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Niveau: Secondaire, Lycée, Première
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  • simulations préparatoires de l'onduleur monophasé

  • détecteur local

  • commande du bras

  • architecture de commande

  • détecteur

  • dispositif d'isolement

  • cellule de commutation

  • détection du défaut par flag du driver

  • caractérisation sur le rupteur fusible


Publié le : mardi 29 mai 2012
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Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 57
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Chapitre 4
Chapitre 4 Expérimentation d'une nouvelle structure de redondance à connexion automatique
Sommaire du chapitre 4
1) Introduction et objectifs du chapitre ...................................................................................... .132 2) Stratégies et simulations préparatoires de l’onduleur monophasé à tolérance de panne  .............................................................................................................................. .......................133 2.1) Mode 1 naturel dit "crowbar" et la détection du défaut...................................................133 2.2) Mode actif (disjoncteur) et la détection du défaut par flag du driver...............................134 2.3) Synthèse de la simulation du mode disjoncteur avec la confirmation...............................138 3) Mise en œuvre et dimensionnement du démonstrateur prototype .........................................140 3.1) Périmètre structurel et fonctionnel du boitier expérimental ...........................................140 3.2) Dimensionnement de la cellule de conversion .................................................................141 3.2.1) Cahier des charges ...................................................................................................1 41 3.2.2) Architecture de commande......................................................................................143 3.3) 1èrecaractérisation du prototype ....................................................................................144 4) Caractérisation de la détection du défaut (superviseur) en ut ilisant les différents types de fusible  .............................................................................................................................. .......................145 4.1) Caractérisation sur le protistor BS88 32A .........................................................................145 4.2) Caractérisation sur le fusible CMS et fusible miniaturisation ............................................147 4.2.a) Protection par fusible miniature Littel-fuse™...........................................................147 4.2.b) Protection par fusible CMS SCHURTER™...................................................................152 4.3) Caractérisation sur le rupteur fusible PCB ........................................................................152 5) Vieillissement sur “temps long” de la Rscdu banc de test réel..................................................156 6) Conclusion du chapitre..................................................................................................... .......156 7) Références du chapitre ..................................................................................................... ......158
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1) Introduction et objectifs du chapitre Nous nous rappelons qu’une nouvelle structure de redondance, mêlant un dispositif d'isolement symétrique, passif et un couplage-aiguillage automatique vers un bras de secours a été proposée au chapitre 1. Cette structure comprend une fonction d’isolation (fusible ou rupteur-fusible présenté dans le chapitre 2) et la connexion spontanée d'une redondance en série par les puces défaillantes elles-mêmes de très faible résistance (présenté dans le chapitre 3). Cette structure est initialement simulée et ensuite validée sous le logiciel PSIM™ [chapitre 1 2.3.2.b)] en onduleur. Dans ce chapitre, nous allons mettre en œuvre les concepts présentés à la Fig1, en utilisant des dispositifs d’isolement et de connexion secours sur une maquette d’onduleur monocellulaire de tension 350V/50A par différentes technologies d’isolement («dual-fuse», miniaturisés, CMS, PCB passivé réalisé au laboratoire) et l’évaluation du dispositif de couplage-aiguillage à diodes d’un bras de secours en redondance parallèle. Au niveau du diagnostic du défaut sur la cellule défaillante, selon les modes de défaut, on applique un détecteur local et rapide de défaut couplé à un superviseur numérique permettant d’ordonnancer les étapes d’isolement et de commutation de mode «normal-secours » en un mode de reprise « sécurisé » à minimum de temps mort. Ces résultats nous permettrons d’affiner les choix technologiques retenus pour des cahiers des charges futurs et d’orienter la stratégie de gestion de défaut qu’ils soient internes ou externes à la topologie.
Fig.1 La structure de l’onduleur monophasé à tolérance de panne.
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2) Stratégies et simulations préparatoires de l’onduleur monophasé à tolérance de panne Conformément au contexte présenté dans le chapitre 1, on rappelle qu'un dispositif numérique de supervision est intégré dans la carte de driver CONCEPT™. Cette protection rapprochée permettant de diagnostiquer un défaut de court-circuit selon une méthode classique de détection de désaturation des transistors. Pour cela, le driver envoie un courant continu de faible valeur à travers le transistor fermé, générant ainsi une tension qui est comparée avec une référence prédéterminée par la valeur de la résistance Rth. En cas de dépassement du seuil, signifiant la désaturation de l’IGBT, le driver impose l’ouverture des deux IGBT pour couper le défaut. En même temps, de façon générale, sur défaut, le driver génère un flag de défaut, ce flag est largement utilisé dans le plan de simulation et aussi réalisé dans le démonstrateur de prototype, ce flag est reconnu par la carte de commande qui doit démarrer le thyristor et le bras secours. Il faut noter qu’ici, cette protection des composants est réalisée en quelques microsecondes. Classification des modes de défaut et de gestion sécuritaire 2.1) Mode 1 naturel dit "crowbar" et la détection du défaut Ce mode de défaillance est introduit déjà au chapitre 1 sur la structure de connexion secours (au premier défaut). Lorsqu’une commande erronée ou un claquage touche un des deux IGBT sur le bras principal, une désaturation et une destruction en cascade des deux puces apparaît. Les deux transistors présentent alors une faible valeur de résistance résiduelle. Un chemin de court-circuit est établit, à ce moment là, la source de tension Vbusest court-circuitée par cette cellule de commutation défaillante jouant le rôle de crowbar. Les deux fusibles aux extrémités du bras principal vont jouer le rôle de protection et d'isolation du bras défaillant.
Fig.2 Schéma de la partie génération du signal MLI, détection et confirmation du défaut, et la distribution de la commande du bras principal et du bras secours en mode crowbar.
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Au niveau de l’ordonnancement des séquences de la détection du défaut, on sollicite deux moyens pour reconnaître le défaut d’un bras de commutation : Sans confirmation :
Lorsque le défaut est actif et non répétitif, le défaut va être détecté sur la sortie de la cellule de commutation par un opto-coupleur, ceci fait une image de la tension Vce H2, qui est comparé avec la _ commande H2du filtre se charge et se décharge très rapidement condensateur  leretardé de 500ns, tant qu’il n’a pas atteint le seuil de déclenchement 0,8V du ‘comparateur’ digital, le détecteur de défaut de commutation est "OFF". Une fois qu’un des deux IGBTs est défaillant, le détecteur passe en ON, le défaut va être mis en mémoire pendant l’ouverture des deux fusibles. Les commandes des deux IGBTs sont normalement appliquées au bras défaillant jusqu’à la destruction des deux puces du boitier. Par ailleurs, pour assurer l’extinction du régime d’arc du fusible et le régime transitoire de surtension du bus, un délai de 1ms (selon le type de fusible) va être introduit avant le démarrage du bras secours en « recopiant » la commande du bras principal sur la commande du bras secours. Enfin, le détecteur va être remis à zéro. La surveillance des commutations par le détecteur se fait maintenant sur le bras secours.
Avec confirmation :
Un bloc de comptage est intégré dans le montage de la détection du défaut, lorsque le défaut est détecté, il compte une fois, puis attend 500ms et la nce un reset, si le défaut se produit N fois de suite (N=3 appliqué dans la simulation et la maquette), le défaut définitif est confirmé, après une temporisation de 1ms. On peut ensuite démarrer la commande du bras secours comme dans le cas précédant. 2.2) Mode actif (disjoncteur) et la détection du défaut par flag du driver Dans ce mode de défaut, au lieu de la détection du défaut sur la phase de commutation, nous mettons en place des protections driver (senses collecteur branchés sur les collecteurs des IGBTs), nous utilisons les flags défaut générés par la carte driver. En plus des remarques précédentes, tant que le défaut flag est lancé, les commandes du bras défaillant vont être tout de suite bloquées à zéro. Le thyristor auxiliaire va être allumé afin d'activer les deux fusibles et d'isoler le bras défaillant. Et de même, après une milliseconde (selon le type de fusible), on démarre le bras secours en aiguillant la commande du bras principal sur la commande du bras secours. Le fonctionnement principal est présenté à la Fig.3
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Fig.3 Schéma de la partie génération du signal MLI, détection et confirmation du défaut par Flag défaut, et la distribution de la commande du bras principal, du thyristor auxiliaire et du bras secours en mode disjoncteur.
Sans confirmation
Sans modifier la stratégie du mode crowbar en absence de confirmation, on active simplement la protection du driver au lieu de la détection de la phase. Ce flag permet de commander le thyristor auxiliaire et basculer la commande du bras défaillant vers le bras secours, une temporisation 1ms est intégrée afin de laisser le régime transitoire s’éteindre.
Avec confirmation
Le bloc de confirmation est amorcé cette fois-ci par le défaut du flag qui vient de la carte driver, après 3 coups de confirmation et restauration, si le défaut est identifié, on active le thyristor, puis démarre le bras secours ; sinon, le défaut du flag est suspendu puis réinitialisé. Le schéma Fig.4 présente le fonctionnement principal du bloc de confirmation.
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Fig.4 schéma de la partie commande et le bloc de confirmation en mode disjoncteur. Deux diagrammes ci-dessous Fig.5 illustrent l’ordonnancement séquentielle de fonctionnement du mode crowbar et du mode disjoncteur.
Fig.5 Diagramme d’ordonnancement des séquences de fonctionnement des deux modes.
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Bien que les deux principes de stratégie permettent de couvrir tous les cas de défaillance du composant ou de la commande, toutefois, la stratégie disjoncteur est antinomique avec le principe d’effet « crowbar » permettant l’isolement symétrique de la cellule complète par ses deux fusible. Car une fois Vcesat dépassant le seuil interne de la carte driver, les commandes des transistors vont être coupées par l’autoprotection de la carte driver, conduisant à une situation de circuit-ouvert et ceci est contradictoire avec l’effet « crowbar». Un thyristor auxiliaire est donc nécessaire.
La solution par surveillance de la tension du bras (un détecteur isolé de la phase) : elle présente l’intérêt d’une protection unique par bras, plus économique.
Les deux modes planifiés sont simulés sous logiciel PSIM™, de façon idéalisée pour la structure monocellulaire avec la connexion du bras secours.
Fig.6 simulation du cas 1 en mode crow-bar sans confirmation (Ich>0).
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Fig.7 Simulation du cas 2 en mode crowbar sans confirmation (Ich<0).
Fig.6 et Fig.7 présentent toutes les séquences fonctionnelles en mode crow-bar en absence de la confirmation : état normal, application d’un défaut permanent, détection du défaut, isolation du bras défaillant, démarrage du bras secours. Selon le signe du courant qui circule à la sortie de la phase, les deux IGBT sont détruits différemment : Ich> 0 force T1(high side) à se désaturer tandis que pour Ich 0 force T <2désaturer. En fonction du point de fonctionnement de la side) à se  (low modulation et du signe du courant, le temps de reconnaissance du défaut par le driver ou par le détecteur peut ainsi varier fortement de quelques périodes de découpage à une demi-période de modulation. 2.3) Synthèse de la simulation du mode disjoncteur avec la confirmation Fig.8 et Fig.9 montrent les résultats de simulation sur le mode disjoncteur en présence du bloc de confirmation, bien que ce bloc de confirmation retarde la validation de l’erreur de quelques centaines de microsecondes, la séquence de fonctionnement principal et le phénomène de régime transitoire sont inchangés.
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is dncjon  edemoc ud1 satalu noiSim0). Ich>on (matifnri coca evetruch
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Fig.8 
Fig.9 Simulation du cas 2 en mode disjoncteur avec confirmation (I
<0).
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3) Mise en œuvre et dimensionnement du démonstrateur prototype Dans le cadre des applications expérimentales, une première étape consiste à réaliser la cellule de conversion statique appropriée. Selon l’approche modulaire qui a été présentée dans les paragraphes précédents, les éléments de conversion doivent être facilement associables et posséder l’ensemble des fonctionnalités nécessaires aux différentes études envisagées. 3.1) Périmètre structurel et fonctionnel du boitier expérimental Tout d’abord, il convient de définir les fonctionnalités génériques qui doivent être implémentées pour assurer la modularité. Cette propriété doit être mise en œuvre à deux niveaux, qui se distinguent parallèlement par la nature des signaux traités (puissance et communication). Sur le plan de la connectique, les dispositifs passifs ou actifs doivent pouvoir être associés physiquement de manière simple et sans trop pénaliser la compacité. Cela impose des contraintes sur la disposition des cartes électroniques et en particulier sur le circuit de puissance. En ce qui concerne les composants de puissance, il a été établi dans les paragraphes précédents que la redondance se situe au niveau de la cellule de commutation. En recensant les différentes stratégies prévues pour les études expérimentales, le plus grand dénominateur commun est un ensemble de deux cellules de commutation et les composants de puissance. Toutefois, dans le cadre de ce travail, il est intéressant d’étendre ce périmètre conférant au boîtier un potentiel d’intégration le plus élevé possible. Sur le plan fonctionnel, chaque IGBT doit posséder une carte drivers en interne "l’intelligence" suffisante pour être à la fois facilement associable et autonome. En effet, une certaine autonomie fonctionnelle est profitable pour s’auto-protéger en cas de panne (défaillance interne, absence de la liaison avec le superviseur, etc.). En ce qui concerne l’association des puces et les différents types de protections, une conception hiérarchique s’impose du point de vue de la commande de commutation et de la détection du défaut. Sur le schéma de la Fig.10, les trois moyens de détection du défaut sont récapitulés pour la cellule dans son contexte de tolérance de panne. Pour ces études expérimentales, c’est l’utilisateur qui contrôle le type de détection à travers une interface manuelle et qui transmet ainsi les consignes à la carte de contrôle de la cellule défaillante et la cellule secours.
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