INTRODUCTION A L’ ELECTRONIQUE DE INTRODUCTION A L’ ELECTRONIQUE DE PUISSANCE PUISSANCE 1 2 PLAN DE TRAVAIL Présentation du module Objectifs du cours Introduction Fonctions de l’électronique de puissance Applications de l’électronique de puissance Les composants de l’électronique de puissance Les diodes Les thyristors Les transistors 3 Présentation du cours Présentation du cours Dans tous les domaines de l ’industrie on fait aujourd’hui appel à l’électronique de puissance (alimentation à découpage, variateurs de vitesse, alimentation sans interruption) Il est souvent indispensable de connaître au moins les principes de fonctionnement et les fonctions réalisables. 4 Objectifs Connaître l’intérêt de l’électronique de puissance dans les domaines de l’électrotechnique (alimentation à découpage, variateurs de vitesse, alimentation sans interruption…) Acquérir les connaissances de base en électronique de puissance, permettant d’approfondir un domaine particulier de cette discipline. Analyser les circuits de base de l’électronique de puissance utilisés en électrotechnique. 5 Introduction L’électronique de puissance est la branche de l’électrotechnique qui a pour objet l’étude de la conversion statique de l’énergie électrique. La conversion statique est réalisée au moyen de convertisseurs statiques (diodes, transistors, thyristors...) Ce sont des dispositifs qui transforment de l’énergie électrique disponible en une forme appropriée à l’alimentation de la charge. Il peut s’agir de changer le type de source (DC vers AC ou AC vers DC, changement de valeur efficace, moyenne, de fréquence, …) 6 Les fonctions de l ’électronique de puissance Les fonctions de l'enpu L’électronique de puissance est une électronique qui a pour fonction de modifier la forme de l ’énergie électrique. Les composants de l ’électronique de puissance fonctionnent en commutation. Ils sont à l ’état d ’interrupteurs fermés ou d ’interrupteurs ouverts. composant = 8 Les fonctions de l'enpu Gamme de puissance de l’ENPU L ’électronique de puissance s’intéresse à des domaines de puissance allant de quelques W à plus de 100 MW. Montre 10µW Lampes fluorescentes 15W Véhicule hybride 35kW Locomotive FRET 4,2MW 9 Les fonctions de l'enpu 10 Les fonctions de l'enpu 11 Les fonctions de l'enpu 12 Les fonctions de l'enpu 13 Les fonctions de l'enpu 14 Les fonctions de l'enpu 15 Les applications de l ’électronique de puissance 16 Les applications de l'enpu Dans tous les domaines industriels, de l'électroménager à la traction électrique, on rencontre des applications de l'électronique de puissance; c'est notamment le cas dans les réalisations de : - variateurs de vitesse pour les moteurs à courant continu; - variateurs de vitesse pour les moteurs à courant alternatif; - alimentations sans coupure. 17 Les applications de l'enpu 18 Les applications de l'enpu 19 Les applications de l'enpu 20 Les composants de l ’électronique de puissance Les composants de l'enpu 22 Les composants de l'enpu 23 Les composants de l’énpu 24 Les composants de l’enpu 25 A RETENIR PAR COEUR 26 Les composants de l’enpu 27 Les composants de l’enpu 28 Les composants de l’enpu 29 Les composants de l’enpu 30 Les composants de l’enpu cathode gâchette cathode anode 31 Les composants de l’enpu Le thyristor: dispositif à 4 couches SC dopées PNPN donc 3 jonctions PN. L possède 3 électrodes (connexions externes) Anode A, cathode K, gâchette G. PNP NPN 32 Les composants de l’enpu Amorçage du thyristor Le thyristor laisse passer le courant électrique dans un seul sens, de l’anode à la cathode. Lorsque le thyristor est en polarisation directe, la création d'un courant de gâchette (amorçage) permet de le rendre passant. C’est donc une diode (un redresseur) commandée (Silicon Controlled Rectifier (SCR). 33 Conditions d'amorçage : Les composants de l’enpu En polarisation directe : VAK 0 Condition d'amorçage par tension de retournement VAK > VB0 (BreakOver) sans impulsion ou courant de gâchette. Condition d'amorçage par courant de gâchette VAK > 0 et IG ≥IGT (IGT courant minimum pour amorcer le thyristor) Conditions de blocage : Rendre VAK ≤ 0 ou diminuer le courant anode en dessous du courant de maintient IH (H: Holding) En polarisation inverse :VAK ≤0; Le thyristor est alors bloqué et aucun courant IA ne peut circuler. Lorsque la tension inverse devient trop forte, elle produit un claquage destructif du thyristor. 34 35 Caractéristique IA = f (vAK) Vak 36 Les composants de l’enpu Caractéristique IA = f (vAK) Elle comprend trois grandes parties : OA, tension négative, thyristor bloqué OB, tension positive, thyristor bloqué, pas d'impulsion sur la gâchette OC, après l'envoi d'une impulsion alors Que v est positive, le thyristor est passant Voici la description plus précise des différentes parties : 1 : Avalanche, ou tension de claquage 2 : Courant inverse 3 : Courant de fuite direct 4 : Tension d'amorçage 5 : Courant de maintien 6 : Courant de conduction 37 Principe du thyristor (régénération du courant d’amorçage) Les composants de l’enpu Anode T1 gâchette T2 cathode Circuit équivalent du thyristor 38 Principe du thyristor (régénération du courant d’amorçage) Les composants de l’enpu anode T1 gâchette T2 + cathode 39 Principe du thyristor (régénération du courant d’amorçage) Les composants de l’enpu anode T1 gâchette T2 + IB2 cathode 40 Les composants de l’enpu Principe du thyristor (phénomène de régénération anode IB1 IC2 = 2.IB2 T1 IC1 IC2 IC2=IE2 gâchette T2 + IB2 VG cathode 41 Les composants de l’enpu Principe du thyristor (phénomène de régénération) anode I’B1=2.1.IB1 = I’C2 T1 I’C1 I’C2 I’B2= 1.IB1 gâchette T2 + cathode 42 Principe du thyristor (régénération du courant d’amorçage) Les composants de l’enpu anode T1 gâchette T2 + cathode 43 Quelques Circuits de déclenchement Les composants de l’enpu Amorçage par résistance V0 ig e() VGK e = VGK + V0 + RIGK A l’amorçage, e = VGT + V0 + RIGT Le Thyristor s’amorce lorsque e() atteint la valeur VGT + Vs + RIGT qui est ≤ Emax (= /2) quelque soit la valeur de R → 0≤ ≤ /2 Par conséquent, La valeur de l‘angle d'amorçage dépend directement de la valeur de la résistance Rg ; plus Rg augmente plus se rapproche de /2 (90°) 44 Amorçage par un circuit RC Les composants de l’enpu e() C Le condensateur C va se charger via la résistance Rg jusqu'à ce que la tension soit suffisante pour amorcer la gâchette. En choisissant judicieusement Rg et C on pourra balayer toute la plage de constante de temps (Ƭ = Rg.C) correspondant aux 180° () possibles 45 Amorçage par impulsion (transistor UJT –oscillateur de relaxtion) Les composants de l’enpu Structure 46 Fonctionnement Les composants de l’enpu • VA= rb1/(rb1+rb2).VBB = ƞ. VBB (ƞ rapport intrinsèque de l'UJT [0,45; 0,8] ). • rbb=rb1+rb2 (résistance inter base [3 KΩ ; 10 KΩ]). VA= rb1/(rbb). VBB = ƞ. VBB VE<VA: la diode D est polarisée en inverse; L'UJT bloqué ; laisse passer un courant de fuite IE0. VE>VA+ v0: l'UJT entre en conduction ; rb1 diminue IE croit rapidement VA décroît et atteint une valeur minimale V (tension de vallée). Rb1 v resistance négative VP = VA + V0 = nVBB + V0 ( VP: tension de pique) 47 Caractéristique 48 1. C se charge via R; Vc = VE croit , le courant de IE = 0 ( partie OP) 2. Vc = Vp , IE augment brusquement (partie PN). 3. C se décharge brusquement dans la résistance Rb1 via la jonction EB1 produisant une impulsion qui amorce le thyristor partie NV). 4. Dès que Vc = Vv (saut de V à Q) , l'UJT se bloque et le 49 condensateur recommence à se charger jusqu'à atteindre à Vp. Les composants de l’enpu 50 Les composants de l’enpu 51 Utilisation du thyristor Les composants de l’enpu •Commander la vitesse des moteurs à courant continu et des moteurs à courant alternatif. •Commande alarme. •Régler la température. •Réglage de l'éclairage des lampes. 52 Les composants de l’enpu 53 Les composants de l’enpu 3.Transistor Cet interrupteur est commandable à l'ouverture et à la fermeture. la commutation se fait par une action électrique (injection d'un courant de base iB). 54 Les composants de l’enpu Transistor bloqué 3.Transistor 55 Les composants de l’enpu Transistor passant 3.Transistor Il existe alors deux régimes de fonctionnement. 56 Fonctionnement en régime linéaire Les composants de l’enpu 3.Transistor 57 Les composants de l’enpu Fonctionnement en régime de saturation 3.Transistor iB > iB sat : iC = iC sat 58 Les composants de l’enpu 3.Transistor Vcc – RC IC - VCE = 0 Ic = (Vcc - Vce )/ RC Ib mini la valeur pour laquelle on à saturation du transistor ; pour cette valeur de Ib on a :Ic = Vcc / RC ( = Ic sat ) et Vce sat = 0 (En réalité VCE sat varie de 0,1 à 0,4 V selon la valeur de Ib sat) - Cette valeur de Ib mini correspond à la valeur de VBE = 0,7 V Ic augmente et tend vers Vcc / RC - VCE diminue et tend vers 59 0 TRANSISTOR EN COMMUTATION: Les composants de l’enpu 3.Transistor Un transistor est utilisé en commutation lorsque son mode de fonctionnement s'apparente à un interrupteur. 60 Analogie Relais électromagnétique / Transistor Les composants de l’enpu 3.Transistor 61 Analogie Relais électromagnétique / Transistor Les composants de l’enpu 3.Transistor 62 CONVERSION ALTERNATIF CONTINU – REDRESSEMENT- 63 INTRODUCTION Les redresseurs sont des convertisseurs qui assurent la conversion alternatif-continu. Ils sont alimentés par une source alternative monophasée ou triphasée et permettent d’alimenter en courant continu un récepteur branché à leur sortie. 64 65 Intérêt du redressement On désire faire fonctionner un moteur à courant continu (MCC) en alternatif Le courant alternatif change de sens régulièrement et rapidement (50 allersretours en une seconde en 50 Hz). Le MCC va tourner en changeant de sens de rotation (50 va et vient en une seconde), en d'autres termes, il va vibrer au lieu de tourner. 66 La diode ne laisse passer le courant que dans un seul sens. Le moteur recevra un courant qui le fera tourner toujours dans le même sens et comme la passage d’une alternance positive à l’autre alternance positive est très rapides, il n'aura pas le temps de ralentir et tournera régulièrement, de façon apparemment normale. Si on change le sens de la diode, le moteur tournera encore, mais dans l'autre sens. 67 Conclusion : Redresser le courant, c'est l'obliger a circuler dans un seul sens. C'est grâce a la diode que l'on y parvient. Ceci permettra de faire fonctionner des appareils électriques fonctionnant en continu 68 P1 Fonctionnement La bobine est parcourue par un courant variable entraînant une variation du flux propre. Une force électromotrice (f.e.m.) auto-induite e=-Ldi/dt s’oppose aux variations du courant (loi de Lenz) ce qui entraîne : Une croissance ainsi qu’un décroissance plus lentes du courant dans le cas d’une charge RL, Une augmentation de la durée de circulation du courant, donc une augmentation de la durée de conduction de la diode égale à α. Point de vue énergétique •0 < t < td : La bobine emmagasine de l’énergie (1/2 LI2max) sous forme magnétique pendant la phase de croissance du courant et sa f.e.m. auto induite due aux variations de i ralentit la croissance du courant e=-Ldi/dt. •td < t < te : La bobine restitue cette énergie sous forme électrique au reste du circuit pendant la phase de décroissance du courant. td 76 Conclusion •La bobine impose la continuité du courant dans la charge (de à +α) ; •L’ondulation du courant diminue par rapport au cas de la charge résistive ; •Cette ondulation est d’autant plus faible que L est grande (lissage du courant) ; •Le temps de conduction de la diode augmente également avec L. 77 87 P1 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120
