CS Conversion statique d’énergie Cours cours CS-3 redressement Cours CS 3 TSI1 La Conversion Statique d’Energie X TSI2 Période Conversion statique AC – DC : Redressement Cycle7 : Conversion statique d’énergie 1 2 3 4 5 X Durée : 2 semaines 1- Introduction : Le TGV POS a été mis en service juin 2007, départ de Paris vers Strasbourg, Metz, Munich, Francfort, Zurich et Luxembourg (vitesse commerciale de 320 km.h-1 sur leparcours français et de 300 km.h-1 sur lignes grande vitesse allemandes). Chacune des 2 motrices est constituée de 4 ensembles "essieux-moteurs" regroupés en2 blocs moteurs (de 1200 kW), un par bogie. Pour le TGV POS, la pénétration sur les réseaux allemands et suisses nécessite desrames tri-tensions adaptées aux tensions 25kV-50Hz monophasée et 1500V continu duréseau français et, d’autre part, à la tension spécifique 15 kV-16,7Hz des réseauxallemands et suisses. Exigences : 1500 V continu Sur réseau alternatif, le courant absorbé au primaire du transformateur est quasi-sinusoïdal. Cet exemple montre que, dans le cadre de la traction ferroviaire, leconvertisseur statique alternatifcontinu est largement utilisé. Analyser Modéliser Résoudre Expérimenter Concevoir Réaliser Communiquer Choisir une démarche de résolution % Savoirs faires associés § bilan Proposer une méthode de résolution permettant la détermination des courants, des tensions et des puissances échangées Procéder à la mise en œuvre d'une démarche de résolution analytique Savoirs faires associés % § Déterminer les courants et tension dans les composants Déterminer les puissances échangées Déterminer les énergies transmises ou stockées Lycée Jules Ferry 2 et 3 bilan 2 et 3 Page 1 sur 6 TSI1 CS Conversion statique d’énergie cours CS-3 2- Principe d’un montage redresseur redressement Lorsque le montage est constitué de diodes associées en parallèle, deux cas de figures pourront se présenter : - Les diodes sont associées en cathode commune, les anodes sont reliées à des potentiels différents - Les diodes sont associées en anode commune, les cathodes sont reliées à des potentiels différents Règles de conduction : Dans un montage à cathodes communes, la seule diode qui se mettra à conduire est celle qui dispose du potentiel d’anode le plus élevé. Dans un montage à anodes communes, la seule diode qui se mettra à conduire est celle qui dispose du potentiel de cathode le plus faible. L’exemple ci-dessous montre un montage à cathode commune. D1 ie1 Ve1~ ie2 Ve2~ V√2 Vs D2 Ve1 Cas où Ve1 > Ve2 : La diode D1 est passante, ie1 = is ; Vs = Ve1 et ie2 = 0 is Ve2 Cas où Ve1 < Ve2 : La diode D2 est passante, ie2 = is ; Vs = Ve2 et ie1 = 0 t -V√2 -V√2 Is Is Vs V√2 D1 ie2 ie1 Is Is t t D1 t D2 D2 t D1 D2 2-Le montage parallèle double : Dans le montage précédent, deux sources de tensions étaient nécessaires pour obtenir une tension redressée double alternance. On peut, à partir d’une seule source de tension alternative obtenir le même résultat en utilisant le convertisseur suivant : 2-1 Structure du convertisseur : Ie Ie D1 D4 Ve~ Ve Is Lycée Jules Ferry AC DC Vs Ve(t) = V√2 sin (ωet) Is > 0, conduction continue Vs D2 Is D3 Page 2 sur 6 TSI1 CS Conversion statique d’énergie cours CS-3 La source de tension est alternative, la source de courant est continue. redressement Définition : Le convertisseur fonctionne en conduction continue si le courant reste strictement positif. Si le courant devient nul, le convertisseur fonctionnera alors en conduction discontinue 2-3 Fonctionnement : D1 D1 D4 Ie Is Ve~ D4 Ie Ve~ Is Vs Vs Vs D3 D2 D2 Lors de l’alternance positive de Ve, les diodes D1 et D3 conduisent. D3 Lors de l’alternance négative de Ve, les diodes D2 et D4 conduisent. En considérant la source de courant parfaite, l’allure du courant et la tension en entrée et en sortie prend la forme suivante : Ve V√2 Vs V√2 t t -V√2 Ie -V√2 Te = 2π/ω Ts Te = 2π/ω Is Is Is t t -Is Te = 2π/ω Expression de la valeur moyenne de la tension en sortie du convertisseur : De 0 à Ts Vs = V√2.sin(ωet) 1 𝑇𝑠 d’où < 𝑉𝑆 > = 𝑇 ∫0 V√2. sin(ωe t)dt soit 𝑆 < 𝑽𝒔(𝒕) > = 𝟐𝑽√𝟐 𝝅 2-4 Expression des puissances : Ie Ve Puissance de sortie : Le courant est considéré constant et égal à Is, alors : Is 𝑷𝒔 = AC DC Lycée Jules Ferry Vs 𝟐𝑽√𝟐 ∗ 𝑰𝒔 𝝅 Puissance d’entrée : La tension est considérée parfaitement sinusoïdale : 𝑷𝒆 = 𝑽 ∗ 𝑰𝒔 Page 3 sur 6 TSI1 CS Conversion statique d’énergie cours CS-3 redressement On en déduit donc le facteur de puissance du convertisseur comme étant le rapport de P sur S avec S = V*Is (Is correspond à la valeur efficace de ie(t)). 𝑭𝒑 = 𝑷𝒆 𝑺 = 𝑷𝒔 𝑺 = 𝟐√𝟐 𝝅 = 𝟎, 𝟗 La tension de sortie Vs ne peut-être que positive, le courant l’étant aussi, on peut constater que le convertisseur ne présente pas de réversibilité en tension ou en courant. Il ne fonctionne donc que sur un quadrant. 2-5 Choix des diodes : Les diodes qui composent le convertisseur sont soumises à des courants positifs et des tensions inverses qui ont été relevé cidessous : Le courant qui traverse la diode peut donc se mettre sous la forme suivante : 𝟏 𝑻 𝑰𝒔 𝑰𝑫𝒆𝒇𝒇 = √ ∫ 𝒊𝟐𝑫𝟏 (𝒕)𝒅𝒕 = 𝑻 𝟎 √𝟐 𝑰𝒔 < 𝐼𝑫 > = < 𝑰𝑭𝑨𝑽 𝟐 𝑰𝑫𝒎𝒂𝒙 = 𝑰𝒔 A l’état bloqué, la diode est soumise à une tension inverse telle que : 𝑽𝑫𝒎𝒂𝒙 = 𝑽√𝟐 Le choix du composant se fera à partir des valeurs précédemment calculées. Les constructeurs donnent les indications suivantes : ID : courant direct efficace dans la diode doit être supérieur au courant IDeff calculé IFAV : ForwardAVerage : courant direct moyen qui doit être supérieur à <ID> calculé IFSM : Forward Surge Max : courant impulsionnel maximum qui doit être supérieur à IDmax VRRM : Rear Repetitive Max : tension inverse maximale supérieure à VDmax Lycée Jules Ferry Page 4 sur 6 TSI1 CS Conversion statique d’énergie cours CS-3 3- Refroidissement des semi-conducteurs : redressement 3-1 Pertes par conduction : En réalité, la diode n’étant pas un composant parfait, on peut l’assimiler a l’état passant à un modèle équivalent simplifié composé d’une source de tension VFen série avec une résistance dynamique notée rT. VF iK IK VK rT VT0 Schéma équivalent de la diode à l’état passant La diode dissipedonc de l’énergie lorsqu’elle est en conduction. On peut définir à partir du modèle équivalent déterminéles pertes par conduction de la diode : 𝑷𝑫 = 𝑽𝑻𝟎 ∗ 𝑰𝑭𝑨𝑽 + 𝒓𝑻 ∗ 𝑰𝑫 ² = 𝑽𝑭 ∗ 𝑰𝑭𝑨𝑽 Ces pertes sont dissipées par effet Joule (Energie thermique) qui va provoquer une élévation de la température du composant. La température θJ des jonctions des interrupteurs statiques est limitée à θJmax(donnée intrinsèque au composant fournie par le constructeur). Si θJ>θJmax, il y a destruction du composant. Il faut donc évacuer la puissance perdue par effet Joule. => Dissipateur thermique (appelé aussi radiateur) 3-2 Dissipateur thermique : Les dissipateurs par conduction naturelle sont de simples radiateurs constitués d’ailettes permettant d’augmenter la surface d’échange thermique entre le matériau et l’air. Les dissipateurs peuvent-être à refroidissement forcé par ventilation ou circulation d’un fluide caloporteur Lycée Jules Ferry Page 5 sur 6 TSI1 CS Conversion statique d’énergie Modèle équivalent thermique : cours CS-3 redressement Les pertes générées par la diode doivent être évacuées par conduction entre la puce et le boitier, puis entre le boitier et le radiateur, et enfin par convection entre le radiateur et l’air ambiant : On peut en déduire un schéma équivalent thermique ci-dessous qui répond, en faisant une analogie, aux mêmes règles qu’un schéma électrique : - Les pertes PD sont assimilables à une source de courant - Les résistances thermiques sont assimilables à des résistances électriques - Les différences de températures s’apparentent à des différences de potentiels θj-θamb θj jonction θb PD RthJB θd RthBD θamb RthDA Air ambiant boitier dissipateur En appliquant la loi d’ohm : θj - θamb = ΣRth*PD On peut donc dimensionner le dissipateur thermique en calculant sa résistance thermique : 𝑹𝒕𝒉𝑫𝑨 = 𝛉𝐣 − 𝛉𝐚𝐦𝐛 − 𝑷𝑫 𝑹𝒕𝒉𝑱𝑩 − 𝑹𝒕𝒉𝑩𝑫 Si on veut améliorer le refroidissement, il faut favoriser l’évacuation de la chaleur en diminuantla résistance thermique du dissipateurce qui revient à augmenter sa taille. Ex : si on veut une résistance RthDA=2°C/W Il faudra un dissipateur de 50mm de longueur Lycée Jules Ferry Page 6 sur 6 TSI1