energie electrique : distribution et conversion

S.T.S Informatique et Réseaux pour l’Industrie et les Services techniques
Physique appliquée : Réflexions pédagogiques.
Thème VIII
version du 27/02/03
Thème VIII. ENERGIE ELECTRIQUE : DISTRIBUTION ET CONVERSION.
VIII.1. Distribution électrique et sécurité.
Notions générales sur le transport et la distribution de l’énergie électrique ;
rôles d’un transformateur.
Sécurité : danger d'électrocution ; limites des domaines de tension ; régime de liaison à la terre.
VIII.2. Conversion électromécanique d’énergie.
Notions générales sur la conversion électromécanique.
Réversibilité de fonctionnement d’une machine électrique tournante.
Définitions : puissance absorbée par une machine électrique et puissance utile.
Moteurs pas à pas.
VIII.3. Conversion statique d’énergie.
Notions générales sur l’Electronique de puissance et sur le pilotage des machines électriques.
Conversion continu-alternatif et conversion continu-continu.
Définitions : puissance active ; puissance apparente ; facteur de puissance.
Notions sur la pollution électromagnétique.
Le thème VIII tient le plus grand compte de l'existence du double débouché de la filière tel qu’il est décrit par le
R.A.P (Référentiel des Activités Professionnelles) :
- dans le domaine de la commande de systèmes industriels (objet traditionnel de l’informatique industrielle),
le technicien supérieur intervient sur des procédés mettant en œuvre l'informatique, non seulement sous
l'angle de la gestion et du suivi, mais aussi, nécessairement, sous celui du pilotage des actionneurs
électromécaniques : il est donc susceptible d’être confronté, même indirectement, aux courants forts et aux
tensions élevées.
- dans le domaine des réseaux (qui est en pleine expansion) les matériels utilisés par le technicien supérieur
seront essentiellement des ordinateurs, des périphériques et leurs câbles de raccordement entre eux et au
réseau E.D.F. Ils sont alors susceptibles de rencontrer, par exemple : transformateur, moteurs pas à pas,
moteurs à courant continu à aimants permanents), alimentations…
Bien que n'étant pas un véritable électrotechnicien, le technicien supérieur I.R.I.S se doit pourtant de posséder un
minimum de culture électrotechnique afin d'être en mesure de dialoguer avec les spécialistes, dans le cadre d'un travail en
équipe, et cela dans les deux domaines possibles d’activités rappelés ci-dessus.
La partie électrotechnique du programme comporte les trois approches suivantes :
- une approche « Distribution électrique et sécurité » (VIII.1),
- une approche « Machines tournantes » (VIII.2),
- une approche « Signaux de puissance » (VIII.3).
Celles-ci sont volontairement très éloignées du style traditionnellement utilisé jusqu’à présent lors de la préparation au
baccalauréat génie électrotechnique, dont le programme peut être téléchargé à l’adresse : www.eduscol.education.fr/prog
Propositions didactiques :
Les prérequis sont issus des programmes des terminales scientifiques et technologiques. Tout en apportant des
connaissances et des compétences utiles au technicien supérieur de la spécialité I.R.I.S, l’approche retenue ne nécessite pas de
connaisssances ou de compétences que ne pourraient posséder des étudiants non issus de la filière de baccalauréat
technologique génie électrotechnique.
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VIII.1. Distribution électrique et sécurité.
Eléments d’analyse du programme :
Tout technicien supérieur travaillant dans un domaine où l’énergie électrique est mise en œuvre doit avoir un
minimum de connaissances sur la distribution de cette énergie (depuis la centrale électrique jusqu’à la prise de courant).
Dans son environnement quotidien, le technicien supérieur de la spécialité I.R.I.S est susceptible de rencontrer, autour
de l'ordinateur, des tensions appartenant aux différents domaines : par exemple, la T.B.T, pour l’alimentation des cartes, la
B.T A, pour la liaison de l'ordinateur au réseau de distribution et la H.T pour le canon à électrons des tubes cathodiques. Il doit
donc posséder un minimum de connaissances sur le risque électrique, faute de quoi, il lui sera impossible de comprendre, en
particulier, les principes scientifiques à la base des méthodes permettant d’améliorer la sécurité des personnes et la protection
des matériels : cette approche de l'électrotechnique permet d’acquérir et/ou de compléter des connaissances scientifiques. Ce
thème sera l'occasion d'introduire les notions de régime de liaison à la terre, de dégager les lois physiques qui interviennent
dans le fonctionnement des disjoncteurs différentiels et les phénomènes d'électrocution (intensités de courant permanentes
admissibles en fonction des situations). La prévention des risques électriques doit être un souci permanent et les consignes de
sécurité seront rappelées aussi souvent que possible durant les deux années de préparation au B.T.S. Tout cela se fera en
relation avec la préparation à l’habilitation électrique inscrite par ailleurs dans le programme des enseignements professionnels.
Il est conseillé de consulter le référentiel de préparation à l’habilitation électrique du B.T.S I.R.I.S.
Elément documentaire n°1 : Tableau des différents domaines de tensions.
Tension nominale UN en volts
DOMAINES DE TENSION
En courant alternatif
T.B.T.
(Très Basse Tension)
B.T.
(Basse Tension)
En courant continu
UN < 50
UN < 120
B.T.A.
50 < UN < 500
120 < UN < 750
B.T.B.
500 < UN < 1000
750 < UN < 1500
UN > 1000
UN > 1500
H.T.
(Haute Tension)
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Elément documentaire n°2 : Régime TT de liaison à la terre.
Première
lettre:
Situation du neutre par rapport à la
terre
T
Liaison directe du
neutre
à la terre
Situation des masses de
l’installation
Deuxième
lettre:
T
Interconnexion des masses et
liaison
à une prise de terre distincte
230V
Neutre à la terre
Masse à la terre
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On a le plus souvent observé que les accidents les plus graves contre la sécurité des personnes résultent de la
conjonction de défauts matériels et d’erreurs humaines commises par ignorance, par imprudence ou par négligence.
La législation est construite pour gérer la vie en société : par une batterie d’obligations, d’interdits et de textes
normatifs, la société organise la sécurité du citoyen dans sa vie personnelle et dans sa vie professionnelle.
Les progrès scientifiques et techniques ont conduit à des progrès certains en matière de sécurité des personnes et de
protection des matériels en permettant d'imposer des normes de plus en plus restrictives dictées par les statistiques sur les
accidents, mais ce sont les lois de la Physique qui donnent des éléments d’explication aux accidents observés et conduisent à
imaginer des parades susceptibles de les éviter à l’avenir.
Toutefois, il serait vain d’attendre de ces progrès scientifiques et techniques l’éradication de tout danger : le risque
zéro reste une utopie. Comme, de plus, l’illusion de la surprotection conduit à une très dangereuse déresponsabilisation,
l’apprentissage de la prévention des risques devient plus que jamais une composante de l’éducation des jeunes c’est à dire des
futurs citoyens. Pour diminuer les accidents, il appartient à l’Ecole de participer à cette éducation : la vigilance des professeurs
doit donc davantage encore se tourner vers l’éducation des étudiants à la sécurité car ses effets se feront sentir bien après la
sortie du système éducatif.
Il faut bien noter que la prise en compte des problèmes de sécurité n’alourdit pas le traitement des programmes mais
constitue une mine d’exemples de raisonnements pour faire acquérir des connaissances et des savoir-faire dans le champ
disciplinaire.
Propositions didactiques :
Le professeur présentera un panorama général de l’électrotechnique (production, transport et utilisation de l’énergie
électrique) dans lequel les grandes fonctions de l’électrotechnique seront justifiées au passage (rôle d'élévateur ou d'abaisseur
de tension du transformateur triphasé et du transformateur industriel, intérêt du transport de l’énergie électrique sous la forme
triphasée plutôt que monophasée, intérêt du transport de l’énergie électrique sous haute tension).
Le transformateur sera étudié sous l'angle de l'isolation galvanique (le professeur signalera au passage l’absence
d'isolation galvanique dans le cas de l'autotransformateur).
Propositions d’activités au laboratoire pour les étudiants (4 séances de 2h) :
Les étudiants mettront en œuvre des montages alimentés en Basse Tension du domaine A (B.T.A), soit monophasée,
soit triphasée équilibrée. Ils y mesureront des grandeurs électriques : intensité d’un courant à l’aide d’une pince
ampèremétrique, puissance active à l’aide d’une pince multifonctions. Cette activité, qui sera l’occasion d’une réflexion sur le
risque électrique en Basse Tension et des moyens de s’en protéger, devra obligatoirement être menée avant le départ en stage
industriel.
T.P n°VIII.1.a : travail en B.T.A sur un transformateur.
Il s’agit prioritairement de montrer l’intérêt du transformateur dans la distribution électrique. Ce T.P sera aussi
l’occasion d’effectuer des mesures de grandeurs électriques et d’utiliser une pince ampèremétrique. On se limitera aux mesures
mettant en évidence les formules du transformateur parfait (rapport des tensions et des courants).
T.P n°VIII.1.b : sécurité électrique.
Dans le cas du régime T.T, il s’agit d’utiliser des outils logiciels pour simuler des situations dangereuses et pour les
modéliser afin d’expliquer scientifiquement les origines du danger et de prévoir la manière de s’en protéger.
T.P n°VIII.1.c : triphasé.
On fera observer aux étudiants les signaux issus du secteur triphasé. Cette activité, qui devra être menée selon les
règles de l’art, en utilisant le matériel adéquat (capteurs de courants, oscilloscopes de classe I à entrées différentielles ou
oscilloscopes de classe II) sera une nouvelle occasion de réflexion sur le risque électrique en B.T.A et sur les moyens de s’en
protéger.
On utilisera aussi des logiciels de simulation, pour mettre en évidence l’intérêt du transport de l’anergie électrique par
une ligne triphasée. Ce T.P sera une nouvelle occasion de familiariser les étudiants avec le passage complexe-temporel.
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T.P n°VIII.1.d : puissance en régime sinusoïdal.
Les étudiants mettront en œuvre une maquette. Cette maquette peut être un simple dipôle de type « R,L,C » alimenté
en T.B.T et placé successivement dans ses trois cas limites. Mais il serait également très intéressant de faire le même type
d’observations et de mesures sur un moteur asynchrone par exemple : cette activité, portant sur une maquette alimentée en
B.T.A devra être menée selon les règles de l’art en matière de sécurité électrique.
Il s’agit de visualiser le signal image de la puissance instantanée, de mesurer la valeur moyenne de ce signal et
d’observer les sens des échanges énergétiques sur une période.
Il est recommandé de compléter l’étude en utilisant un système d’acquisition et de traitement de mesures.
VIII.2. Conversion électromécanique d’énergie.
Rappel des limites du programme :
Les machines électriques sont uniquement regardées
comme des convertisseurs d’énergie :
l’étude de leur structure interne ne figure pas au programme de physique appliquée.
Eléments d’analyse du programme :
Les machines électriques sont aujourd'hui devenues indissociables de leur commande électronique : le caractère très
complexe des systèmes électrotechniques actuels nécessite d’en faire une approche globale fonctionnelle. Cette approche, qui
exclut toute monographie sur les machines électriques, permet en même temps de situer les convertisseurs statiques dans leur
fonctionnalité vis à vis de ces machines.
C’est la raison pour laquelle le programme du B.T.S Informatique et Réseaux pour l’Industrie et les Services
techniques limite sa partie électrotechnique (VIII.2) à une présentation fonctionnelle, illustrée par les deux convertisseurs
électromécaniques suivants :
- un seul type de moteur alimenté en B.T.A.
- un moteur pas à pas.
Toutefois, pour pouvoir communiquer avec les spécialistes de l’Electrotechnique, le technicien supérieur I.R.I.S se
doit de posséder le vocabulaire minimum propre à la conversion électromécanique d’énergie : réversibilité de fonctionnement
d’une machine électrique tournante, rôles respectifs du stator et du rotor, rôles respectifs de l’inducteur et de l’induit, intérêt de
la plaque signalétique.. etc…etc
On peut illustrer la physique des dispositifs électromécaniques, en montrant expérimentalement que "les machines
électriques" sont des convertisseurs électromécaniques et qu’elles sont gérées par les lois fondamentales de
l’électromagnétisme. Il s’agit de mettre également en évidence que la transformation réversible énergie électrique/énergie
mécanique se fait toujours par le biais de l'énergie magnétique, ce qui justifie l'étude (au moins succincte) de cette forme
d'énergie, généralement mal perçue par les étudiants et pourtant omniprésente dans les systèmes informatiques. Les mots induit
et inducteur prennent alors tout leur sens.
Il serait donc souhaitable de montrer expérimentalement :
- la présence d'un champ magnétique au voisinage de conducteurs parcourus par un courant électrique (à mettre
en relation avec la notion de bobinage),
- la force électromagnétique de Laplace (à mettre en relation avec la notion de machine à courant continu et de
moteur linéaire),
- les interactions entre pôles magnétiques (à mettre en relation avec la notion de machine synchrone),
- les phénomènes d'auto-induction (à mettre en relation avec la notion de machine asynchrone).
Le professeur montrera ainsi que les lois de la physique sont pérennes malgré toutes les améliorations technologiques
et que seule la technique de mise en œuvre de ces lois diffère d'un type de machine à l’autre.
Actuellement, c’est l’électronique de puissance qui permet de réaliser des associations machine électriqueconvertisseur statique, adaptées à la nature de la source d'énergie électrique (alternative ou continue) et au type de machine
tournante (alternative ou continue). Le but étant d’obtenir la caractéristique mécanique (moment du couple/vitesse de rotation)
répondant au cahier des charges, il apparaît rapidement que le "type de la machine" passe au second plan.
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Toute machine électrique tournante (ou linéaire) sera présentée comme un convertisseur d’énergie qui, par la transition
du magnétisme réalise la conversion réversible suivante :
pélec(t)
énergie magnétique
pméca(t)
Dès lors, la finalité de l'étude d’une machine électromécanique, utilisée en fonctionnement "moteur", sera de montrer
qu'un tel actionneur doit fournir une puissance mécanique égale au produit :
vitesse de rotation  « couple »
dans le cas d’une machine tournante,
vitesse de translation  force
dans le cas d’un moteur linéaire ou d’un vérin électrique,
cette puissance mécanique étant obtenue à partir d'une puissance électrique égale au produit : tension  courant.
L'étude se ramène alors à la problématique de la gestion du système à motoriser :
- une problématique statique, si l’on s’intéresse aux caractéristiques statiques pour définir un point de
fonctionnement en régime permanent : comment obtenir une vitesse de rotation (ou de translation) pour une charge mécanique
donnée ?
- une problématique dynamique, si l’on s’intéresse à la fonction de transfert pour l’étude du régime transitoire :
quel couple (ou quelle force) l'actionneur doit-il fournir pour obtenir une accélération :
d  Tm Tr ?
dt
J
ou bien
 d v Fm  Fr 
 dt  m  ?
Une telle approche conduit à ne pas étudier les machines en elles-mêmes, mais à plutôt à étudier les relations existant
entre les grandeurs électriques et les grandeurs mécaniques. Pour tous les types de machines il existe en effet des relations de
même nature, d’une part entre la vitesse de rotation (Ω) et la tension (V) et éventuellement la fréquence (f) des courants
d’alimentation et, d’autre part, entre le moment du couple (T) et le courant (I).
N.B : volontairement la puissance électrique n'est pas évoquée lors de l'étude des machines, elle sera étudiée au niveau
des convertisseurs statiques : en effet, la formule P = UI cosφ est un cas particulier qui ne peut plus s'appliquer au cas du
fonctionnement des machines modernes.
Propositions didactiques :
Les prérequis sont issus des programmes des terminales scientifiques et technologiques et les savoirs et compétences
issus du thème VIII.1.
La méthode pédagogique préconisée ici recommande de proscrire tout enseignement d’électrotechnique procédant par
capitalisation de cas particuliers et de développer plutôt des modes de raisonnement généraux à partir d’une étude bien
conduite portant sur les exemples choisis. Le programme d’électrotechnique insiste donc sur l'aspect conversion
électromécanique, (sans toutefois descendre jusqu’à l’étude du principe détaillé du fonctionnement d’un moteur électrique) : il
s’agit d’un programme d'électrotechnique pour mécaniciens et automaticiens.
Dès lors que le technicien supérieur I.R.I.S s’intéresse aux grandeurs qu’il peut éventuellement gérer (la tension et
l'intensité des courants), les compétences à faire acquérir aux étudiants seront centrées sur l’exploitation raisonnée des relations
existant entre les grandeurs électriques et les grandeurs mécaniques pour une machine donnée. (On remarquera que cette
démarche intellectuelle s’apparente à celle qui est déjà mise en œuvre dans d’autres thèmes de ce programme, notamment en
électronique analogique, où l’on enseigne aux étudiants à raisonner sur les modèles que constituent, par exemple, les
caractéristiques des composants).
Quels que soient les supports de la formation (machine à courant continu à flux constant, ou moteur asynchrone, ou
moteur synchrone et moteur pas à pas), le professeur mènera une approche d’automaticien qui considère la machine et son
électronique associée, comme un tout, à traiter comme une "boîte noire" :
- il en donnera le modèle sous la forme de graphiques et/ou sous la forme d’un système d’équations électriques,
mécaniques et électromécaniques,
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- il y fera identifier les grandeurs commandées (couple et vitesse de rotation, dans le cas des machines tournantes
ou bien force et vitesse de translation, dans le cas des moteurs linéaires) et les grandeurs de commande (intensité des
courant, tension et éventuellement fréquence),
- il fera rechercher une relation entre grandeur de commande et grandeur commandée.
Afin de compléter la culture de ses étudiants, le professeur dressera un panorama des types de moteurs que l’on peut
rencontrer en précisant les gammes de puissance selon les domaines d'utilisation en puissance et en vitesse (par exemple, dans
le cas des moteurs pas à pas, il ne faudrait pas oublier le mouvement des machines outils à commande numérique, la commande
d’axes XYZ, les actionneurs de voilure en aéronautique, mais aussi la burette programmable, le pousse-seringue…etc…etc …).
Le professeur ne manquera pas de souligner la place importante occupée par le magnétisme et l’électromagnétisme dans
l’ordinateur et ses périphériques (par exemple : entraînement d’imprimante, d’un disque dur, d’un lecteur de disquette ou de
CDROM…).
Propositions d’activités au laboratoire pour les étudiants (4 séances de 2h) :
Remarque 1 : La mise en œuvre de moteurs électriques permet de continuer la sensibilisation de l’étudiant au
problème de la sécurité électrique en B.T.A (Basse Tension du domaine A) et par conséquent aux procédures adaptées aux
manipulations au voisinage de la B.T.A.
Remarque 2 : Dans les laboratoires de Physique appliquée, il arrive très souvent qu’un banc comporte plusieurs
machines électriques : il conviendra d’être attentif à faire identifier par les étudiants, d’une part, la machine d’étude et, d’autre
part, la machine d’entraînement ou la machine servant à simuler une charge mécanique : de trop nombreuses erreurs sont
commises par les étudiants, faute de distinguer les rôles respectifs des différentes machines couplées sur un banc.
T.P n°VIII.2.a : moteur pas à pas.
Les étudiants mettront en œuvre une maquette de moteur pas à pas. Ils utiliseront (mais ne réaliseront pas) une
commande appropriée pour faire fonctionner un moteur en pas entier, en demi-pas, en survitesse et pour changer le sens de
rotation.
Le professeur signalera (ou rappellera) que les moteurs pas à pas permettent de simplifier les asservissements en
supprimant la chaîne de retour.
Il est à noter que le support « moteur pas à pas » peut servir de support pour les thèmes I et VII notamment.
T.P n°VIII.2.b : fonctionnement au point nominal d’un moteur alimenté en B.T.A.
Chaque étudiant mettra en œuvre un moteur électrique alimenté en B.T.A (moteur à courant continu ou moteur
asynchrone). Mais il peut être intéressant, au cours de la même séance de travaux pratiques, de diversifier les moteurs proposés
afin de ne pas faire travailler tous les étudiants sur le même moteur : les mises en commun lors de cette étude expérimentale
permettront alors de mieux dégager les propriétés fondamentales des caractéristiques des convertisseurs électromécaniques.
Il est rappelé que le câblage d’un moteur ne faisant pas partie des fondamentaux du programme de la S.T.S I.R.I.S,.on
peut donner aux étudiants diverses activités de compréhension sur un montage déjà câblé.
Quel que soit le support, les étudiants effectueront des mesures sur les principales grandeurs d’entrée (tension, courant,
puissance) et de sortie (puissance, vitesse, couple), afin d’obtenir le relevé des caractéristiques mécaniques et de pouvoir
déterminer un point de fonctionnement, compte tenu de la charge mécanique entraînée. Des mesures informatisées sont
vivement conseillées.
T.P n°VIII.2.c : variation de vitesse d’un moteur alimenté en B.T.A.
Les étudiants commanderont la vitesse d’un moteur électrique par son variateur approprié : ils régleront cette
commande pour obtenir un point de fonctionnement donné et ils mettront en évidence grandeurs de commande et grandeurs
commandées. On pourra compléter par des simulations.
Il peut être intéressant, au cours de la même séance de travaux pratiques, de diversifier les variateurs proposés afin de
ne pas faire travailler tous les étudiants sur le même type d’appareil : les mises en commun lors de cette étude expérimentale
permettront alors de mieux dégager les propriétés fondamentales des motovariateurs.
T.P n°VIII.2.d : simulation.
On utilise un logiciel de modèles de moteurs et de charges mécaniques.
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VIII.3. Conversion statique d’énergie.
Rappel des limites du programme :
On limite l’étude des convertisseurs statiques aux deux exemples suivants :
un convertisseur continu-continu et un convertisseur continu-alternatif.
Eléments d’analyse du programme :
L’ensemble des domaines d’intervention des techniciens supérieurs de la spécialité I.R.I.S les conduit à croiser deux
grandes catégories d’applications relevant de l’électronique de puissance :
- celles qui sont en relation directe avec l’environnement immédiat d’un ordinateur (informatique de réseaux)
: alimentations à découpage et alimentations de secours.
- celles qui sont en relation avec la commande d'un procédé industriel : il s'agit de l'électronique de puissance
nécessaire à la commande d'un convertisseur électromécanique que nous désignerons sous le label
motovariateur. (Cf. VIII.2)
Dans le thème VIII.3, les activités proposées aux étudiants et les niveaux d’information donnés seront différents, selon
que l’on se place dans l’un ou l’autre des cas suivants :
- dans le cas des motovariateurs, on se limitera à une présentation générale fonctionnelle,
- dans le cas des alimentations de l’ordinateur, l’étude sera plus détaillée.
Le Technicien Supérieur de cette spécialité est concerné par l'électronique de puissance, non seulement en sa qualité
«d’acteur» (quand il s’agit du pilotage des convertisseurs de puissance gérés par ordinateur et de l’alimentation de ces
ordinateurs) mais aussi en sa qualité de «victime» de la pollution électromagnétique. La pollution est la dégradation d’une
ressource : dans le cas de la pollution harmonique (cas auquel on peut se limiter) la ressource est l’énergie électrique fournie
par le réseau E.D.F. Un pollueur est une charge déformante c’est à dire une charge qui, alimentée par une tension v(t)
sinusoïdale, appelle sur le réseau un courant i(t) déformé (non sinusoïdal).
Plus il y a d’utilisateurs, plus la pollution est importante. Parmi les exemples d’appareils pollueurs, on peut citer : les
tubes fluorescents, les ordinateurs, les téléviseurs, les variateurs de vitesse des moteurs électriques (cas des machines-outils, des
ascenseurs et de divers appareils électroménagers), les régulateurs de puissance des fours à résistances, les modulateurs de
puissance des lampes halogènes…etc…etc.
Les courants harmoniques créés par les charges non linéaires induisent de façon générale des pertes supplémentaires
par effet Joule, une diminution du facteur de puissance et la création de tensions harmoniques.
Il est conseillé de consulter le dossier « Pollution harmonique » sur le CD ROM « Repères pour la formation » du
B.T.S I.R.I.S et sur le site WEB du rectorat de l’académie d’Aix-Marseille.
Il sera intéressant d'introduire à ce propos les puissances active P, apparente S ainsi que le facteur de puissance k=P/S,
(on n’insistera jamais trop sur le fait que le facteur de puissance n'est pas cos φ mais le rapport P/S). La puissance apparente S
d'un montage sera définie comme le produit des valeurs efficaces de la tension à ses bornes et de l'intensité du courant qui le
traverse. Ce sont les seules grandeurs pouvant être définies en régime quelconque côté sortie du convertisseur statique. Cela
conduit à une réflexion quant à la gestion optimale des signaux de commande qui permettra de réduire la présence des
harmoniques de rang élevé entraînant une diminution de la pollution électromagnétique mais également une amélioration du
dimensionnement des machines.
Propositions didactiques :
Les prérequis sont issus des programmes des classes de terminale associés aux savoir-faire expérimentaux
d’électronique consolidés en S.T.S.
L’approche des motovariateurs sera limitée au plan de la fonctionnalité car l'objectif pédagogique, dans la filière du
B.T.S I.R.I.S, n'est absolument pas une étude exhaustive des convertisseurs de l’Electronique de puissance. Il s’agit plutôt
d'amener l'étudiant à une réflexion sur le choix d'un convertisseur permettant l'adéquation entre une source d'énergie et le type
de machine, afin d'obtenir la caractéristique mécanique souhaitée (Cf. thème VIII.2).
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Afin de compléter la culture de ses étudiants, le professeur présentera un panorama général des grandes fonctions de
l’électronique de puissance à partir des différents types de convertisseurs statiques rencontrés dans les domaines actuels de leur
utilisation (variation de vitesse, économies d’énergie dans l’industrie, alimentation de puissance). Il rappellera que la finalité de
l'électronique de puissance est multiple puisqu’elle permet :
- de "domestiquer" les machines électriques sur le plan des grandeurs mécaniques (gestion du couple
indépendamment de la vitesse de rotation),
- de mettre en relation une machine et une source d'énergie électrique qui ne lui est pas "naturelle" (source
continue/machine à courants alternatifs ou source alternative/machine à courant continu).
- de faciliter la gestion de l’énergie nécessaire au fonctionnement de la machine (par l’intermédiaire des
phases d’alimentation, de récupération d’énergie de la machine et de roue libre) ; cela correspond à un marché
important de l’industrie des motovariateurs.
Les alimentations de l’ordinateur feront l’objet d’une étude théorique et d’une étude pratique. Le programme limite sa
partie électronique de puissance à l'étude des deux convertisseurs que tous les techniciens supérieurs de la spécialité sont
susceptibles de rencontrer, et cela, quel que soit leur domaine d’intervention, parce qu’ils sont relatifs à l’alimentation d’un
ordinateur :
- la conversion continu-continu sera étudiée sur un exemple d’alimentation à découpage : le hacheur série,
- la conversion continu-alternatif sera étudiée sur un exemple d’alimentation de secours : l’onduleur autonome.
L’alimentation de secours sera traitée à partir de l'exemple de l’onduleur autonome de tension en pont, monophasé, à
commande symétrique puis à commande décalée débitant sur une charge de nature inductive. On rappellera, à cette occasion, le
rôle d’une bobine de lissage. L’alimentation continue de l’onduleur sera supposée réversible en tension et en courant.
L’alimentation à découpage sera traitée à partir de l’exemple d’un hacheur série débitant sur charge de type « L,E », la
source de tension E étant le modèle d’une charge de type RC parallèle (on rappellera à cette occasion le rôle d’un condensateur
de filtrage).
L’étude de ces deux types de convertisseurs doit être menée de façon à développer des modes de raisonnement
généraux que l’étudiant pourra réinvestir ultérieurement, en cas de besoin, pour aborder l'étude d'autres convertisseurs
statiques.
Dans ces deux cas, l’analyse du fonctionnement sera présentée selon le raisonnement algorithmique suivant :
schématisation du convertisseur construit à partir d’interrupteurs électriques parfaits, stratégie de commande de ces
interrupteurs afin d’obtenir la fonction voulue, caractérisation de leurs propriétés (tenant compte notamment de la nature de la
charge du montage), puis réalisation de ces interrupteurs au moyen de composants électroniques. On effectuera le repérage des
différentes phases d’échange d’énergie entre la source et la charge. Le rôle d’une diode de roue libre dans le déstockage de
l’énergie électromagnétique sera souligné.
Au moment où il en a besoin, le professeur rappellera le fonctionnement des composants électroniques (diodes,
transistors…) utiles à la compréhension du fonctionnement de ces convertisseurs statiques : pour cela, il exploitera leurs
caractéristiques. Il montrera que l’état d’un interrupteur non commandé (diode) dépend d’une des grandeurs (v tension à ses
bornes ou i intensité du courant qui le traverse) mais que l’état d’un interrupteur commandé (transistor, thyristor, IGBT …)
dépend d’une grandeur externe autre que i et v. Dans tous les exercices les interrupteurs électroniques seront modélisés par des
interrupteurs idéaux (i = 0 ou bien v = 0 et temps de commutation négligeables).
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S.T.S Informatique et Réseaux pour l’Industrie et les Services techniques
Physique appliquée : Réflexions pédagogiques.
version du 27/02/03
Thème VIII
Elément documentaire n°1 : alimentations de secours pour ordinateurs.
Les schémas de principe des alimentations de secours dites « off-line » et « on-line » sont représentés ci-dessous. Les
alimentations de secours « off-line » n’assurent l’alimentation de l’ordinateur qu’en cas « d’absence secteur » : avant que
l’énergie emmagasinée dans l’alimentation de l’ordinateur ne soit totalement utilisée, un relais commute l’alimentation de
l’ordinateur sur un ensemble composé d’une batterie au plomb, d’un pont complet de commutateur en commande décalée et
d’un transformateur élévateur. L’ensemble fournit, directement à l’alimentation de l’ordinateur, une tension de fréquence 50 Hz
composée de créneaux décalés de hauteur -330V, 0 et 330V. L’alimentation générale de l’ordinateur (alimentation à découpage
complexe) se présente, vue du réseau, comme un pont de Graëtz débitant sur charge capacitive qui supportera sans trop de mal
cette alimentation rustique.
Schéma ci-dessous : principe de l’onduleur off-line (utilisé uniquement en cas d’absence réseau)
Détecteur
présence
tension
Réseau u(t)
Charge

Batterie
d’accumulateurs
Onduleur Transformateur
Schéma ci-dessous : principe de l’onduleur on-line (utilisé en permanence)
Redresseur
Réseau u(t)
Onduleur


Charge
Modèle de l’onduleur étudié :
Tension délivrée :
iG (t)
v(t)
K1
UCC
K2
v(t)
T/2
t0
i(t)
K4
UCC
T/2+t0
T
-UCC
K3
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t
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Physique appliquée : Réflexions pédagogiques.
Thème VIII
version du 27/02/03
Elément documentaire n°2 : alimentations de l’ordinateur.
Sur la carte mère sont implantés le processeur et ses alimentations : celles-ci sont des hacheurs de type série destinés à
fournir des niveaux de tensions réduits (de l’ordre de 1,8 V) et qui consomment des courants dont l’intensité peut atteindre
plusieurs dizaines d’ampères. La bobine est un tore à noyau de ferrite, la diode doit avoir un faible seuil (diode Schottky par
exemple) et l’interrupteur peut être réalisé par exemple par un MOSFET de puissance.
Ces hacheurs peuvent être modélisés par le schéma ci-dessous :
iH (t)
uH (t)
i(t)
uL (t)
H
VCC
D
iD (t)
u(t)
E
Propositions d’activités au laboratoire pour les étudiants (4 séances de 2h) :
N.B : En TP, le professeur reviendra sur la pollution harmonique en faisant observer aux étudiants les harmoniques engendrés
par différents convertisseurs statiques et l'évolution de leur importance en fonction de la commande du convertisseur (en
particulier dans le cas de l’onduleur autonome à commande décalée).
T.P n°VIII.3.a : premier TP sur la conversion continu-alternatif.
Les étudiants mettront en œuvre un onduleur autonome en pont et à commande décalée sur une maquette dédiée, le
dispositif de commande étant fourni. Ils relèveront en particulier les oscillogrammes utiles à l'analyse du fonctionnement d’un
ensemble constitué du convertisseur statique didactique et de sa charge.
T.P n°VIII.3.b : second TP sur la conversion continu-alternatif.
Le professeur montrera expérimentalement que le choix du mode de commande d’un onduleur autonome ainsi que le
choix des paramètres de cette commande permettent de supprimer ou de décaler certains harmoniques. (Cf. thème VIII.2). Les
étudiants réinvestiront, à cette occasion, certaines connaissances acquises dans le thème II.3.
T.P n°VIII.3.c : conversion continu-continu.
Les étudiants mettront en œuvre un hacheur série sur une maquette dédiée. Les étudiants observeront les formes
d'onde et mettront en évidence les transferts d’énergie : ils détermineront en particulier les phases de stockage et de
récupération (par l’inductance de la bobine de lissage) ainsi que les phases de roue libre.
T.P n°VIII.3.d : pollution harmonique.
Il s’agit de reprendre le TP n°II.2.d, en utilisant le même matériel de mesure, mais en changeant le support d’étude :
on s’intéresse cette fois à la pollution engendrée par les convertisseurs statiques. Les étudiants pourront par exemple,
s’intéresser à la pollution créée par un ordinateur.
On pourra également vérifier que le choix du mode de commande d’un onduleur autonome ainsi que le choix des
paramètres de commande, en supprimant et en décalant certains harmoniques, permet de diminuer les perturbations apportées
au réseau.
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