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UNIVERSITÉ FRANCOIS–RABELAIS - TOURS Institut Universitaire de Technologie

Département GENIE ELECTRIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE

ONDULEUR TRIPHASE

IUT GEII - 2ème année - Option E.E.P. Année 2003 / 2004

GAUDRE Aurélien Enseignant : LEQUEU Thierry EL YOUSSFI Mustapha

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UNIVERSITÉ FRANCOIS–RABELAIS - TOURS Institut Universitaire de Technologie

Département GENIE ELECTRIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE

ONDULEUR TRIPHASE

IUT GEII - 2ème année - Option E.E.P. Année 2003 / 2004

GAUDRE Aurélien Enseignant : LEQUEU Thierry EL YOUSSFI Mustapha

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Sommaire

1 Cahier des charges ........................................................................................................... 5

2.Descriptif du fonctionnement ........................................................................................... 7

2.1. Partie puissance.............................................................................................................................................. 7 2.2. Fonctionnement d’un bras.............................................................................................................................. 7 2.3. Partie commande............................................................................................................................................ 8

3.Calcul des valeurs de composants .................................................................................. 10

4.Schéma complet .............................................................................................................. 14

5.Circuit imprimé............................................................................................................... 16

6.Implantation .................................................................................................................... 18

7.Essais et Releves............................................................................................................. 20

Table des illustrations ........................................................................................................ 24

Bibliographie ..................................................................................................................... 25

Annexes ............................................................................................................................. 26

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1. CAHIER DES CHARGES

Le projet à pour but de créer un onduleur triphasé domestique pour un moteur asynchrone

d’une puissance de 1.5 kW. L’alimentation de cet onduleur se fera à partir du réseau 230V – 50Hz.

La commande de l’onduleur sera réalisée avec un micro contrôleur. Afin de tirer le meilleur parti

de la prise monophasé 16A, une structure PFC sera recommandée. Cette partie sera gérée par la

suite. On donne le circuit de puissance de l’onduleur.

Nous avons procédé par étape. Nous avons eux quelques difficultés à démarrer dans nos

recherches car sur Internet, nous ne trouvions rien sous le nom d’ « Onduleur ». Nous tombions sur

des sites pour la fabrication d’onduleur autonome ce qui ne convenait pas. Après plusieurs essais,

nous avons enfin trouvé sous le nom de « variateur de fréquence ». Ce n’était pas tout à fait cela,

mais les variateurs de fréquences comportent un onduleur triphasé. Nous avons donc pris les « data

sheet »d’un variateur de fréquence : l’altivar 11.Ensuite le circuit de puissance fut très facile à

avoir car tous les livres d’électrotechnique ou électricité donnent le schéma et le cahier des charges

donné par monsieur LEQUEU le donnais aussi. Il existe plusieurs schéma de puissance mais nous

avons choisit pour des questions de budget de prendre l’un des moins coûteux en composants. La

partie commande fut plus délicate à trouvée. Nous sommes repartie de ce qu’avait fait les étudiants

Figure 1: Schéma de puissance d'un onduleur triphasé

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de l’année dernière et essayé de trouver d’autres solutions. Nous avons pour cela récupérer les

« data sheet » de plusieurs drivers (L6386, L6387, IR2130 en annexes).

Notre carte ce découpe donc en deux parties dont voici les schémas synoptiques :

Partie puissance :

Figure 2: Schéma synoptique de la partie puissance

Partie commande :

Figure 3: Schéma synoptique partie commande

Micro contrôleur

Inversions logiques

Driver IR 2130

Potentiomètre de vitesse

Gâchettes IGBT

Alimentation5V DC

Alimentation15V DC

Alimentation15V DC

AC ~

DC =

FILTRAGE

PONT THYRISTORS Courant

Triphasé

Tension réseaux 230V-50Hz

Commandes

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2. DESCRIPTIF DU FONCTIONNEMENT

2.1. Partie puissance Voyons comment fonctionne la partie puissance de notre onduleur triphasé.

On alimente notre carte en 230V-50Hz, que l’on protége avec un fusible gG de 5A (pour essai).

Cette tension est ensuite redressée à l’aide d’un pont de diode puis filtrée avec 4 condensateurs de

manière à obtenir une ondulation de la tension d’entrée d’environ 20%. La tension arrive ensuite

sur l’onduleur, composé de 3 bras qui contiennent chacun 2 transistors IGBT avec diodes

intégrées.

2.2. Fonctionnement d’un bras Pour expliquer le fonctionnement d’un bras d’onduleur nous devons nous intéresser à une

partie de la commande. Voici le schéma qui concerne la partie commande ainsi que le bras

numéro1 :

Figure 4 : Bras + Partie commande

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On distingue alors deux cas de fonctionnement :

1 Cas : En puissance, le transistor 6 est à l’état ouvert, on à donc 0V à ces bornes et donc au point

W. Le transistor 5 lui est à l’état fermer. En commande, aux bornes de la diode on a une tension de

15V. Cela permet le chargement de la capacité C.

2 Cas : En puissance, on ferme T6 et on ouvre T5, on se trouve en phase de roue libre, le point W

se trouve au potentiel de l’alimentation ( 40V pour nos essais). En commande on se retrouve alors

d’un coté de la diode avec 15V et de l’autre +40V, elle se trouve bloquée. Le condensateur C se

charge au nouveau potentiel qui est de 15V. C’est cette tension qui va alors permettre le

fonctionnement (lorsque le condensateur C se décharge) du CI .

2.3. Partie commande

Pour la partie commande nous avons décidés de l’alimentée avec du 230V-50Hz que l’on

abaisse grâce à une transformateur 0-15V, 12VA. Cette tension est ensuite redresser à l’aide d’un

pont de diode puis est retransformée grâce à deux circuits intégrés ; l’un pour avoir une

alimentation de 15V stabilisée qui alimente le driver IR 2130 ainsi que le circuit intégré

d’inversion logique, et l’autre qui fabrique une tension de 5V stabilisée pour alimenté le micro

contrôleur.

Le micro contrôleur, permet de fabriquer la logique de commande. Il fabrique en sortie des

créneaux MLI qui sont ensuite envoyés sur les inversions logiques. Il possède aussi un

potentiométre qui permet de réglé la vitesse du moteur ainsi que 4 interrupteurs ; un pour

l’inversion du sens de rotation, un pour le reset, et deux autres pour deux modes de

fonctionnements différents (pas connut). En effet nous sommes obligés d’inverser la logique de

commande car le driver est prévus pour recevoir une logique inversée et qui puis est en 5V.

Le Driver IR2130 est alimenté en 15V. C’est lui qui transmet la logique de commande aux

gâchettes des transistors. Le fonctionnement des diodes ainsi que des condensateurs en sortie à été

vue en partie puissance. Ce driver est équipé d’une protection qui détecte lorsque le courant est

supérieur à 5A. Cela est réalisé grâce à la résistance qui est placée sur le retour de tension du pont

de transistor :

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On sait que : P= 1,5 KW , Vitrip= 0.5V (donnée constructeur voir annexe IR2130)

Pour le cas le plus défavorable : P = UI

I = P/U = 1500 / 311 = 4.8 A

R = Erreur ! = Erreur ! = 0.1?

Si le courant dépasse 5A le pont est alors bloqué.

Cela va nous permettre aussi de définir la largeur des pistes de cuivre en fonction du

courant qui y circule : 5mm.

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3. CALCUL DES VALEURS DE COMPOSANTS

Comme nous l’avons vue le schéma de la partie puissance est très facile et il

comporte très peu de composant qui sont : les diodes pour le redressement, le condensateur de

filtrage et les transistors IGBT, pour la partie onduleur.

Plaque signalétique du moteur : P = 1500W cos Fi = 0.8

Etoile 380V I = 2.84 A

Triangle 230V I = 4.70 A ? I max = I 2 = 6.64 A

On prend un coefficient de sécurité de 2 donc I max = 13.29 A

La partie onduleur verra comme tension U =U 2

Pour 220V U = 311V

230V U = 325V

240V U = 340V

Voyons comment dimensionner le condensateur.

C = I x ? t / ? Uc

Pour le cas le plus défavorable : P =UI

I = P/U = 1500 / 311 = 4.8 A

D’où : ? Uc = 10% U = 10% x 311 = 31.1V ? Uc = 20%U = 20% x 311 = 32.2V ? t est égale à une demi période c’est à dire 10 ms car la fréquence est de 50hz.

C (10%)= 1543 µF

C (20%)= 716 µF

Pour des raisons de prix nous avons choisit d’avoir une ondulation de 20%. 2 solutions s’offrent à

nous :

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- en parallèle 4x 220µF

- un seul 820 µF

Pour les transistors nous avons pris des IGBT avec les diodes intégrées. La partie redresseur est

assurée par un pont diode 25A-600V.

En se qui concerne la partie commande plusieurs solutions sont disponibles pour le choix des

drivers.

- L6386

C’est le driver qu’ils ont utilisé. Il peut commandé 2 transistors. Les sorties sont isolées pour

éviter le court-circuit. Les informations du micro contrôleur ne sont pas inversées. Sa rapidité de

commutation est de 50-30ns. Il faut l’alimenté en 15 V et c’est ce qui à posé problème l’an passé.

Nous devrons donc faire attention et bien stabilisé l’alimentation.

- L6387

C’est le même que le L6386 à la différence qu’il ne présente pas de protection interne. On

l’alimente en 15V aussi.

- IR 2130

Il a la possibilité de commander les 6 transistors. Il est plus long en commutation 675ns, mais

présente l’avantage d’un temps mort (Deadtime). Il s’alimente en 15V aussi. Les informations

logiques envoyé par le micro contrôleur doivent être inversées par le module DM 74 LS04N de

chez FAIR.

Principe de fonctionnement du Deadtime :

Dans le L6386 à l’instant ou un transistor s’ouvre et l’autre se ferme il peut y avoir un court-

circuit. Dans le IR2130 à cet instant les deux transistors sont ouverts. Les chronogrammes

expliqueront le phénomène :

H in on off

L6386 L in off on

H in on off

IR2130 L in off on OFF

Figure 5: Explication du Deadtime

Il ne reste plus qu’à étudier le fonctionnement et l’enchaînement de la mise en marche des

transistors. Pour cela nous avons tracé les chronogrammes de mise en conduction des transistors :

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K1

K2

K3

K'1

K'2

K'3

Figure 6 : Diagramme de conduction des transistors

Pour alimenter c’est module on mettra sur la plaque un transformateur et on réalisera une

alimentation 15V-5V continue.

Pour ce qui est des condensateurs de découpage du driver, ce rapporter à la page 6 de

l’annexe IR2130.

Pour ceux de l’alimentation +5V et +15V on suppose que le courant de sortie est de 100

mA pour les deux.

Figure 7: Alimentation

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Voyons comment dimensionner le condensateur.

C = I x ? t / ? Uc Pour le L7815 :

Vmin = Vin – Vout = 17.5 - 15 = 2.5V

? t est égale à une demi période c’est à dire 10 ms car la fréquence est de 50hz.

C = 270 µF

Pour le L7805 : Vmin = Vin – Vout = 7 - 5 = 2V

C = 500 µF

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4. SCHEMA COMPLET

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TABLEAU COMPARATIF

Nous n’avons malheureux pas eus toutes les informations nécessaires pour complété

correctement le tableau. Nous n’avons pas eus les informations concernent les composants fournit

par l’IUT tel que le prix ou la référence...

– 16 –

5. CIRCUIT IMPRIME

Figure 8 : TOP (Bleu)

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Figure 9 : BOTTOM(Rouge)

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6. IMPLANTATION

Figure 10 : Implantation

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Figure 11 : Plan de perçage

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7. ESSAIS ET RELEVES

Nous avons fait nos essais sous tension réduite de 40V pour la partie puissance et 230V

pour la commande. Comme charge nous avons pris un moteur triphasé. Comme nous l’avons vue

le micro contrôleur nous fournit la logique de commande sous forme de MLI qui est ensuite

envoyée sur les inversions logiques. Voici l’oscillogramme qui montre cette inversion :

Figure 12 : Oscillogramme inversion de la commande

Ensuite nous avons relevé grâce à une pince ML50 le courant en sortie et la MLI qui se

trouvait sur la gâchette d’un des transistors. On remarque que le courant est bien de forme

sinusoïdale. A cette tension le moteur ne peut pas tourner.

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Figure 13 : Visualisation du courant et de la MLI

Nous avons donc décidé d’augmenter la tension d’entrée pour voir les variations de vitesse et nous avons fait deux relevés. Un à une fréquence réduite et l’autre à 50Hz.

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Ici à 36Hz :

Figure 15 : Vitesse variable 36HZ

Ici à50Hz

Figure 16: Vitesse variable 50HZ

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Par contre à des moments il y à eu des problèmes dont nous savons pas de quoi cela vient.

En effet la MLI disparaît à certain moment, ce qui entraîne la disparition du courant et donc le

moteur n’est plus alimenté pendant ce court instant :

Figure 17 : Défaut dans la MLI

Cela prouve que notre circuit fonctionne correctement à certain moment.

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TABLE DES ILLUSTRATIONS

Figure 1: Schéma de puissance d'un onduleur triphasé.................................................................................................. 5 Figure 2: Schéma synoptique de la partie puissance...................................................................................................... 6 Figure 3: Schéma synoptique partie commande............................................................................................................. 6 Figure 4 : Bras + Partie commande................................................................................................................................ 7 Figure 5: Explication du Deadtime .............................................................................................................................. 11 Figure 6 : Diagramme de conduction des transistors ................................................................................................... 12 Figure 7: Alimentation................................................................................................................................................. 12 Figure 8 : TOP (Bleu) .................................................................................................................................................. 16 Figure 9 : BOTTOM(Rouge) ....................................................................................................................................... 17 Figure 10 : Implantation............................................................................................................................................... 18 Figure 11 : Plan de perçage.......................................................................................................................................... 19 Figure 12 : Oscillogramme inversion de la commande............................................................................................... 20 Figure 13 : Visualisation du courant et de la MLI ....................................................................................................... 21 Figure 15 : Vitesse variable 36HZ ............................................................................................................................... 22 Figure 16: Vitesse variable 50HZ ................................................................................................................................ 22 Figure 17 : Défaut dans la MLI.................................................................................................................................... 23

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BIBLIOGRAPHIE

- Cours Monsieur Lequeu 2003-2004. - Magazine Elektor, Convertisseur Sinus-Triphasé, n°198 décembre 1994.

- Livre du CDI .

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ANNEXES

- Documentation sur le driver L6386.

- Documentation sur le driver IR 2130.

- Documentation sur le driver L6387.

- Onduleur Sinamics.