Plan de la pr sentation
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 36

Plan de la présentation PowerPoint PPT Presentation


  • 78 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Plan de la présentation. Le CERN – Le projet Redressement et correction du facteur de puissance Introduction Modélisation du convertisseur AC/DC Etude de la boucle de courant Etude de la boucle de tension Résultats Conversion DC/DC Présentation Modélisation du convertisseur DC/DC

Download Presentation

Plan de la présentation

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Plan de la pr sentation

Plan de la présentation

  • Le CERN – Le projet

  • Redressement et correction du facteur de puissance

    • Introduction

    • Modélisation du convertisseur AC/DC

    • Etude de la boucle de courant

    • Etude de la boucle de tension

    • Résultats

  • Conversion DC/DC

    • Présentation

    • Modélisation du convertisseur DC/DC

    • Etude de la boucle de courant

    • Etude de la boucle de tension

    • Résultats

  • Conclusion

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Les acc l rateurs du cern

Les accélérateurs du CERN

  • Qu’est ce que le CERN ?

    • organisation internationale

    • centre de recherche pour la physique

    • but : comprendre la composition

      de la matière

  • Les accélérateurs de particules

    • plusieurs machines circulaires

    • le complexe en 2007

    • fonctionnement avec différents types

      de particules à différentes énergies

  • Le projet

    • ligne BTP : transfert entre Booster

      et PS

BTPline

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Pr sentation du projet

Présentation du projet

  • Le projet

    • installation de 15 alimentations à décharge de condensateurs afin de permettre l’éjection d’un faisceau LHC du Booster vers le PS

  • Les alimentations à décharge de condensateurs – A quoi ça sert ?

    • but : dévier le faisceau en créant un champ magnétique à l’aide d’une impulsion de courant dans un aimant

    • principe : charge d’un banc de condensateur et décharge dans l’aimant pendant le passage du faisceau

    • on peut faire varier la déflection en faisant varier Uc car

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Pr sentation du projet1

Présentation du projet

  • Topologie des convertisseurs

    • but : charger un banc de condensateurs à partir

      du réseau 230Vac et le décharger dans l'aimant

    • conversion AC/DC  redresseur avec correction du facteur de puissance

    • conversion DC/DC  charge des condensateurs à courant constant

    • décharge  impulsion de courant de 20A bipolaire avec flat-top

    • sujet du mémoire : charge des condensateurs

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Pr sentation du projet2

Présentation du projet

  • Synchronisation avec le complexe PS des accélérateurs

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Conversion ac dc

Conversion AC/DC

  • But du système

    • fournir une tension continue en sortie tout en absorbant un courant en phase avec la tension du réseau.

  • Schéma de principe du montage retenu

UC3854

Caractéristiques : Vout=400 V Pout=500 W

fs=50 kHz

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Mod lisation du convertisseur ac dc

Modélisation du convertisseur AC/DC

  • Modélisation des convertisseurs statiques

    • le système est non stationnaire on considère les différents états sur une période de découpage.

    • on considère les grandeurs moyennes sur la période de découpage modèle stationnaire valable pour f<fs mais non linéaire.

    • on considère que le système travaille à un point de fonctionnement et on introduit une perturbation de faible amplitude modèle linéaire petits signaux.

  • Cas du convertisseur AC/DC

    • particularité : le système ne travaille pas à un point de fonctionnement car la tension d’entrée est une tension sinusoïdale

    • on contourne la difficulté :

      • en obtenant un modèle grands signaux linéaire qui représente le comportement du système autour d’un point de fonctionnement défini par les grandeurs efficaces du montage

      • en introduisant dans ce modèle une perturbation afin d’obtenir un modèle petits signaux linéaire

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Mod lisation du convertisseur ac dc1

Modélisation du convertisseur AC/DC

  • On obtient le modèle petits signaux suivant :

  • On obtient sous forme de variables d’état :

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Mod lisation du convertisseur ac dc2

Modélisation du convertisseur AC/DC

  • On valide le modèle en simulation :

    • mesures difficiles pour les fréquences proches de fs

    • bonne correspondance entre les mesures et le modèle

  • On a obtenu un modèle “moyen” à

    • lorsque la tension d’entrée varie de 0 à 325V, c’est l’amortissement du système qui varie

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude du correcteur de la boucle courant

Etude du correcteur de la boucle courant

  • La boucle interne ou boucle courant contrôle le courant moyen absorbé par le redresseur. On a le montage suivant :

    • la référence Imo(t) est une sinusoidale redressée

    • pour modéliser ce système on adopte la méthode la plus simple :

      • on a obtenu le modèle de la puissance

      • on calcule un modèle dynamique du circuit de contrôle

    • le correcteur sera implémenté en définissant Z (impédance complexe)

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude du correcteur de la boucle courant1

Etude du correcteur de la boucle courant

  • Cahier des charges de la boucle courant :

    • il est assez difficile à établir

    • la référence est une sinusoïdale redressée

      de fréquence 100Hz

    • le phénomène de "Cusp Distorsion"

      est à prendre en compte

    • le correcteur doit filtrer les harmoniques

      liés au découpage pour réguler le courant

      moyen

    • on peut établir le cahier des charges suivant (pour une entrée échelon) :

      • correcteur avec un intégrateur pour supprimer l'erreur statique (système à contrôler de type 0)

      • temps de réponse à 5% inférieur à 0.5ms

      • dépassement de l'ordre de 25% sur la réponse indicielle

    • on va utiliser un correcteur composé d'un intégrateur, d'un pôle et d'un zéro

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude du correcteur de la boucle courant2

Etude du correcteur de la boucle courant

  • On a le système suivant :

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude du correcteur de la boucle courant3

Etude du correcteur de la boucle courant

  • Pour dimensionner le correcteur :

    • on impose à trois fois la pulsation de découpage

    • On trace ensuite le lieu des racines en faisant varier et

    • On place les pôles du système et on obtient la réponse indicielle suivante :

    • dépassement de 30%

    • pas d'erreur statique

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude du correcteur de la boucle courant4

Etude du correcteur de la boucle courant

  • On valide ensuite le correcteur en simulation avec Pspice

    • bonne correspondance avec le modèle mathématique

    • la boucle courant satisfait les spécifications

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude du correcteur de la boucle tension

Etude du correcteur de la boucle tension

  • La boucle externe contrôle la tension de sortie du redresseur

    • on a le système :

    • pour dimensionner

      le correcteur il faut un

      modèle du système

      complet

    • il faut linéariser la

      fonction de transfert

      du multiplieur

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude du correcteur de la boucle tension1

Etude du correcteur de la boucle tension

  • On obtient le modèle linéaire complet suivant :

    • le modèle du multiplieur n'est pas très bon... et le modèle complet est complexe

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude du correcteur de la boucle tension2

Etude du correcteur de la boucle tension

  • On peut obtenir un modèle plus simple pour la puissance

    • en analysant les échanges de puissance du convertisseur

    • en considérant deux échelles de temps : la période de découpage et celle du réseau

    • ce modèle va représenter le système pour les fréquences inférieures à 50Hz

    • on arrive à :

  • Cahier des charges pour le correcteur

    • erreur sur la tension de sortie inférieure à 5%

    • bande passante inférieure à 25 Hz

    • marge de phase supérieure à 30°

      un correcteur proportionnel avec un pôle est bien adapté

  • On a :

    • Hv et Gcv(s) ne sont pas indépendants

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude du correcteur de la boucle tension3

Etude du correcteur de la boucle tension

  • On définit le correcteur

    • en calculant le gain de la boucle de retour pour avoir 400V en sortie et le gain proportionnel minimum pour avoir une erreur statique inférieure à 2%

    • en imposant la fréquence de coupure à 25Hz et en plaçant les pôles en BF pour avoir un amortissement de 0.7

    • on a alors une valeur finale de 397V et une marge de phase de 66°

Réponse indicielle simulée

de la boucle tension

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


R sultats et commentaires

Résultats et commentaires

  • Nous avons obtenu :

    • un modèle linéaire complet du système

    • un modèle simplifié qui s'affranchit de la boucle interne

  • On valide tout d'abord les correcteurs en simulation (Matlab+Simplorer)

  • Résultats sur le système réel en statique :

    • Iac et Uac sont en phase

    • Vout = 398V

    • FP unitaire

    • THD=3.6%

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


R sultats et commentaires1

Résultats et commentaires

  • Résultats sur le système réel en dynamique :

    • réponse à un échelon de 0.1V

      è

    • réponse à un echelon de 0.1V

  • Conclusion

    • performances conformes au cahier des charges

    • comparaison des modèles difficile mais le modèle simplifié est valide

  • réponse à une variation du courant de sortie

    è Vout varie de ~1%

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Conversion dc dc

Conversion DC/DC

  • Charge des condensateurs à courant constant

    • charge des condensateurs à partir de la tension 400Vdc

    • charge de 0 à 600V avec deux valeurs de courant

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Conversion dc dc1

Conversion DC/DC

  • Topologie du convertisseur DC/DC du type pont complet

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Mod lisation du convertisseur dc dc

Modélisation du convertisseur DC/DC

  • Particularités de ce montage :

    • on montre que le comportement dynamique du convertisseur en pont complet est identique à celui du convertisseur du type Buck

    • il est impossible de définir un point de fonctionnement

    • le convertisseur va fonctionner en conduction continue et discontinue

  • Nous allons appliquer deux méthodes différentes

    • une méthode classique qui consiste à calculer un modèle moyen, le perturber et linéariser

    • une méthode plus récente qui consiste à obtenir une équation récurrente du convertisseur à partir de laquelle on peut calculer un modèle discret

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Mod lisation du convertisseur dc dc1

Modélisation du convertisseur DC/DC

  • Modélisation classique en conduction continue

    • on calcule un modèle moyen sur la période de découpage :

    • on introduit une perturbation et on arrive à :

    • on note que seules les fonctions de transfert relatives à la tension d'entrée dépendent du point de fonctionnement.

  • Modélisation classique en conduction discontinue

    • le courant dans l'inductance n'est plus une variable d'état

    • on obtient deux fonctions de transfert du premier ordre

et

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Mod lisation du convertisseur dc dc2

Modélisation du convertisseur DC/DC

  • Modélisation discrète en conduction continue

    • on calcule une équation récurrente pour le convertisseur :

      avec

    • on linéarise autour d'un point de fonctionnement et on obtient un modèle discret :

      avec

  • Modélisation discrète en conduction discontinue

    • on procède de la même façon et on obtient pour D=0.1

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Mod lisation du convertisseur dc dc3

Modélisation du convertisseur DC/DC

  • Comparaison des modèles obtenus

    • on s'intéresse à la fonction de transfert

    • pour le modèle continu, elle ne dépend pas du point de fonctionnement

    • conduction

      continue

    • conduction

      discontinue

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude du correcteur de la boucle courant5

Etude du correcteur de la boucle courant

  • Topologie de la boucle courant

    • régulation du courant de charge moyen filtre d'ordre 2 avec fc=10khz et z=1

    • modélisation du modulateur PWM par un gain proportionnel

    • on a alors obtenu un modèle linéaire complet du système

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude du correcteur de la boucle courant6

Etude du correcteur de la boucle courant

  • Cahier des charges de la boucle courant

    • pas d'erreur statique pour une entrée échelon

    • temps de réponse à 5% inférieur à 50ms

    • fonctionnement pour des valeurs de courant de 0 à 250mA en conduction continue et discontinue

  • Modèle linéaire complet du système

    avec :

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude du correcteur de la boucle courant7

Etude du correcteur de la boucle courant

  • Dimensionnement du correcteur

    • on va définir un correcteur pour le fonctionnement en conduction continue puis vérifier que les performances sont acceptables en conduction discontinue

  • Correction par modèle interne

    • on va appliquer la méthode de correction par modèle interne afin de dimensionner un correcteur robuste

    • on calcule un correcteur optimal au sens de l'ISE pour une entrée échelon

    • on ajoute un filtre passe bas pour rendre le correcteur physiquement réalisable

    • on calcule le correcteur équivalent dans une structure en boucle fermée classique

    • on obtient le correcteur suivant :

    • lsera dimensionné expérimentalement (compromis rapidité/robustesse)

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude du correcteur de la boucle courant8

Etude du correcteur de la boucle courant

  • Résultats obtenus en simulation

    • réponse indicielle avec le modèle mathématique en conduction continue

    • réponse indicielle obtenue avec Simplorer avec l=0.01

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude du correcteur de la boucle courant9

Etude du correcteur de la boucle courant

  • Modification du correcteur

    • les performances obtenues ne sont pas satisfaisantes

    • le correcteur par modèle interne obtenu est

    • pour améliorer le comportement aux hautes fréquences, on va modifier sa fonction de transfert en

    • réponse indicielle avec l=10 et

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude du correcteur de la boucle courant10

Etude du correcteur de la boucle courant

  • Performances de la boucle courant

    • on implémente le correcteur obtenu sur le système réel

      • pas d'erreur statique

      • au courant nominal

      • fonctionnement correct de 0 à 250 mA

Réponse de la boucle courant pour une référence nominale

Réponse de la boucle courant pour une référence de faible amplitude

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude de la boucle tension

Etude de la boucle tension

  • Système complet de charge des condensateurs

    • la boucle tension est très complexe à modéliser et plusieurs gains dépendent directement des élements de puissance du montage

    • le gain Ku doit être dimensionné pour que l'erreur sur la tension finale soit inférieure à 1% pour Uc variant de 0 à 600V

Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


Etude de la boucle tension1

Etude de la boucle tension

  • on construit un modèle complet du système avec Simulink et on dimensionne Ku à l'aide de ce modèle

  • on obtient :

    • une erreur de 0.6% pour Uc=500V

    • une erreur négligeable pour des

      tensions de charge de l'ordre de

      la dizaine de volts

  • Conclusion

    • l'étude de la boucle courant a permis de mettre en oeuvre deux méthodes de modélisation

    • le correcteur par modèle interne n'a pas donné de bons résultats

    • les performances obtenues sont conformes au cahier des charges

    • il serait intéressant de définir un correcteur pour la boucle courant avec une part plus importante d'adaptation au système

  • Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


    Conclusion

    Conclusion

    • Aspects pratiques de la réalisation

    Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


    Conclusion1

    Conclusion

    • Fonctionnement en opération

      • ~ 75 convertisseurs de ce type seront en opération en 2005

      • 1.3 millions d'heures de fonctionnement accumulées avec un MTBF de 145 000h

      • aucune panne liée à la puissance ou aux boucles de régulations

      • de nouvelles séries de convertisseurs sont prévues pour le Linac II et le Booster

    Etude des boucles de régulation d’alimentations à décharge de condensateurs


  • Login