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convertisseurs

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Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Synthèse des
convertisseurs statiques
Sébastien
GERGADIER
Lycée Richelieu
TSI 1
Sébastien GERGADIER
Lycée Richelieu
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Objectifs de la synthèse
Pe
pertes
Ps
CVS
Composants jouant le rôle
d’interrupteurs
électroniques
Objectifs de la synthèse des convertisseurs statiques d’énergie :
- Déterminer la structure du convertisseur statique
Sébastien
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TSI 1
- Déterminer les caractéristiques des interrupteurs.
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
NATURE DES SOURCES
NATURE DES SOURCES :
- Sources de tension ou courant continu;
- Sources de tension ou courant alternatif.
Source
d’entrée
CVS
Source de
sortie
REVERSIBILITE DES SOURCES :
- Une source est dite réversible si la puissance fournie peut être
négative.
positive ou
Exemple de réversibilité d’une source :
Sébastien
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TSI 1
Batterie d’accumulateur : générateur en décharge et récepteur en charge
Machine à courant continu : récepteur en fonctionnement normal et générateur en
mode freinage.
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Nature des sources
REVERSIBILITE DES CONVERTISSEURS STATIQUES :
- Un convertisseur statique est dit réversible si le transfert de
peut se réaliser dans les 2 sens.
Source
d’entrée
CVS
Sens de transfert de puissance
Sébastien
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TSI 1
Source de
sortie
puissance
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Structures des convertisseurs
La structure des convertisseurs dépend de :
- La nature des sources d’entrée et de sortie (tension ou courant);
- Le type de sources d’entrée et de sortie (polyphasé).
On parle alors de :
- convertisseurs statiques directs;
Tension → Courant ou Courant → Tension
- convertisseurs statiques indirects
Tension → Tension ou Courant → Courant
Sébastien
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TSI 1
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Convertisseurs directs
Convertisseur statique DIRECT Tension / Courant :
Possibilité d’interconnexion de ces sources :
K1=K4=1
K2=K3=1
P=Ve.Is
P= -Ve.Is
K1=K3=1 ou
K2=K4=1
P=0
Structure du convertisseur direct tension courant :
Sébastien
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TSI 1
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Convertisseurs directs
Convertisseur statique DIRECT Courant / Tension :
Possibilité d’interconnexion de ces sources :
K1=K4=1
K2=K3=1
P=Ve.Is
P= -Ve.Is
K1=K2=1 ou
K3=K4=1
P=0
Structure du convertisseur direct Courant Tension :
Sébastien
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TSI 1
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Convertisseurs indirects
Convertisseurs statiques INDIRECT
3 solutions envisageables :
- En modifiant la nature des sources et utilisant des
convertisseurs statiques DIRECT;
- Par utilisation d’un étage tampon;
- En utilisant des convertisseurs statiques INDIRECT.
Pour la première solution, il faut utiliser un composant supplémentaire qui ne
dissipe pas de puissance active.
Soit donc, des inductances ou des condensateurs.
Leur rôle est de modifier la nature des sources d’entrée ou de sortie.
Il est donc possible d’utiliser les structures des convertisseurs statiques
DIRECT.
Sébastien
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TSI 1
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Convertisseurs indirects
SOURCE DE TENSION VS SOURCE DE COURANT
L
i
uL=L.di/dt=E-v
v
E
di/dt=(E-v)/L
Si L grand alors :
di/dt=0 soit i = constante
i
I
iC
dv/dt=(I-i)/C
v
C
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TSI 1
iC=C.dv/dt=I-i
Si C grand alors :
dv/dt=0 soit v= constante
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Convertisseurs indirects
Convertisseur statique INDIRECT par modification de la nature des sources
Structure du CVS indirect Tension / Tension
Structure du CVS indirect Courant / Courant
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TSI 1
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Convertisseurs indirects
Pour la seconde solution, il faut aussi utiliser un composant supplémentaire
qui ne dissipe pas de puissance active.
Leur rôle est de créer un étage tampon.
On utilisera alors 2 convertisseurs statiques DIRECT.
Sébastien
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TSI 1
TRES PEU UTILISE, EN RAISON DU RENDEMENT
FAIBLE, ET DU NOMBRE DE COMPOSANTS.
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Convertisseurs indirects
Convertisseur statique INDIRECT
Pour la troisième solution, il faut aussi utiliser un composant supplémentaire
qui ne dissipe pas de puissance active.
Leur rôle est de créer un étage d’accumulation d’énergie.
On stockera de l’énergie électrique dans une inductance ou dans un
condensateur.
Après une phase de stockage de l’énergie électrique dans l’inductance ou le
condensateur, cette énergie sera fournie à la source de sortie.
Convertisseur statique INDIRECT TENSION / TENSION :
- Stockage dans une INDUCTANCE
Convertisseur statique INDIRECT COURANT / COURANT :
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TSI 1
- Stockage dans un CONDENSATEUR
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Convertisseurs indirects
Convertisseur statique INDIRECT Tension / Tension
Possibilité d’interconnexion de ces sources :
K5=1
K5=0
K5=0
K1=K2=K3=K4=0
K1=K4=1
K2=K3=1
Structure des CVS INDIRECT Tension / Tension :
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TSI 1
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Convertisseurs indirects
Convertisseur statique INDIRECT Courant / Courant
Possibilité d’interconnexion de ces sources :
K1=K2=K3=1
K5=K1=K4=1
K5=K2=K3=1
K4=K5=0
K2=K3=0
K1=K4=0
Structure des CVS INDIRECT Courant / Courant :
Sébastien
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Lycée Richelieu
TSI 1
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Etude des interrupteurs
Modèle et convention d’un interrupteur idéal
vK
iK
fermé
iK
Caractéristiques statiques IK(VK)
iK
vK
vK
On distingue les interrupteurs en fonction de leur
caractéristique statique IK(VK) :
- 2 segments;
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TSI 1
vK
iK
ouvert
- 3 segments;
- 4 segments.
0
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Etude des interrupteurs
Caractéristiques statiques IK(VK) à 2 segments :
vK
vK
iK
vK
vK
iK
iK
Transistor IGBT
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Lycée Richelieu
TSI 1
Uni directionnalité en tension et en courant.
Diodes
iK
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Etude des interrupteurs
Caractéristiques statiques IK(VK) à 3 segments :
Bidirectionnel en tension :
vK
vK
iK
iK
Thyristor
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TSI 1
Bidirectionnalité en tension.
Unidirectionnalité en courant.
iK
vK
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Etude des interrupteurs
Caractéristiques statiques IK(VK) à 3 segments :
Bidirectionnel en courant :
vK
vK
iK
iK
Transistor MOS
Sébastien
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TSI 1
Bidirectionnalité en courant.
Unidirectionnalité en tension.
vK
iK
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Etude des interrupteurs
Caractéristiques statiques IK(VK) à 4 segments :
Bidirectionnalité en courant et en tension.
vK
iK
Sébastien
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TSI 1
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Mode de commutations
Caractéristiques dynamiques
- Passage de l’état ouvert à
l’état fermé  amorçage
iK
W>0
W<0
vK
0
- Passage de l’état fermé à
l’état ouvert  blocage
Énergie pendant la commutation :
W
v
(
t
)
i
(
t
)
d
t
K
k
T
c
o
m
W>0
Sébastien
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TSI 1
W<0
W>0  Commutation commandée
W=0  Commutation naturelle
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Interrupteurs existants
iK
vK
iK
vK
iK
vK
0
0
IGBT
DIODE
Plus au
programme
iK
vK
iK
GERGADIER
Lycée Richelieu
TSI 1
THYRISTOR
iK
vK
vK
iK
vK
0
0
Sébastien
iK
vK
MOS
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Hacheur série
Vélo à assistance au pédalage
i>0
E
v>0
CVS
batterie
MCC
Structure
Choix des interrupteurs
iK2
iK1
K1
E
K2
Sébastien
GERGADIER
Commande des interrupteurs
K1
Lycée Richelieu
TSI 1
T
K2
T
vK2
vK1
I
0
0
v
IGBT
DIODE
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
Onduleur
Barrière
CVS
Tension
redressée filtrée
Structure
Commande des interrupteurs
Courant
alternatif
K1
K3
MAS
K1
K5
K2
K4
K5
E
K6
2/3
K2
K4
K6
i<
>0
iK
GERGADIER
Lycée Richelieu
TSI 1
0
K5
2
Choix des interrupteurs
vK
Sébastien
K4
K3
IGBT
+
DIODE
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
METHODE DE SYNTHESE
Etape 1 : Identifier la nature des sources d’entrée et de sortie. En déduire la
structure de base du convertisseur statique.
Etape 2 : Déduire du cahier des charges les réversibilités en tension et en
courant des sources d’entrée et de sortie.
Etape 3 : Identifier sur la structure de base, les séquences de fonctionnement
nécessaires, compte tenu des réversibilités souhaitées et des contrôles
d’énergie souhaitée. Effectuer les simplifications si nécessaire. En déduire le
montage de base du convertisseur statique.
Etape 4 : Pour les différentes séquences déterminées à l’étape 3, observer le
sens du courant dans les interrupteurs passants, et le signe de la tension à
leurs bornes lorsque ceux-ci sont bloqués. En déduire la caractéristique
iK=f(vK) de chaque interrupteur.
Etape 5 : Déduire d’une étude approfondie du cahier des charges,
l’enchaînement des séquences déterminées à l’étape 3 afin d’obtenir les
formes d’ondes des signaux de sortie désirées. En déduire le type de
commutation dynamique. (commandée ou spontanée)
Sébastien
GERGADIER
Lycée Richelieu
TSI 1
Etape 6 : Connaissant les caractéristiques statiques et dynamiques des
interrupteurs, on peut déterminer les types d’interrupteurs à utiliser.
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
EXEMPLE DE SYNTHESE
CAHIER DES CHARGES :
On désire alimenter à partir d’une batterie d’accumulateurs, une
machine à courant continu fonctionnant en moteur sans aucune
réversibilité. Ce moteur devra être alimenté sous tension variable, afin de
faire varier sa vitesse, pour cela, on utilisera un convertisseur statique.
Dans le but de faire varier la vitesse de rotation du moteur à courant
continu, la valeur moyenne de la tension de sortie devra être variable de 0
à E.
Umoteur
E
αT
Sébastien
GERGADIER
Lycée Richelieu
TSI 1
T
temps
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
EXEMPLE DE SYNTHESE
Étape 1 : Caractérisation des sources d’entrée – sortie
L’entrée est une source de tension continue (résistance interne négligée), et
la sortie est une source de courant continue(présence d’une inductance
(bobinage)).
Étape 2 : Réversibilité des sources d’entrée – sortie
L’entrée est une source de tension réversible en courant (I positif=décharge; I
négatif=recharge) et la sortie est une source de courant réversible en courant et
en tension.
Cependant, aucune réversibilité n’est nécessaire d’après le cahier des charges.
Étape 3 : Structure de base du CVS
Convertisseur statique direct tension / courant
E
Sébastien
GERGADIER
Lycée Richelieu
TSI 1
K1
K3
K2
K4
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
EXEMPLE DE SYNTHESE
Combinaisons possibles d’interconnexion des sources
Transfert de puissance
Phase de roue libre
Modification et simplification de la structure de base du CVS
K1
E
K2
Sébastien
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Lycée Richelieu
TSI 1
K4
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
EXEMPLE DE SYNTHESE
Étape 4 : Détermination des caractéristiques statiques des interrupteurs
K1
E
vK1
iK1
vK2
K2
I
E
K4
vK4
iK2
iK4
vK1
vK2
iK1
I
K2
iK2
vK4
K4
iK4
iK4
iK2
iK1
K1
vK2
vK1
Sébastien
GERGADIER
Lycée Richelieu
TSI 1
vK4
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
EXEMPLE DE SYNTHESE
Étape 5 : Détermination des caractéristiques dynamiques des interrupteurs
K1
E
vK1
iK1
vK2
K2
I
E
K4
vK4
iK2
vK1
vK2
iK4
K1
iK1
I
K2
vK4
iK2
K4
iK4
2)
1)
Enchaînement 1) 2) 1) 2) ..pour moduler le transfert de puissance, et donc la vitesse
iK2
iK1
iK4
1)
vK2
1)
1)
2)
2)
Sébastien
GERGADIER
Lycée Richelieu
TSI 1
vK1
2)
vK4
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
EXEMPLE DE SYNTHESE
Étape 6 : Détermination des interrupteurs
iK2
iK1
iK4
1)
vK2
1)
1)
2)
2)
vK4
vK1
2)
Interrupteur statique
à 2 segments
Interrupteur statique
à 2 segments
Amorçage et blocage
commandés
Amorçage et blocage
spontanés (naturels)
TRANSISTOR IGBT
Lycée Richelieu
TSI 1
vK2
vK1
Sébastien
GERGADIER
DIODES EN INVERSE
iK1
iK2
Interrupteur statique
à 1 segments
FIL
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
EXEMPLE DE SYNTHESE
Structure du convertisseur statique nécessaire
Sébastien
GERGADIER
Lycée Richelieu
TSI 1
Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie
CLASSIFICATION DES INTERRUPTEURS
Sébastien
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