleur agit galement sur le booster lorsque la tension d'entre est trop faible ou trop haute pour la ramener dans une valeur tolre par l'ordinateur.

Avantages et inconvnients Les avantages de cet onduleur sont une faible consommation lectrique (l'onduleur est l'arrt), un prix trs avantageux, il convient parfaitement pour les ordinateurs en rseau, il reproduit une onde sinusodale pour les hauts de gamme uniquement. Linconvnient est le temps de basculement. (il y a une interruption de courant de 4 20 ms lors de la disparition du secteur)

Protection

13

Cet onduleur protge contre les coupures et les micro-coupures, les surtensions, les creux de tensions, les parasites et la foudre. Il ne protge pas contre les variations de frquence.

2-3) La technologie ON LINE MONO CONVERSION

Cet onduleur est appel "on-line mono conversion" car il a les mmes caractristiques qu'un on-line (pas de coupure en sortie), tout en ayant l'onduleur l'arrt. Il allie les performances de l'on-line double conversion avec celle de l'off line. Voici le schma de principe lorsque le rseau est prsent :


Onduleur Ordinateur

14

Rseau prsent

Lorsque le rseau est prsent, ce dernier est transmis l'ordinateur par le commutateur de transfert travers un transformateur saturation. Le transformateur saturation isole le rseau brut de l'ordinateur, rgule la tension de sortie, filtre les parasites et crte les surtensions induites par la foudre. Il assure galement une rserve d'nergie de 12 ms entre la disparition du rseau et le dmarrage de l'onduleur. C'est le coeur de l'onduleur. La batterie est recharge par un petit chargeur aliment par le transfo saturation. L'onduleur est l'arrt, il se met en route lorsque le courant brut disparat, le temps de mise en route est compens par l'nergie emmagasine dans le transfo, ce qui permet de ne pas avoir de coupure en sortie.

Voici le schma de principe lorsque le rseau est absent :

Schma de principe rseau absent

15

Rseau brut

Onduleur Ordinateur

Absence rseau -

Le microprocesseur de l'onduleur scrute le rseau en permanence toute les 0,5 ms, ds que ce dernier sort d'une fentre de tolrance pendant plus de 3 ms, un ordre de dmarrage est transmis l'onduleur qui va convertir le courant continu de la batterie en courant sinusodal pendant le temps de l'autonomie. Le temps de dtection et de dmarrage de l'onduleur est compens par l'nergie accumule dans le transformateur saturation.

Avantages et inconvnients Les avantages de cet onduleur est quil est sans coupure, quil a une faible consommation lectrique (l'onduleur est l'arrt), son prix est trs avantageux, il convient pour les ordinateurs en rseau, il reproduit une onde sinusodale, il protge de la foudre et il est robuste (on passe travers le transformateur 99% du temps) Ces dsavantages sont le volume plus important d par la prsence du transformateur et le niveau de bruit est plus important.

Protection Cet onduleur protge contre les coupures et les micro-coupures, les surtensions, les creux de tension et de frquence, les parasites et la foudre. Il ne protge pas contre les perturbations en provenance du rseau. 2-4) La technologie ON LINE DOUBLE CONVERSION

Cette technologie est appele double conversion car le courant fourni par le rseau brut est converti deux fois avant d'alimenter l'ordinateur: - une premire fois en courant continu par le redresseur, - une deuxime fois en courant alternatif par l'onduleur.

16

Voici le schma de principe lorsque le rseau est prsent :


Onduleur Ordinateur

Rseau prsent

Lorsque le rseau est prsent, ce dernier est transmis l'ordinateur par le commutateur de transfert travers un transformateur saturation. Le transformateur saturation isole le rseau brut de l'ordinateur, rgule la tension de sortie, filtre les parasites et crte les surtensions induites par la foudre. Il assure galement une rserve d'nergie de 12 ms entre la disparition du rseau et le dmarrage de l'onduleur. C'est le coeur de l'onduleur. La batterie est recharge par un petit chargeur aliment par le transfo saturation. L'onduleur est l'arrt, il se met en route lorsque le courant brut disparat, le temps de mise en route est compens par l'nergie emmagasine dans le transfo, ce qui permet de ne pas avoir de coupure en sortie.

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Voici le schma de principe lorsque le rseau est absent :


Onduleur Ordinateur

Absence rseau -

Le microprocesseur de l'onduleur scrute le rseau en permanence toute les 0,5 ms, ds que ce dernier sort d'une fentre de tolrance pendant plus de 3 ms, un ordre de dmarrage est transmis l'onduleur qui va convertir le courant continu de la batterie en courant sinusodal pendant le temps de l'autonomie. Le temps de dtection et de dmarrage de l'onduleur est compens par l'nergie accumule dans le transformateur saturation.

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Avantages et inconvnients Les avantages de cet onduleur sont quil est sans coupure, quil convient pour les ordinateurs en rseau et quil reproduit une onde sinusodale. Les inconvnients sont une consommation lectrique relativement importante (mauvais rendement, car on convertit 2 fois le courant), il ne protge pas contre la foudre et son fonctionnement est permanent (mme lorsque le rseau est prsent).

Protection Cet onduleur protge contre les coupures et les micro-coupures, les parasites, les surtensions, et les creux de tension et de frquence. Il ne protge pas contre la foudre.

3) SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES

Nous avons dcid de continuer ltude quavait men les binmes prcdents donc de concevoir un onduleur modulation de largeur dimpulsion 12V-230V. Nous dtaillerons cette partie lors du compte-rendu final. En effet nous allons devoir maintenant tudier et concevoir cet onduleur de secours. Nous avons trouv une tude permettant de calculer la puissance de londuleur :

Voici une liste des valeurs moyennes permettant de calculer la puissance en VA

ncessaire pour alimenter notre quipement :

Unit centrale minitour type Pentium : 150 VA

Unit centrale grande tour Pentium : 200 VA

Ordinateur Macintosh type LC : 200 VA

Ordinateur Macintosh type Performa : 250 VA

Moniteur 15" couleur : 100 VA


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Imprimante jet d'encre : 100 VA

Imprimante matricielle 80 colonnes : 100 VA

Imprimante matricielles 132 colonnes : 150 VA

Imprimante laser 6 / 8 pages mn : 1 000 VA

Imprimante laser 10 / 12 pages mn : 1 200 VA

Il est prudent d'arrondir ces valeurs au modle immdiatement suprieur afin d'obtenir

une marge de scurit.

Exemple

Unit centrale PC minitour + moniteur 15" = 150 Va + 100 Va = 350 Va

Choisir au minimum un modle 400 Va ou 600 Va

4/ ETUDE DU FONCTIONNEMENT

4-1) Dfinition Gnralits

_Onduleur : cest un convertisseur statique permettant lchange dnergie entre une

grandeur continue et une grandeur alternative.

_Autonome : impose sa frquence la charge.

_Assist : cest le contraire de autonome. En effet un onduleur assist voit sa

frquence impose par celle du rseau sur lequel il est branch.

4-2) Fonctions des convertisseurs statiques

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IL existe quatre groupes de convertisseurs :

_ les convertisseurs AC/DC (alternatif/continu),

_ les convertisseur DC/DC (continu/continu) ou encore hacheurs,

_ les convertisseurs DC/AC ( continu/alternatif) ou encore onduleurs,

_les convertisseurs AC/AC (alternatif/alternatif) entre autre les gradateurs et

les convertisseurs de frquence.

Cette classification ne tient pas compte dun certain nombre de paramtres comme par

exemple la rversibilit de ces convertisseurs. De plus lassociation de plusieurs

convertisseurs permet dobtenir des convertisseurs indirects dnergie (cf. figure 1).

Figure 1 : classification des convertisseurs

La structure interne dun convertisseur suit lorganisation de principe de la figure 2.

21

Figure 2 : structure gnrale dun convertisseur

Remarque : si la source (A) est du type gnrateur de tension, le rcepteur (B) est alors

obligatoirement dun type diffrent, c'est--dire du type courant.

Dans notre cas, nous nous intressons un convertisseur DC/AC (continu/alternatif).

Nous allons donc tudier plus prcisment ce cas l.

Un convertisseur DC/AC peut tre ralis partir des lments suivants (cf. figure 3) :

_ une source de tension E suppose parfaite,

_ une association de quatre interrupteurs monts en H ,

_un rcepteur constitu dune rsistance et dune inductance en srie.

Figure 3 : principe de la conversion DC/AC

Lanalyse du fonctionnement donne les rsultats suivants :

_ la tension u(t) est une tension alternative en crneaux (E) valeur moyenne

nulle et valeur efficace E,

_ le courant moyen volue entre +I et I suivant des arcs de fonctions

exponentielles. En effet la rsolution de lquation diffrentielle (E=L*(di/dt) +Ri dans

lintervalle [0, T/2]) donne :

REteAi ^.

o A est une constante dintgration dtermine en crivant qu t=0, le courant vaut I en

rgime permanent :

REAI

22

Lexpression du courant est alors : /^)( teRE

IREti , ce qui justifie lallure de la

fonction i(t) trac sur le figure 4. Pour obtenir la valeur de I on peut remarquer que :

teREI

REIITi ^

2

Ce qui conduit lexpression suivante :

thRETth

RE

tete

REI

4)2/(1)2/(1

O dsigne la quantit T/4.

Figure 4 : forme donde dun onduleur de tension

La puissance moyenne reue par la charge, et dissipe par la rsistance R, a pour

expression : thREp 1

Le tout est conforme la reprsentation de la figure 5 :

Figure 5 : puissance moyenne en fonction de

La structure de base est celle de la figure 6 (montage simple) ou de la figure 7

(montage en pont). Un onduleur est donc un convertisseur capable de transformer de lnergie

partir dune source de tension ou de courant vers un rcepteur. Celui-ci peut tre passif,

c'est--dire ne comporter aucune source dnergie. Ce point carte ainsi les onduleurs qui ne

sont pas autonomes. Dans le rcepteur, lnergie est prsente sous forme de tension et de

courant alternatif. La puissance moyenne reue sera non nulle et vaudra : VkIkcosk.

23

Figure 6 : onduleur Figure 7 : onduleur

structure lmentaire biphase autonome structure en pont monophas

4-3) Synthse des interrupteurs dans le cas dune source de tension.

Nous prenons le cas de la figure 7 car cest celui qui nous intresse. On suppose alors

la loi de fermeture des interrupteurs comme la suivante :

Figure 8 : loi de fermeture des interrupteurs

La loi qui donne la variation de la tension uc la borne de la charge est alors celle de la

figure 9. Si nous supposons que la conduction dans la charge est continue, la rponse est celle

de ic que lon retrouve sur la mme figure. Sa forme dpend de la charge lorsque la tension est

en crneaux et quelle est impose par le commutateur et la source.

Les diagrammes [ ik ; vk ] pour les interrupteurs sen dduisent et sont, pour chacun

dentre eux, ceux de la figure 10 : ce sont des interrupteurs trois segments .

Pour ce qui est des commutations, nous avons une commutation force louverture et

la fermeture (instants 0, T/2, T, etc.) et un passage naturel en t1, t1 etc. dune intensit I0. Linterrupteur utiliser sera celui de la figure 10b : un transistor (bipolaire,

MOSFET, IGBT) et une diode de rcupration monte en parallle.

24

Figure 9 : formes dondes dans le cas dun onduleur monophas

Figure 10 : contraintes et synthse des interrupteurs de londuleur autonome

Dans la commande des interrupteurs il se pose le problme de lempitement. Si les

interrupteurs ne se ferment pas ou ne souvrent pas au moment voulu, il se peut que la source

de tension soit court-circuite ou que la source de courant soit ouverte ;

Si on se place dans le cas de la figure 7, on observe que durant la premire demi

priode les interrupteurs K1 et K3 sont commands par fermeture simultanment. Ainsi,

25

comme lindique le tableau de la figure 8, K2 et K4 sont ouverts. Lorsque lon passe lautre

demi priode, on se retrouve dans le cas inverse. Cest ce moment prcis que se pose le

problme dempitement car si deux interrupteurs complments dun bras de pont diffrent

se retrouvent ouvert, la source se retrouve de mme ouverte. Si lon choisit un transistor de

type MOSFET, nous savons (grce la documentation constructeur) que le temps de

fermeture est suprieur au temps douverture.

Ainsi la premire solution technologique repose sur le fait dinsrer un circuit RC dont

la constante de temps permette de retarder le temps douverture. Cependant cette technologie

ntant pas suffisamment prcise, nous utilisons des drivers de MOSFET qui greront les

temps de complmentation et de conduction des interrupteurs. Ces drivers seront tudis plus

prcisment dans la suite de ltude.

4-4) Rle du filtre de sortie

Le montage vu pour le moment permet dobtenir un signal alternatif en crneau.

Cependant nous dsirons obtenir un signal sinusodal alternatif. Cest alors ce moment que

le filtre passe-bas joue un rle : il permet dattnuer toutes les frquences au-del de la

frquence de coupure c choisie daprs les lments du filtre. On conserve alors seulement le

fondamental qui ici correspond 50 Hz.

4-5) Modulation de Largeur dImpulsion (M.L.I.)

Pour notre tude nous avons t amen utiliser une commande par M.L.I. Dans son

principe, la commande M.L.I., sobtient par le biais dun comparateur sur les entres duquel

on lace deux tensions (cf. figure 11). Lors de notre tude, nous comparerons un signal

sinusodal de 50 Hz avec un signal en dents de scie .

26

Figure 11 : principe de la M.L.I.

Le signal en dents de scie de frquence Fp est appel porteuse alors que le signal

sinusodal est la tension fondamentale dont on dsire favoriser le courant correspondant dans

la charge.

La tension de sortie de ce comparateur sera la tension de commande dun demi bras

donduleur et la sortie uc de ce demi bras onduleur sera une image de cette tension de

commande.

Figure 12 : tension de sortie dun onduleur autonome commande unipolaire

27

4-6) Conclusion

Ltude du fonctionnement nous a permis de dgager certains points importants :

_ convertisseur DC/AC de type onduleur autonome,

_ limportance dun filtre de sortie,

_ lutilisation de transistors de type MOSFET,

_ les avantages de la M.L.I..

28

5/ SYNOPTIQUE DE LA PARTIE PUISSANCE

29

6/ DETAILS DES SOUS FONCTIONS DU SCHEMA

SYNOPTIQUE

Nous allons maintenant dtailler chaque blocs fonctions en expliquant leurs rles et

leurs modes de fonctionnement.

6-1) Driver de MOSFET IR2111 (cf. annexe PUISSANCE)

Le composant utilis est le IR2111. Il permet de commander des transistors de type

IGBT et MOSFET forte tension et vitesse leve. Il possde deux signaux de sortie, un

haut et un bas, utiliss pour la commande dun bras de pont. Il permet aussi de rsoudre le

problme dempitement vu prcdemment.

Figure 13 : schma de connexion typique

Daprs la figure 13, on voit que K1 est pilot partir de la sortie HO (Hight Output)

travers une rsistance de grille de 33 alors que K2 est pilot partie de la sortie LO (Low

Output). Ainsi on obtient une commande complmente par un bras de pont.

Le mme driver est utilis pour command lautre bras de pont, sauf que le signal

dentre en IN est complment par le biais dune porte NAND.

La prsence dune diode recouvrement rapide du type BYV95C permet de protger

le circuit lorsquun transistor est ferm, car, si lon tudie le schma, on remarque que la

tension onduler se retrouverait la borne de Vcc et dtruirait le circuit. Do lutilit de

30

mettre la cette diode pouvant supporter un tension inverse maximale VRRM de 600 V, cette

diode pouvant supporter un tension inverse maximale VRRM de 600 V.

6-2)La porte NANDE MC14011B

Elle permet de complmenter le signal de commande MLI afin de commander lautre

bras.

La table de vrit dune porte NAND est :

IN 1 IN 2 OUTPUT

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

Figure 14 : table de vrit dune porte NAND

Donc si lon met en permanence un niveau logique 1 sur une des entres et le signal

complmenter sur lautre entre on obtient bien son complment. Mais force est de constater

que la porte logique retransmettra le signal complment avec un temps de retard, mais

comme il est ngligeable devant la frquence du signal MLI, on nen tiendra pas compte.

Figure 15 : schma du package dun MC4011B

31

6-3) Le bras de pont

Il est constitu de deux transistors de type MOSFET IRF 840, command chacun par un

signal MLI complment par le driver. Nous avons port notre choix sur ce type de transistor

pour plusieurs raisons :

il est command par la grille en tension et non en courant comme les transistors

bipolaires,

il supporte un e tension entre son Drain et sa Source DE 500 V, ce qui est le

double de ce que nous utiliserons,

il supporte un courant de Drain de 8 A temprature ambiante et de 5A 100C,

il possde une faible rsistance entre son Drain et sa Source ltat ferm :

RDS(ON)

32

Remarque : le 0V de la tension onduler se retrouve au mme potentiel que la borne COM

du, cest dire VSS (la masse). (cf. figure 13).

6-5) Filtre passe-bas LC :

Sans filtre on nobtient quune tension alternative en crneaux. Pour certains appareils

cela ne poserait aucun problme car ils redressent directement cette tension, mais pour les

appareils utilisant le signal sinusodal dEDF, ils risquent de mal fonctionner. Donc on se

propose de transformer ce signal alternatif en crneaux en signal alternatif sinusodal. Pour ce

on se base sur le principe des sries de Fourier et sur les caractristiques dynamiques dun

filtre passe-bas de type LC du deuxime ordre.

La frquence du signal de commande en MLI une frquence porteuse de 1666 Hz et

une frquence modulante de Hz. Etant donn que la tension dentre du filtre est limage du

signal de commande des transistors sauf que lamplitude est de 250 V et quon puisse liminer

toutes les harmoniques superposes au fondamental (signal alternatif sinusodal de frquence

50Hz) et bne laisser que ce dernier, on rcuprera le signal voulu.

Pour ce il faut liminer toutes les frquences suprieures 50 Hz, mais ATTENTION,

tudions dabord la rponse dynamique dun filtre du deuxime ordre.

Figure 16 : rponse harmonique dun filtre LC

33

Voici la fonction de transfert du filtre LC :

avec LC10 la pulsation de coupure.

Donc on constate que si lon choisit Let C de faon ce que la pulsation de coupure se

trouve aprs la frquence que lon veut garder et aprs le pic de surtension, on liminera bien

toutes les harmoniques et ne conservera que le fondamental.

Calcul des valeurs de L et C

Soit |H(j)| le module de VsVe :

LCZlZcZcjH

11)(

On veut que le module |H(j)| soit petit, environ gale 10%, pour 1600Hz. Cest dire

20log|H(j)|= - 20dB

Approximation : |H(j)| FLCLC

491,01

On choisit L=1mH et C=49F

Ainsi on obtient entre le bornes OUT1 et OUT2 une tension sinusodale de frquence 50Hz,

comme sur la figure 17.

Figure 17 : tension de sortie du filtre LC

34

7/ SYNOPTIQUE DE LA PARTIE COMMANDE

35

8/ DETAILS DES SOUS FONCTIONS DU SCHEMA

SYNOPTIQUE

8-1)Oscillateur

Cest un oscillateur constitu par le bouclage dun comparateur deux seuils( non

inverseur) et dun intgrateur inverseur.

Lalimentation des amplificateurs oprationnels est symtrique, de niveaux+15/-15v.

La sortie du comparateur nous fournit un signal en crneau symtrique, voluant entre les

seuils de basculement du comparateur. Ces tensions de seuil ont pour valeur :..

Do la condition du fonctionnement R2>R1.

Figure 18 : schma de montage de loscillateur

On trouvera donc en sortie de ce comparateur, un signal triangulaire et un signal crneau.

Le signal en dent de scie correspondra donc la frquence porteuse du comparateur pour

obtenir la MLI. Il doit tre de frquence nettement suprieure celle de la sinusodale. On

veut avoir une sinusodale de frquence 50Hz, donc le signal de la porteuse doit tre suprieur

cette dernire. On choisit une frquence de 1666Hz.

Calcul de la priode doscillation :

Pour une demi priode, valuons la variation de quantit dlectricit sur chaque armature

du condensateur. La charge de C seffectue courant constant partir de lAOP U11A.

VCVIq

36

124

122

2 RRRCTVcc

RRC

RTVcc

AN : On veut F= 1666.66 Hz donc T= ,0.6ms

On fixe C=22nF ainsi qu R1= 18K, R2+10K et R=5K.

Afin de nous viter des calculs, on rajoute, en srie entre R1 et R2, une rsistance ajustable

de 4.7K. Et on fait de mme pour R. Ainsi, on pourra ajuster notre guise, la frquence du

signal en dent de scie mais aussi celui du signal crneaux et donc sinusodale. Maintenant que

lon a obtenu notre signal en dent de scie, on va tudier le signal en crneaux, afin dobtenir,

une sinusodale de frquence F=50Hz.

8-2)Le diviseur de frquence

Comme le signal crneaux volue une frquence de 1666Hz, il faut trouver un

systme afin de diviser la frquence d e ce signal et ainsi obtenir une frquence de 50 Hz.

Pour cela on utilise un compteur 12 bits de la famille des CMOS.

On alimentera le circuit en +5/-5v, do la ncessit dincorporer au montage, une

alimentation continue +5/-5v. Pour cela on utilise deux rgulateurs un L7805 pour obtenir le

+5v et un L7905, pour avoir le 5v. On effectue le montage suivant :

Figure 19 : schma de lalimentation +5V/-5V

Pour utiliser le compteur en diviseur de frquence, il suffit dinjecter sur son entre

"clock", le signal dont on veut diviser la frquence. Dans notre cas, on rentre le signal en

crneaux.. Comme on veut obtenir du 50Hz en sortie, il faut tudier sur quelle sortie on peut

obtenir cette frquence.

37

Do le calcul suivant :

5^5^23,3350

6,1666 Q

Daprs la documentation du composant qui se trouve dans le tome des annexes, la sortie qui

correspond est la numro 2, do le schma :

Figure 20 : schma de montage du diviseur de frquence

Une fois notre signal crneau de 50Hz obtenu, il va falloir le filtrer, afin dobtenir la

sinusode ncessaire au fonctionnement de la commande MLI.

8-3) Le filtre

Pour pouvoir obtenir un signal sinusodal, il ne faut garder que le fondamental. Pour

cela, on utilise un filtre passe-bas, afin dliminer les autres termes de pulsation 2, 3, etc.

plus levs que la pulsation du fondamental , condition que la frquence de coupure F0 du

filtre soit telle que :

FFT 202

Le filtrage nest performant que si la pente de la fonction de transfert pour F>F0 est

trs grande, ce qui implique lutilisation dun filtrage dordre lev. De plus, la frquence de

notre signal est basse, il faut donc pouvoir rgler facilement et prcisment la frquence de

coupure F0.

Cest ce que ralise parfaitement le filtre capacit commut MF10. Sa fonction de transfert est du type Butterworth dordre 4. Il possde deux entres du second ordre que lon peut cascader afin dobtenir un filtre du quatrime ordre. La pente de la bande attnue vaut

38

donc 80dB/dcade. Ainsi tous les harmoniques de rangs3, 5, 7 seront supprims. Le module de la fonction de transfert vaut alors :

^0

11T

Sur ce type de filtre, la frquence de coupure F0 est de 1/100me dune frquence

dhorloge "FCLK"

Lalimentation du filtre MF10 est de 5+/-5v, donc on utilisera les sorites de lalimentation vue prcdemment. Pour choisir le rapport FCLK/100, il faut brancher la broche 12 sur la masse. Alors on rentrera une frquence dhorloge de 8000Hz environ afin que la frquence de coupure soit de 80Hz. Ainsi on obtiendra en sorite du MF10, une sinusode de frquence 50Hz.

Afin de crer le signal dhorloge du MF10 on utilise un NE555. On ralise le montage suivant :

Figure 21 : schma de montage du NE555 en astable

Calcul des composants NE555 :

Sur la documentation du NE555, on nous donne la formule afin davoir la frquence

dsire.

CRbRaF

)(49,1

AN : On fixe C=1nF et Rb=68K et lon veut une frquence de 800Hz, donc on obtient Ra=50250.

39

Mais pour obtenir une meilleure prcision et une frquence de coupure variable, on

utilisera une rsistance ajustable de 47k en srie avec une rsistance de 33k la place de

Ra.

Calcul des composants du MF10 :

Sur la documentation du MF10, on nous donne le montage, ainsi que les valeurs qui vont

avec, savoir :

R3=10K, R2=18.48K et pour le second filtre du MF10 on choisira R3=13.06K

et R2=10K.

En sortie du filtre, on constate que la sinusode est faible en gain et quelle comporte une

composante continue, due au filtre capacitif. Donc, en sortie du compteur on rajoutera une

capacit de 1F, afin de supprimer cette composante. Pour relever le gain, on ralise un

montage inverseur avec gain ajustable, pour lever notre guise la valeur du gain.

8-4) Le comparateur

Maintenant que lon a obtenu nos deux signaux, on ralise le comparateur.

Figure 22 : schma du montage du MF10

Le comparateur fera partie comme les trois autres amplificateurs utiliss TL084. Cest un

composant regroupant 4AOP.

8-5) La commande des transistors de puissance

On a donc obtenu, notre commande MLI, en sortie du comparateur, il va donc falloir

relier cette sortie sur une entre du montage de puissance, afin de pouvoir commander les

drivers.

40

9/ LISTE ET PRIX DES COMPOSANTS PARTIE PUISSANCE

DESIGNATION

CARACTERISTIQUE

NOM DU COMPOSANT

PRIX en euros

R14 47K Resistance ajustable 0.05 R15 68K Rsistance 0.04 R2 5K Rsistance 0.04

R1, R4 4.7K Resistance ajustable 0.05*2 R6, R8, R3, R13, R10, R12, R16

10K Rsistance 0.04*7

R9, R15 18K Rsistance 0.04*2 R11 13K Rsistance 0.04 R7 470 Rsistance 0.04 U3 16Pattes Circuit intgr 4040 1 U11 14Pattes Circuit intgr

TL084 1.16

U5 8Pattes Circuit intgr NE 555

0.56

U7 20Pattes Circuit intgr MF10

2.29

U8 5V Rgulateur L7805 1.19 U9 5V Rgulateur L7905 0.97 C4 22nF Condensateur 0.18

C1, C2, C3, C5, C9 100nF Condensateur 0.24*5 C8 330nF Condensateur 0.25 C11 2.2nF Condensateur

polaris 0.14

C6, C10 1F Condensateur polaris

0.08*2

C7 10nF Condensateur 0.16 C12 1nF Condensateur 0.12

D1, D4 1N4148 Diode 0.04*2 D2, D3 1N4007 Diode 0.08*2

JP1 Connecteur 0.02 JP2, JP5 Connecteur 0.02*2

JP3 Connecteur 0.02 JP4 Connecteur 0.02

Tulipe 14 pattes 0.64 Tulipe 16 pattes 0.67 Tulipe 8 pattes 0.62 Tulipe 20 pattes 0.76

TOTAL HT

12.29

TVA 19.6%

TOTAL TTC 14.82

41

10/ LISTE ET PRIX DES COMPOSANTS PARTIE

COMMANDE

DESIGNATION

CARACTERISTIQUE

NOM DU COMPOSANT

PRIX en euros

C1, C2, C3, C4, C5, C6

100nF 63V Condensateur polaris

0.24*6

C7,C8,C9 47F 400V Condensateur polaris

12.33*3

D1,D2 BYV95C Diode 3.25*2

D7,D8,D9,D10 BYT 08 PI 400 Diode 2.52*4

D3,D4,D5,D6 IRF840/TO Diode 2.24*4

JH1, JH2, JH3, JH4, JH5,

JH6, JH7 JH8, JH9, JH10, JH11

Connecteur Header 3.11*11

R1, R2, R3, R4 33 Rsistance 0.04*4

U3 14Pattes Circuit intgr 4011

0.56

U1, U2 8Pattes Circuit intgr IR2111

3.37*2

TOTAL HT

105.62

TVA 19.60%

TOTAL TTC

126.33

42

11/ SCHEMA ELECTRIQUE ET TYPON DE LA PARTIE

COMMANDE

43

12/ SCHEMA ELECTRIQUE ET TYPON DE LA PARTIE

PUISSANCE

44

CONCLUSION

Ltude et la conception de ce projet, nous ont permis de nous mettre dans

des conditions propices que lon retrouvera dans une entreprise ou lors de notre

stage.

Ltude de cet onduleur nous a aussi permis de voir quelles taient les

solutions les plus simples et les solutions les plus conomiques pour pouvoir

raliser un projet qui puisse tre rentable. Cependant les solutions les plus

simples sont parfois les plus coteuses. En effet nous aurions pu raliser une

partie commande beaucoup plus simple laide dun transformateur mais celui-

ci est bien trop coteux pour que lon puisse envisager de prendre cette solution.

45

BIBLIOGRAPHIE

Sites Internet :

- www.farnell.com

- www.angliac.uk.com

- www.ecus-ondulique.fr

- www.onsemi.com Documentation technique :

- C. FATIH, Onduleur commande MLI, projet IUT GEII Tours, avril 2001, 26 pages.

- M. CHI, R. CUZON, Onduleur de secours 12V 220 V 50Hz, projet IUT GEII Tours, mars 2000, 60 pages.

- E. AYMERIAL, N. MOUKHLISS, Onduleur de secours 12V 220V 50Hz, projet

IUT GEII Tours, mars 2000.

- T. LEQUEU , Projet 05 Onduleur 12V DC 220 AC 50Hz transformateur point milieux, Documentation technique, fvrier 2000.

- G. LAVERGNE, J. ROULLET, Onduleur point milieux 12V/220V, projet IUT GEII,

mars 1999.

- MERLIN GERIN, Convertisseur 12V/220V 50Hz 220VA, Radio Plans -Electronique Loisirs N 423, p. 43-52

onduleur

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