Les convertisseurs d’énergie I. Introduction : Actuellement le transport de l'énergie électrique est effectué par des réseaux triphasés (trois tensions sinusoïdales déphasées entre elles de 2 /3) à la fréquence de 50Hz. Cette énergie est souvent utilisée soit en continu ou bien à des fréquences différentes de celle du réseau. Afin de transformer le spectre du signal (amplitudes, fréquences, phases) fournit par le réseau électrique, les convertisseurs statiques est une solutions largement utilisée actuellement dans les applications domestique et industriel. Les convertisseurs statiques sont des systèmes réalisés à partir de composants électroniques de puissance utilisés comme interrupteurs. II. Les différents types des convertisseurs : Dans les applications de conversion d’énergie, il existe quatre types de convertisseurs (Figure 1): 1. Convertisseur continu-continu (DC/DC) : Les hacheurs pour la commande des moteurs à courant continu (vitesse variable) ou pour les alimentations à découpage. 2. Convertisseur continu-alternatif (DC/AC): Les onduleurs pour la production de tensions alternatives, protection contre les surtensions et coupures de réseau (informatique), commande des machines à courant alternatif. 3. Convertisseur alternatif-continu (AC/DC): Les redresseurs pour l’alimentation des moteurs à courant continu, charge des batteries ; 4. Convertisseur alternatif-alternatif (AC/AC): Les gradateurs lorsque uniquement la valeur de la tension efficace alternative est modifiée. Ce type de convertisseur est nommé aussi cycloconvertisseur quand la valeur de la fréquence est transformée. Le cycloconvertisseur permet la production des vitesses variables en alternatif (levage, machine-outil, ascensseur, …). Tarek Ben Salah Page 1 Source continue Hacheur (Variation d’amplitude) Charge continue Redresseur Onduleur Source alternative Gradateur (Variation d’amplitude) Charge alternative Cycloconvertisseur (Variation de fréquence) Figure 1 : Les différents types de convertisseurs Les sources de la figure 1 vont véhiculer l'énergie électrique et les charges sont les dispositifs qui utilisent cette énergie notamment la consommer ou bien la transformer. Les principales sources continues sont: - les génératrices à courant continu, - Les dispositifs de stockage d’énergie (batteries, piles), - les sorties des redresseurs et des hacheurs (ou des alimentations à découpage)…. Les différentes sources alternatives sont: - Les alternateurs (les centrales thermiques, éoliennes, …). - Le réseau électrique (monophasé ou triphasé). - Les onduleurs (variation de fréquence pour les applications de tractions par exemple). Pour les charges il s'agira de : - moteurs électriques (alternatifs ou continus) - Les divers appareils électriques. III. Les hacheurs : Les hacheurs réalisent une conversion continu-continu (DC-DC) (Figure 2). Placés entre un générateur et un récepteur (non isolé), tous les deux à courant continu, ils permettent de codifier la tension appliquée au récepteur ou le courant y circule. En revanche la conversion continu-continu qui comporte un transformateur assurant l'isolation galvanique s’appelle Tarek Ben Salah Page 2 alimentations à découpage (cas des alimentations de PC…). Les hacheurs peuvent être divisé en deux grande famille : hacheurs directs et hacheurs indirects. - Les hacheurs directs assemblent un générateur et un récepteur qui se comporte l’un comme une source de tension et l’autre comme une source de courant. Les hacheurs intègrent aussi des interrupteurs de puissance entre le générateur et le récepteur. - Les hacheurs indirects assemblent un générateur et un récepteur de même type. Ce type d’hacheur intègre des interrupteurs de puissance et un dispositif de stockage d’énergie. Sortie Entrée DC DC Figure 2: Schéma de principe du hacheur. III.1. Intérêt des hacheurs : Le montage la plus simple pour codifier une tension continue fixe à une tension continue variable est le montage potentiomètre pont diviseur comme illustré dans la figure 3. IE R1 IS UE R2 US RC Figure 3 : Montage potentiométrique. On pose R = R1 + R2 / R1= .R et R2= (1- ).R Appliquons la relation du diviseur de tension : US=(R2/R2+R1)UE = (1- ).UE Pour =0, la tension de sortie sera égal à l’entrée US= UE Tarek Ben Salah Page 3 Pour =1, la tension de sortie sera égal à zéro US= 0. Bien que le pond diviseur permet de modifier la valeur de la tension de sortie, son rendement reste, critique, est loin d’être acceptable. Le rendement du circuit pont diviseur s’écrit : = PS/PE / PS = US. IS et PE = UE. IE Après calculs le rendement peut être écrit sous la forme : RC .R22 ( RC R2 )(( RC R2 ) R1 RC R2 ) En remplaçant R2 et R1 par leurs valeurs le rendement s’écrit alors : RC .R22 2 3 2 RC2 RC R R2 ( RRC 2 R 2 ) R Le rendement est maximal quand RC = R2 = (1- )R A titre d’exemple soit R1 = R2 = RC (soit =1/2), on obtient : = 1/6 = 16%. Soit 84% de la puissance est dissipée dans le pont diviseur. En effet le montage pont diviseur est rentable uniquement pour les faibles puissances (quelques watts). En électronique de puissance cette solution est a évitée et le montage hacheur est solution alternative. III.1. Les hacheurs séries : L’optimisation du rendement nécessite la substitution du pont R= R 1 + R2 par des interrupteurs de puissance. L’interrupteur qui contrairement au pont de résistance ne dissipe pas (ou peu en pratique) de puissance. Les interrupteurs K1 et K2 hachent la tension d’alimentation U et permettent de modifier la tension de sortie. vK1 i IE K1 R1 IS U UE US R2 (a) RC I' iK1 iK2 K2 u' vK2 (b) Figure 4 : Principe du hacheur série. (a) pont diviseur et (b) hacheur série. Tarek Ben Salah Page 4 Dans la pratique les interrupteurs K1et K2 sont des interrupteurs de puissance complémentaires (jamais les deux fermés et ouverts) afin d’éviter le court-circuit du générateur et notamment la mise en l’air du récepteur (source de courant). III.1.1 Principe du fonctionnement du hacheur série : Afin de sélectionner les interrupteurs semi-conducteurs K1 et K2 (commandé ou non commandé), il faut étudier leurs caractéristiques statiques (ik1 = f(vk1) et ik2 = f(vk2)) : 1. Si K1 est fermé et K2 est ouvert alors : ik1 = I’, ik2 = 0, vk1 = 0 et vk2 = -U. 2. Si K2 est fermé et K1 est ouvert alors : ik1 = 0, ik2 = I’, vk1 = +U et vk2 = 0. La figure 5 a et b présente les caractéristiques statiques idéales de K1 et K2. ik1 ik2 I’ I’ U 0 (a) vk1 -U 0 vk2 (b) Figure 5. (a) Les branches des caractéristiques des interrupteurs K1 et (b) de l’interrupteur K2. D’après ces caractéristiques, il est clair que K1est un interrupteur commandé (un transistor par exemple) et K2 est un interrupteur non commandé (une diode). Puisque l’interrupteur commandé est branché en série avec la source et la charge le hacheur est dit série. La figure 6 présente le montage hacheur avec des composants de puissance ou K1 a été remplacé par un transistor et K2 par une diode. Dans la pratique le choix de ces composants dépend de la puissance et de la fréquence du fonctionnement du système à étudier (Figure 7). Tarek Ben Salah Page 5 i = iT vT I' K1 U u' vD iD (a) Tarek Ben Salah Page 6 u’ U t 0 T T iT = i I’ t 0 T T vT U t 0 T T iD I’ t 0 T T vD t 0 -U T T (b) Figure 6 : Hacheur MOSFET/Diode (a) montage et (b) Forme d’onde de la tension de sortie, du courant d’entré et du courant et de la tension aux bornes des interrupteurs de puissance. Tarek Ben Salah Page 7 Figure 7 : Capacité en fonction de la fréquence et application des composants de puissances. III.1.2 Formes d’ondes : On choisit une période T la période de fonctionnement du hacheur et et une fraction période ( T) est la durée de l’intervalle de conduction du transistor. cyclique, 0 de cette s’appelle le rapport 1 , sans dimension. En d’autre terme le rapport cyclique est défini comme étant le temps tON pendant lequel l’interrupteur est fermé divisé par la période de fonctionnement T, soit : = tON/T. Quand T est fermé : u’ = U et i = I’. vT = 0, iT = I’, vD = -U et iD =0. Quand T est ouvert : u’ = 0 et i = 0. vT = +U, iT = 0, vD = 0 et iD =I’. La tension de sortie du hacheur n’est pas continue mais toujours positive (Figure 8). Lorsque la période de fonctionnement est assez faible (fréquence de 100 à 1000 Hz) la charge et notamment la sortie ne "voit" pas les créneaux mais la valeur moyenne de la tension. La T valeur moyenne de la tension de sortie <u’> vaut u ' cyclique 1 U .dt T 0 U . La variation du rapport de 0 à 1, permettra de varier la tension moyenne de sotie U’ de 0 à la tension d’entrée U. Tarek Ben Salah Page 8 III.1.2 Etude des défauts du récepteur : Un circuit inductif au niveau du récepteur peut être considéré comme étant une source de courant constante. Etudions le cas ou le récepteur est une charge série R-L-E’ (Figure 8). Dans ce cas la valeur moyenne aux bornes du récepteur est proportionnel aux courant moyen I’ par : <u’>= U = RI’+E’, donc I’= U-E’/R. vT i' T L U R D u' E’ Figure 8 : Circuit hacheur avec charge à la sortie de type R-L-E’ III.1.3 Estimation de l’ondulation à la sortie : D’après la loi des maille à la sortie : L di ' dt u ' ( RI ' E ' ) Pour 0<t< T, u ' U , i ' i0' 1 u' U di ' dt (1 )U L Ut Donc i’ croit d’une manière croissante d’une valeur minimal i’0 à une valeur L maximale de i’ T Pour T <t<T, u ' 0, di ' dt U L U (t T ) Donc i’ décroît d’une manière décroissante de i’ L minimale de i’0 (Figure 9). i' i ' T T à une valeur La variation du courant de sortie et notamment l’ondulation peut être calculé par : Tarek Ben Salah Page 9 i' i T i0' U (1 L ) T la variation du courant est alors maximale pour =0.5 et vaut UT/4L. u’ U U t 0 T T i’ i’ T I’ I’ i’0 t 0 T T Figure 9 : Ondulation du courant du récepteur. III.2 Conclusion sur le hacheur série Dans le fonctionnement du hacheur série, la valeur de la tension moyenne U’ aux bornes du récepteur (la charge) est en fonction du rapport cyclique . La valeur de la tension de sortie peut être réglé en agissant sur le rapport cyclique en modifiant la durée de conduction du transistor sans changer la période T (Modulation de Largeur d’Impulsion, MLI). Il est possible aussi de filtrer l’entrée et la sortie en ajoutant des filtres passe bas du second ordre et notamment une inductance et une capacité. Ce filtre passe-bas permet notamment d’éliminer les harmoniques élevés. Tarek Ben Salah Page 10
