electronique industrielle resume table des matieres

ELECTRONIQUE INDUSTRIELLE
RESUME
L'électronique analogique date du début du siècle avec, comme premier composant
actif, le tube. Recherche fondamentale et évolution des technologies ont fait apparaître
les transistors dans les années 50, les circuits intégrés de « petit intégration » dans
les années 60 et de « grande intégration» dans les années 70.
Depuis plus d'une décennie, l'électronique numérique a « écrasé» l'électronique
analogique avec l'avènement du microprocesseur et de l'informatique industrielle.
Cependant, l'électronique analogique est toujours d'actualité, et l'industrie réclame des
t ec hnic iens connaissant cette discipline. Aussi la collection Electronique
analogique a pour objectif de sensibiliser les étudiants de première formation, de
formation permanente ainsi que les professeurs et les techniciens de l'industrie.
Chaque tome de la collection traite un sujet bien défini tel que l'électronique
industrielle, la boucle à verrouillage de phase, l'amplification en tension et puissance,
l'amplificateur opérationnel, les alimentations linéaires et à découpage, les filtres
électriques, les horloges et oscillateurs...
Des livres d'exercices et de manipulations «dirigées» compléteront la collection. Dans ces ouvrages, l'accent est mis, sur l'application.
Chaque thème est présenté qualitativement d'abord et quantitativement. ensuite. Les composants sont soit idéalisés, soit étudiés à
partir de caractéristiques réelles. Les nombreux schémas d'application constituent un atout pédagogique exceptionnel.
TABLE DES MATIERES
Chapitre 1. Généralités
1
1.1.
1.2.
1.3.
1
2
3
3
4
4
5
5
1.4.
Philosophie de l'électronique industrielle
Les fonctions de puissance
Les domaines d'application
1.3.1. Redresseurs et onduleurs assistés
1.3.2. Hacheurs
1.3.3. Onduleurs autonomes
1.3.4. Gradateurs et cycIoconvertisseurs
Principe de contrôle
Chapitre 2. Electromagnétisme
7
2.1.
Relations fondamentales
7
2.2.
Induction magnétique, propriétés magnétiques du courant
2.2.1. Aimentation naturelle
2.2.2. Circuits électriques parcourus par un courant
2.2.3. Définitions
2.2.4. Loi de Biot et Savart
2.2.5. Applications
2.2.6. Exercices
Flux d'induction magne tique
2.3.1. Relations
2.3.2. Exercices
7
7
8
9
9
10
11
13
13
14
Force d'induction ou force de Laplace
16
2.4.1.
Action mécanique d'un champ sur un courant
16
2.4.1.1. Relations
2.4.1.2. Cas de deux conducteurs parallèles
2.4.1.3. Travail de la force électromagnétique
2.4.1.4. Exercices
Action mécanique d'un champ sur circuit ferme
2.4.2.1. Règle du flux maximum
2.4.2.2. Action d'un champ sur un cadre
16
17
18
19
20
20
20
2.3.
2.4.
2.4.2.
2.4.2.2. Action d'un champ sur un cadre
20
2.5.
Induction électromagnétique
2.5.1. Lois fondamentales
2.5.2. Application pour un circuit
2.5.3. Application pour un conducteur
2.5.4. Exercices
21
21
22
23
23
2.6.
Auto-induction
2.6.1. Expérience
2.6.2. Définition de l'inductance
2.6.3. Etablissement du courant dans une inductance
2.6.4. Inductance d'un solénoïde
2.6.5. Energie emmagasinée dans une inductance
2.6.6. Inductance mutuelle dans l'air
2.6.7. Associations d'inductances
2.6.7.1. Sans mutuelle
2.6.7.2. Avec mutuelle
2.6.8. Exercices
25
25
25
26
26
27
28
29
29
29
30
Chapitre 3. Ferromagnétisme
35
3.1.
Circuit magnétique linéaire
3.1.1. Rappel d'électromagnétisme
3.1.2. Circuit homogène de section constante et non saturé
3.1.3. Problèmes physiques de l'entrefer
3.1.4. Disposition de l'enroulement excitateur
3.1.5. Association série de tronçons magnétiques
3.1.6. Circuits magnétiques, non bobinés
3.1.7. Exercices
35
35
36
37
37
38
39
40
3.2.
Circuit magnétique saturable
3.2.1. Courbes d'aimantation typiques
3.2.2. Phénomène d'hystérésis
3.2.3. Pertes dans un circuit magnétique
3.2.4. Aimants permanents
3.2.5. Caractéristiques magnétiques de certains matériaux
3.2.5.1. Courbes de magnétisme des fontes et aciers massifs utilisés dans
la construction des machines électri​ques
3.2.5.2. Courbes de magnétisme pour les tôles fer-silicium utilisées dans la
construction des machines électri​ques
40
40
40
41
42
43
43
43
Chapitre 4. Grandeurs périodiques
45
4.1.
Définitions
4.1.1. Grandeur périodique
4.1.2. Valeur moyenne
4.1.3. Valeur efficace
4.1.4. Grandeurs sinusoïdales
4.1.5. Puissance reçue par un circuit
4.1.6. Rappel mathématique
4.1.7. Exercices
45
45
45
45
46
46
47
47
4.2.
Représentation des grandeurs sinusoïdales
4.2.1. Représentation de Fresnel
4.2.1.1. Représentation vectorielle (courant-tension) d'élé​ments simples
4.2.1.2. Association d'éléments en série
4.2.1.3. Association d'éléments en parallèle
4.2.2. Exercices appliqués à la représentation de Fresnel
4.2.3. Représentation imaginaire
53
53
53
55
56
56
58
4.2.3.1. Rappel mathématique
4.2.3.2. Relations usuelles
58
59
4.2.3.3. Application à l'électricité
Exercices appliqués aux imaginaires
60
61
Réseaux monophasé et triphasé
4.3.1. Réseau monophasé
4.3.1.1. Représentation temporelle
4.3.1.2. Représentation de Fresnel
4.3.1.3. Puissances
4.3.1.4. Relèvement du facteur de puissance
4.3.2. Réseau triphasé
4.3.2.1. Représentation temporelle
4.3.2.2. Représentation de Fresnel
4.3.2.3. Montages étoile et triangle
4.3.2.4. Puissance en triphasé équilibré
4.3.3. Réseau diphasé
63
64
64
64
65
65
65
66
66
67
68
69
4.2.4.
4.3.
4.3.3.
4.3.4.
Réseau diphasé
Exercices
69
69
Chapitre 5. Machines électriques industrielles
75
5.1.
Transformateur
5.1.1. Circuit magnétique en alternatif et f.é.m. induite
5.1.2. Transformateur d’alimentation
5.1.2.1. Transformateur parfait à vide
5.1.2.2. Transformateur parfait en charge
5.1.2.3. Transformateur réel
5.1.2.4. Détermination des éléments d’un transformateur d’alimentation faible
puissance
5.1.3. Transformateurs spéciaux
5.1.4. Transformateurs en électronique basse fréquence
5.1.5. Exercices
75
75
77
77
78
79
5.2.
Eléments de mécanique
5.2.1. Couple ou moment d'une force
5.2.2. Puissance transmise en rotation
5.2.3. Couples résistants
5.2.4. Ensemble moteur + charge
85
85
85
85
86
5.3.
Machines à courant continu
5.3.1. Génératrice à courant continu
5.3.1.1. Principe
5.3.1.2. Force électromotrice E
5.3.1.3. Caractéristiques électriques
5.3.2. Moteur à courant continu
5.3.2.1. Principe
5.3.2.2. Relations fondamentales
5.3.2.3. Caractéristiques des moteurs
5.3.2.4. Comparaison des caractéristiques des moteurs à courant continu
5.3.2.5. Exercices
88
88
88
90
92
93
93
94
96
98
98
5.4.
Machines synchrones
5.4.1. Principe de l'alternateur monophasé
5.4.2. Moteur synchrone
5.4.2.1. Champ tournant
5.4.2.2. Principe du moteur synchrone
5.4.2.3. Couple moteur
5.4.3. Compensateur synchrone
Machines asynchrones
5.5.1. Principe
5.5.2. Moteur asynchrone triphasé
5.5.2.1. Constitution
5.5.2.2. Puissance et couple
5.5.3. Moteur asynchrone monophasé
5.5.4. Moteur asynchrone synchronisé
5.5.5. Génératrice asynchrone
5.5.6. Exercice
100
100
101
101
102
103
103
104
104
105
105
105
108
109
109
109
Moteur monophasé à collecteur
5.6.1. Fonctionnement du moteur continu série en alternatif
110
110
5.6.2.
5.6.3.
111
112
5.5.
5.6.
5.7.
Caractéristiques du moteur universel
Avantages et inconvénients du moteur universel
Tableau de comparaison des moteurs
80
81
82
83
112
Chapitre 6. Machines électriques d'asservissement et de robotique
113
6.1.
113
113
113
114
114
115
115
115
116
118
119
119
120
120
122
Moteurs à courant continu
6.1.1. Technologie actuelle
6.1.1.1. Matériaux à aimants permanents
6.1.1.2. Avantages apportés par les aimants
6.1.1.3. Domaines d'applications des moteurs à aimants permanents
6.1.1.4. Phénomène de démagnétisation
6.1.2. Caractéristiques électromécaniques
6.1.2.1. Equations fondamentales
6.1.2.2. Caractéristiques couple-vitesse
6.1.2.3. Fonction de transfert et constante de temps
6.1.2.4. Machines homothétiques
6.1.2.5. Caractéristiques vitesse-temps
6.1.3. Types de moteurs à courant continu
6.1.3.1. Moteur à rotor bobiné avec fer
6.1.3.2. Moteur à rotor bobiné sans fer
6.1.3.2. Moteur à rotor bobiné sans fer
6.1.3.3. Moteur à rotor de faible diamètre et grande lon​gueur
6.1.3.4. Moteur à rotor a grand diamètre
6.1.3.5. Moteur à rotor discoïdal ou induit plat
Caractéristiques industrielles
Exemple de caractéristiques
122
122
123
124
124
125
6.2.
La machine synchrone autopilotée
6.2.1. Limitations technologiques de la machine à courant continu
6.2.2. Remplacement de la machine à courant continu
6.2.3. Principe de la machine synchrone autopilotée
6.2.4. Alimentation de la machine synchrone
125
125
125
127
127
6.3.
Moteurs
6.3.1.
6.3.2.
6.3.3.
6.3.4.
128
129
129
130
130
6.4.
Moteurs pas à pas
6.4.1. Présentation
6.4.2. Systèmes reluctants
6.4.2.1. Systèmes reluctants non polarisés à bobine excita​t rice
6.4.2.2. Systèmes reluctants polarisés
6.4.3. Types de moteurs pas à pas
6.4.3.1. Moteurs reluctants
6.4.3.2. Moteurs à aimant permanent
6.4.3.3. Moteurs hybrides ou reluctants polarisés
6.4.4. Caractéristiques des moteurs pas à pas
6.4.4.1. Comparaisons fondamentales
6.4.4.2. Définitions et terminologie
6.4.4.3. Caractéristiques communes
6.4.4.4. Phénomène d'oscillation
6.4.4.5. Paramètres de calculs et symbolisation
6.4.5. Moteurs pas à pas à reluctance variable
6.4.5.1. Moteur simple circuit
6.4.5.2. Moteur à trois circuits magnétiques distincts
6.4.6. Moteurs pas à pas à aimants permanents
6.4.6.1. Principe de fonctionnement et définitions
6.4.6.2. Couples
6.4.6.3. Réalisation
6.4.7. Moteurs pas à pas hybrides
6.4.8. Caractéristiques des moteurs
6.1.4.
6.1.5.
à courant alternatif
Moteur diphasé
Moteur à bobine écran
Moteur synchronisé
Moteur à hystérésis
6.4.9.
Moteurs pas à pas linéaires
6.4.9.1. Dispositions relatives
6.4.9.2. Moteur linéaire à aimant permanent
6.4.10. Moteurs pas à pas monophasés
6.4.10.1.
6.4.10.2.
6.4.10.3.
6.4.10.4.
Moteur à pôles ou dents asymétriques
Moteur à aimants auxiliaires
Moteur à spires en court-circuit
Exemples pratiques
131
131
132
132
133
134
135
135
136
136
136
137
137
139
139
140
140
141
143
143
143
144
149
152
152
152
153
154
154
154
155
155
6.5.
Le stéréomoteur
155
6.6.
L’évolution du moteur de faible puissance
157
Chapitre 7. Les composants de l’électronique de puissance
161
7.1.
Diodes de redressement et diodes rapides
7.1.1. Présentation
7.1.2. Eléments parasites d’une diode
7.1.2.1. Diode bloquée, polarisée en inverse
7.1.2.2. Diode polarisée en direct
7.1.3. Diode en commutation
7.1.4. Conclusion
7.1.5. Caractéristiques de diodes
161
161
162
162
163
163
165
165
7.2.
Transistors bipolaires de puissance
7.2.1. Caractéristiques et limitations
7.2.1.1. Rappel
7.2.1.2. Commutation
7.2.1.3. Limitations technologiques
7.2.2. Technologie de fabrication
7.2.2.1. Technologie homobase
7.2.2.2. Technologie a base épitaxiée
7.2.2.3. Technologie triple diffusée
170
170
170
170
172
175
175
176
176
7.2.3.
7.2.4.
7.2.5.
7.2.6.
7.2.2.3. Technologie triple diffusée
7.2.2.4. Technologie multi-émetteur (planar épitaxiée)
Aire de sécurité et aide à la commutation
7.2.3.1. Pertes dues à la commutation
7.2.3.2. Exemple de mauvaise commutation
7.2.3.3. Réseau d’aide à la commutation
Commande des transistors de puissance
7.2.4.1. Importance de la commande
7.2.4.2. Exemple de circuits de commande
Association des transistors
7.2.5.1. Mise en parallèle
7.2.5.2. Mise en série
Exemple de caractéristiques
176
177
177
177
178
179
179
179
179
181
181
184
184
7.3.
Transistors Darlington de puissance
189
7.4.
Transistors à effet de champ de puissance
7.4.1. Présentation et caractéristiques
7.4.2. Technologie
7.4.3. Transistor MOS en commutation
7.4.4. Aire de sécurité
7.4.5. Fonctionnement en parallèle
7.4.6. Commande des transistors
7.4.7. Applications des transistors MOS de puissance
7.4.8. Transistors de puissance MOS + bipolaire
7.4.9. Exemple de caractéristiques
192
192
193
193
193
194
194
195
195
196
7.5.
Thyristors
7.5.1. Présentation
7.5.2. Caractéristiques
7.5.3. Protection des thyristors
7.5.3.1. Contre les surtensions
7.5.3.2. Contre les dv/dt
7.5.3.3. Contre les surintensités
7.5.3.4. Contre les di/dt à l’amorçage
196
196
199
200
200
201
201
201
7.5.4.
Association des thyristors
7.5.4.1. Association série
7.5.4.2. Association parallèle
Thyristors a blocage: GTO
Conditions de bon fonctionnement d’un thyristor
201
201
202
202
202
7.5.6.1. Amorçage
7.5.6.2. Maintien
7.5.6.3. Blocage
Quelques circuits d'amorçage
7.5.7.1. Par transistor unijonction (UJT)
7.5.7.2. Par transformateur d’impulsions
Quelques circuits de blocage
7.5.8.1. Blocage par condensateur et thyristor secondaire
7.5.8.2. Blocage par circuit LC
7.5.8.3. Blocage par circuit LC commandé
7.5.8.4. Blocage par impulsions secondaires
Exemple de caractéristiques
202
203
203
203
203
204
205
205
206
206
206
207
Caractéristiques courant-tension
Types d'amorçages
Circuits d'amorçage
7.6.3.1. Pardiac
7.6.3.2. Par transformateur d'impulsions
7.6.3.3. Par circuit intégré
Parasites
Quelques caractéristiques de diac et triac
207
207
210
210
210
211
211
211
211
7.5.5.
7.5.6.
7.5.7.
7.5.8.
7.5.9.
7.6.
Triac
7.6.1.
7.6.2.
7.6.3.
7.6.4.
7.6.5.
7.7.
Tableau comparatif des caractéristiques des composants discrets
7.8.
Circuits intégrés pour moteurs à courant continu
215
216
Chapitre 8. Comportement des condensateurs, inductances et transformateurs en régime
impulsionnel
219
8.1.
Lois générales
8.1.1. Condensateur
8.1.2. Inductance
219
219
219
8.2.
Charge et décharge d'un condensateur
220
8.2.
Charge et décharge d'un condensateur
8.2.1. Charge et décharge au travers une résistance
8.2.2. Charge d'un condensateur à courant constant
220
220
221
8.3.
Inductance en régime impulsionneI
8.3.1. Réseau RL
8.3.2. Inductance pure
222
222
223
8.4.
Transformateur non saturé en régime impulsionnel
8.4.1. Transformateur à vide
8.4.2. Transformateur avec charge résistive
Exercices d'application
224
224
225
226
8.5.
Chapitre 9. Convertisseurs alternatif-continu
237
9.1.
Généralités
9.1.1. Réversibilité
9.1.2. Définitions
9.1.3. Conduction de deux diodes à électrodes communes
9.1.4. Conduction de deux thyristors à électrodes communes
237
237
237
238
238
9.2.
Redressement monoalternance sur charge quelconque
9.2.1. Circuit de base
9.2.2. Charge resistive R
9.2.3. Charge inductive RL
9.2.4. Charge avec force électromotrice RE
9.2.5. Charge complète RLE
9.2.6. Résumé des formes d'ondes en redressement monophasé
9.2.7. Charges inductives RL avec une diode de roue libre
9.2.8. Inconvénients du redressement monoalternance
239
239
239
241
244
246
247
248
248
9.3.
Redressement double alternance sur charge quelconque
9.3.1. Charge résistive R
249
249
9.3.2.
9.3.3.
251
252
Charge inductive RL
Charge complète RLE avec thyristor
9.4.
Principe de l'onduleur monophasé
253
9.5.
Redressement triphasé
9.5.1. Redressement non commande à diodes
9.5.1.1. Redressement triphasé simple alternance
9.5.1.2. Redressement triphasé double alternance, à point milieu
9.5.1.3. Redressement triphasé double alternance, à pont de Graetz
9.5.2. Redressement commande à thyristors
256
256
256
258
259
261
Chapitre 10. Convertisseurs continu-continu
263
10.1.
Généralités
10.1.1. Problème du rendement sur charge résistive
10.1.2. Charge inductive L ou RL
10.1.2.1. Inductance parfaite
10.1.2.2. Inductance résistive
10.1.3. Charge complète RLE'
263
263
264
264
265
266
10.2.
Considérations technologiques
10.2.1. Influence de la fréquence sur les éléments du hacheur
10.2.2. Influence de la fréquence sur l'ondulation
10.2.3. Influence de la fréquence sur la source continue
10.2.4. Réglage de la fréquence de travail
267
267
268
268
269
10.3.
Moteurs à courant continu alimentés par hacheurs
10.3.1. Fonctionnement en moteur: hacheur dévolteur
10.3.2. Fonctionnement en freinage et récupération: hacheur survolteur
10.3.3. Schémas d'applications
10.3.3.1. Un sens de rotation sans freinage
10.3.3.2. Un sens de rotation avec freinage par récupéra​t ion
10.3.3.3. Deux sens de rotation sans récupération
10.3.3.4. Fonctionnement du moteur pour deux sens de rotation avec
récupération
10.3.4. Cas particulier
10.3.5. Hacheurs à thyristor
269
270
271
272
272
272
273
Les alimentations à découpage
10.4.1. Généralités
10.4.1.1. Intérêt
10.4.1.2. Classification
10.4.1.3. Fonctionnement
277
277
277
277
277
10.4.
273
274
275
10.5.
10.4.1.3. Fonctionnement
10.4.2. Alimentations non isolées de la source
10.4.2.1. Abaisseur de tension
10.4.2.2. Elévateur de tension
10.4.2.3. Inverseur de polarité
10.4.3. Alimentations isolées de la source
10.4.3.1. Alimentation par échange d'énergie (type fly​back)
10.4.3.2. Alimentation par effet transformateur (type for​ward)
10.4.3.3. Alimentation push-pull
277
278
278
279
281
282
282
284
284
Cas des alimentations auto-oscillatrices
287
Chapitre 11. Convertisseurs continu-alternatif
289
11.1
Généralités
11.1.1. Utilisation
11.1.1.1. Groupes de secours
11.1.1.2. Alimentation alternative faible puissance
11.1.1.3. Alimentation des moteurs asynchrones
11.1.2. Configurations utilisées
11.1.2.1. Onduleur série
11.1.2.2. Onduleur en pont (ou en H)
11.1.2.3. Onduleur parallèle a transformateur
11.1.2.4. Onduleur à résonnance
11.1.3. Formes d'ondes
289
289
289
290
290
291
291
292
292
293
293
11.2.
Schémas à transistors et thyristors
11.2.1. Onduleur série
11.2.1.1. Formes d'ondes (mutateurs)
11.2.1.2. Schémas de principe
11.2.2. Onduleur en pont (en H)
11.2.2.1. A transistors
11.2.2.2. A thyristors
11.2.3. Onduleurs parallèles
11.2.3.1. A transistors
11.2.3.2. A thyristors
295
295
295
296
297
297
298
299
299
300
11.3.
Diminution du taux d'harmoniques
11.3.1. Ondes en créneaux
11.3.2. Ondes en MU ou PWM
11.3.2.1. PWM unipolaire
11.3.2.2. PWM bipolaire
11.3.2.3. Principe de commande
11.3.3. Filtres pour onduleurs
11.3.3.1. Filtres LC
11.3.3.2. Filtres série-parallèle
11.3.3.3. Stabilisateur à inductance saturable
300
301
302
302
302
302
303
303
305
305
11.4.
Onduleurs à résonnance
11.4.1. Circuit RLC
11.4.1.1. Régime sinusoïdal
11.4.1.2. Régime impulsionnel (signaux carres)
11.4.2. Réalisations pratiques (à thyristors)
306
306
306
307
307
11.5.
Onduleurs triphasés
308
Chapitre 12. Convertisseurs alternatif-alternatif
311
12.1.
12.2.
Composants utilisés
12.1.1. Triac
12.1.2. Thyristors tête-bêche
12.1.3. Thyristors à cathode commune
12.1.4. Thyristors tête-bêche isolés
Interrupteurs statiques
311
311
311
312
312
312
12.3.
Gradateurs
313
12.4.
Régulateurs de tension
314
12.5.
Cycloconvertisseur
12.5.1. Entrée monophasée, sortie monophasée
12.5.2. Entrée triphasée, sortie monophasée
12.5.3. Entrée triphasée, sortie triphasée
316
316
316
318
Chapitre 13. Réalisations et applications industrielles
319
13.1.
Commande des transistors bipolaires de puissance
13.1.1. Schémas de base
13.1.2. Quelques applications
319
319
323
13.2.
Commande de transistors MOS de puissance
323
13.3.
Commande de thyristors
327
13.4.
Commande de thyristors GTO (gale turn-off)
329
13.5.
Commande des moteurs pas à pas
13.5.1. Documents divers
13.5.2. Document RTC
13.5.3. Document Thomson
13.5.4. Document IUT de Cachan
13.5.5. Commande par électronique microprogrammée
330
332
333
336
336
338
13.6.
Commande des moteurs à courant continu par hacheurs
338
13.7.
Exemple d’alimentation à découpage
346
13.8.
Exemples de régulation
13.8.1. Régulation de la tension d’une génératrice à courant continu
13.8.2. Régulation de température de four
348
348
348
13.9.
Onduleurs
349
Bibliographie
TOP
357