Généralités sur l`électronique de puissance

GENERALITES SUR L'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
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Sommaire
1
2
3
4
5
Introduction.............................................................................................................................. 1
Classification des modes de conversion .................................................................................. 1
Commutation forcée − Commutation naturelle ....................................................................... 2
Influence de la forme du courant débité .................................................................................. 3
Puissances mises en jeu dans les convertisseurs...................................................................... 5
5.1 Convertisseur continu-continu débitant un courant constant ........................................... 5
5.1.1 Puissance fournie à la sortie....................................................................................... 5
5.1.2 Puissance absorbée à l'entrée ..................................................................................... 5
5.2 Convertisseur alternatif-continu monophasé débitant un courant constant...................... 5
5.2.1 Puissance fournie à la sortie....................................................................................... 6
5.2.2 Puissances absorbées à l'entrée.................................................................................. 6
5.2.3 Facteur de puissance .................................................................................................. 6
5.3 Convertisseur alternatif-continu triphasé débitant un courant constant ........................... 6
5.3.1 Puissance fournie à la sortie....................................................................................... 6
5.3.2 Puissances absorbées à l'entrée.................................................................................. 7
5.3.3 Facteur de puissance .................................................................................................. 7
EP 1
GENERALITES SUR L'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
1 Introduction
Actuellement, l'énergie électrique est essentiellement produite et distribuée sous forme alternative, de fréquence 50Hz. Au niveau de l'utilisateur, par contre, beaucoup d'applications ( en
particulier les variateurs de vitesse ) nécessitent des formes différentes d'énergie électrique.
Dans ce cas, il faut prévoir un dispositif permettant de transformer l'énergie disponible. Au départ, cette conversion d'énergie a été réalisée à l'aide de groupes de machines tournantes, mais
ce procédé est actuellement presque entièrement délaissé au profit de dispositifs électroniques,
appelés convertisseurs statiques. L'électronique de puissance traite, d'une part de la réalisation
de ces convertisseurs, d'autre part de leur utilisation. Dans les chapitres qui vont suivre, nous
nous intéresserons essentiellement à la partie utilisation.
Les convertisseurs statiques comportent, d'une part un certain nombre de composants semiconducteurs de puissance, d'autre part les circuits de commande de ces éléments. Le choix de
la technologie ( transistor ou thyristor ) ainsi que la réalisation des circuits de commande dépendent d'un certain nombre de paramètres tels que la puissance mise en jeu ou la fréquence
d'utilisation, mais influent peu les signaux de sortie du convertisseur. De ce fait, comme on ne
s'intéresse qu'à leur utilisation, on pourra se contenter d'une représentation très schématique
des convertisseurs, en ne faisant figurer que les éléments de puissance. Dans le cas où diverses
technologies peuvent être utilisées, on emploiera le symbole
qui englobe tous les
semi-conducteurs fonctionnant en interrupteur commandé à l'ouverture et à la fermeture.
2 Classification des modes de conversion
REDRESSEUR
ALTERNATIF
U1 , f1
GRADATEUR
ONDULEUR
CONVERTISSEUR
CONVERSIONS INDIRECTES DE
DE FREQUENCE
FREQUENCE ET DE TENSION
ALTERNATIF
U2 , f1
ALTERNATIF
U1 , f2
CONTINU
E1
HACHEUR
CONTINU
E2
figure 1
EP 2
La figure précédente résume les principales possibilités de conversion ainsi que les dénominations qui s'y rattachent. En ce qui concerne les termes utilisés, précisons que l'on entend
par alternatif toute grandeur périodique à valeur moyenne nulle et par continu toute grandeur à
valeur moyenne non nulle, ceci quelle que soit la forme réelle du signal.
3 Commutation forcée − Commutation naturelle
On peut assimiler les semi-conducteurs utilisés dans les convertisseurs de l'électronique de
puissance à des interrupteurs, alternativement fermés ou ouverts. Si, exception faite du cas des
diodes qui se mettent en conduction dès que la tension à leurs bornes devient positive, leur fermeture ( ou amorçage ) est systématiquement commandée, leur ouverture ( ou blocage ) peut
s'obtenir de deux façons:
a) Le signal de commande provoque l'ouverture du semi-conducteur. Ce mode de blocage, appelé commutation forcée ( ou auto-commutation ), apparaît en particulier dans les hacheurs.
b) Le blocage résulte de modifications de conditions de fonctionnement externes au convertisseur et se produit donc indépendamment de tout signal de commande. Ce mode est appelé
commutation naturelle ( ou commutation par la source ou par la charge ) et régit en particulier
le fonctionnement des montages redresseurs.
Remarques:
− On utilise parfois aussi le terme de commutation naturelle dans le cadre de l'étude du redressement commandé. Il caractérise alors le fonctionnement que l'on aurait en remplaçant tous
les thyristors par des diodes ( l'intérêt de ce remplacement fictif apparaîtra dans le chapitre
correspondant ).
− Les deux modes de blocage peuvent coexister. C'est le cas, par exemple, de la plupart des
hacheurs, qui comportent un interrupteur fonctionnant en auto-commutation et une diode,
dite de roue libre, fonctionnant en commutation naturelle.
− Les thyristors usuels ne peuvent pas être bloqués par la gâchette. Ils doivent donc être équipés d'un dispositif de blocage auxiliaire pour pouvoir fonctionner en auto-commutation.
− La commutation naturelle des semi-conducteurs résulte toujours de l'extinction du courant
qui les traverse. Mais, dans le cas des montages à diodes ou à thyristors, cette extinction
peut avoir deux origines, soit l'annulation du courant dans la maille comportant le semiconducteur, soit l'application d'une tension inverse entre ses bornes. Pour distinguer les
deux, nous parlerons de blocage par "annulation de courant" ou par "inversion de tension",
mais il faudra bien noter que ces appellations correspondent à la cause extérieure qui initie
le blocage et non aux phénomènes physiques qui le régissent. Par ailleurs, toujours dans le
même contexte, on constate que la possibilité d'existence de ces modes est tributaire de la
forme, continue ou discontinue, du courant dans la charge. Cette forme ayant d'autres influences, nous nous attarderons un peu sur ce point dans le cadre du paragraphe suivant.
EP 3
4 Influence de la forme du courant débité
Considérons à titre d'exemple deux montages redresseurs. Pour chacun d'entre eux, on suppose que la tension d'alimentation est de la forme e = EMsinθ avec θ = ω0t. On admet d'autre
part que les diodes sont parfaites.
Premier cas: Montage monoalternance débitant sur un circuit RL ( figure 2 )
Compte tenu de la nature inductive de la charge, les allures de u et de i sont celles représentées sur la figure 3.
D1
D1
D1
u
D1 i
i ---R
e
u
L
figure 2
π
π + θ1
3π 3π + θ1
5π θ
figure 3
On constate que le courant i est interrompu et que la diode se bloque par annulation de courant. D'autre part, l'angle de conduction π + θ1 de la diode dépendant des valeurs respectives de
R et de L, il s'ensuit que l'allure de u peut varier de façon importante en fonction de la charge.
Deuxième cas: Montage avec diode de roue libre débitant sur un circuit RL ( figure 4 )
Au moment de la mise sous tension, les évolutions de u et de i sont
i
analogues à celles obtenues dans le cas précédent. Mais ici, dès que u
devient négatif ( dans la pratique, supérieur en valeur absolue au seuil de
vD1
R
la diode ), D2 commence à conduire ( Cf. figure 5 ). La tension négative
v
e
u e est alors ramenée aux bornes de la diode D1, entraînant le blocage de
D2
D2
L
celle-ci. Le courant i, décroissant ensuite exponentiellement dans la
maille R + L + D2, ne peut plus s'annuler et la diode D2 reste passante
jusqu'à ce que la tension e redevienne positive, ce qui rend D1 passante
figure 4
et bloque D2, un nouveau cycle commençant alors. Au bout de quelques
alternances de e, les valeurs initiales et finales de i deviennent identique et on obtient un régime permanent où les différentes grandeurs ont les allures représentées sur la figure 6.
D1
Ici, le courant est donc ininterrompu et le blocage d'une diode est obtenu par l'inversion de
la tension à ses bornes, consécutive au déblocage de l'autre diode. Comme ces déblocages sont
régis par les changements de signe de la tension d'alimentation, les intervalles de conduction
ne dépendent plus de R et de L, ce qui entraîne en particulier que l'allure de u reste constante
quelle que soit la charge. D'autre part, on peut constater que l'amplitude de l'ondulation de i
EP 4
décroît lorsque le rapport L/R augmente et que, pour une valeur suffisamment élevée de
celui-ci, le courant i peut être considéré comme pratiquement constant.
u
i ----
vD1
vD2
D1
D2
π
D1
D2
2π
figure 5: régime transitoire
D1
u
i ----
θ
θ
vD1
vD2
D1
D2
π
D1
D2
2π
D1
θ
θ
figure 6: régime établi
Les résultats que nous venons d'obtenir peuvent s'étendre à tous les convertisseurs fonctionnant, au moins partiellement, en commutation naturelle. En effet, quelle que soit la complexité
du dispositif, le courant dans chaque semi-conducteur passant est égal ( éventuellement proportionnel dans le cas de mise en parallèle ) au courant dans la charge. Le blocage par annulation de courant ne pourra donc avoir lieu que si le courant dans la charge s'interrompt. De ce
fait, on distinguera deux modes de fonctionnement:
a) Le courant dans la charge est ininterrompu
Tous les blocages se feront par inversion de tension, consécutive au déblocage d'un autre
semi-conducteur. D'autre part, dans ce cas, les amorçages résultent systématiquement, soit
d'une évolution des tensions d'alimentation, soit de l'application de signaux de commande. Il
s'ensuit que le fonctionnement du convertisseur ne dépend absolument pas des paramètres du
circuit de charge, il suffit que celui-ci assure le passage du courant ininterrompu ( ce qui suppose généralement que la charge présente une composante inductive ).
b) Le courant dans la charge est interrompu
Les blocages pourront avoir lieu, soit par inversion de tension ( toujours résultant du déblocage d'un autre semi-conducteur ), soit par annulation de courant et le fonctionnement du convertisseur sera fortement influencé par les paramètres du circuit de charge. En particulier, la
tension de sortie pourra présenter des allures très différentes suivant la charge utilisée.
Ce qui précède a d'importantes conséquences en ce qui concerne l'étude des convertisseurs.
En effet, celle-ci est toujours beaucoup plus simple dans le cas du fonctionnement en courant
ininterrompu puisqu'il suffit de déterminer les instants de mise en conduction des différents
semi-conducteurs ( instants qui sont, de surcroît, totalement indépendants de la charge ). On
commencera donc systématiquement par se placer dans ces conditions. Dans un deuxième
temps, on pourra envisager le fonctionnement en courant interrompu, pour lequel il faudra
alors, en plus, déterminer les instants de blocage. Comme celui-ci peut s'effectuer de deux
manières différentes, nous devrons, en principe, envisager les deux cas en poursuivant l'étude
des instants de mise en conduction et en étudiant parallèlement l'évolution du courant dans les
EP 5
éléments passants. Signalons cependant que, dans la plupart des cas, l'étude préalable en
courant ininterrompu permet de prévoir le mode de blocage, donc de se restreindre à une des
deux possibilités.
5 Puissances mises en jeu dans les convertisseurs
Les courants et tensions, bien que de forme a priori quelconque, restent cependant périodiques. Les puissances se calculeront donc comme indiqué dans le chapitre consacré aux applications du développement en série de Fourier. Compte tenu du nombre de possibilités et du
fait qu'il faut, en principe, étudier séparément l'entrée et la sortie du convertisseur, nous n'envisagerons ici que quelques cas particuliers, le principe de calcul restant le même pour toutes les
autres applications.
5.1 Convertisseur continu-continu débitant un courant constant
ie
ue
5.1.1 Puissance fournie à la sortie
IC
Le courant débité étant constant, tous ses harmoniques sont nuls.
u
En désignant par UC la valeur moyenne de u, on a donc
P = UCI C
figure 7
5.1.2 Puissance absorbée à l'entrée
1 Te
uei edt , Te désignant la période des signaux d'entrée. Si l'une
Te 0
des grandeurs présente une ondulation résiduelle faible, on aura
Par définition, on a Pe =
∫
Pe = UeCI eC
en appelant UeC et IeC les valeurs moyennes des grandeurs d'entrée.
Les pertes dans le convertisseur étant généralement négligeables devant les puissances mises en jeu, on pourra assimiler Pe et P et se contenter de faire le calcul de la puissance fournie à
la sortie.
5.2 Convertisseur alternatif-continu monophasé débitant un courant constant
On se place ici uniquement dans le cas où la tension d'entrée est sinusoïdale.
EP 6
ie
5.2.1 Puissance fournie à la sortie
IC
u
ue
P = UCI C
De même
figure 8
5.2.2 Puissances absorbées à l'entrée
Soient Ue la valeur efficace de ue, Ie la valeur efficace de ie, Ie1 la valeur efficace du fondamental de ie et ϕ1 le déphasage entre ue et le fondamental de ie. Des résultats établis précédemment ( Cf. Applications des séries de Fourier ) permettent d'écrire immédiatement
puissance active
puissance réactive
puissance apparente
puissance déformante
Pe = UeIe1 cosϕ1
Qe = UeIe1 sinϕ1
Se = UeIe
De = S2e − Pe2 − Q2e
5.2.3 Facteur de puissance
Par définition, f = Pe/Se. En assimilant Pe et P, on aura
f=
P U CI C
=
Se U e I e
I e1
cosϕ1 . Cette relation, qui met en
Ie
évidence l'influence des harmoniques ( traduite par le rapport Ie1/Ie ) et l'effet de la puissance
réactive ( par l'intermédiaire de cosϕ1 ), montre en particulier que f peut être inférieur à l'unité
même si aucune puissance réactive n'est mise en jeu.
Remarque: Le facteur de puissance peut aussi s'écrire f =
5.3 Convertisseur alternatif-continu triphasé débitant un courant constant
Là encore, on restreint l'étude au cas où les tensions d'entrée sont sinusoïdales.
5.3.1 Puissance fournie à la sortie
IC
u
figure 9
On a toujours
P = UCI C
EP 7
5.3.2 Puissances absorbées à l'entrée
L'étude de ce type de convertisseur montre qu'il se comporte vis à vis du réseau d'alimentation comme une charge équilibrée, ce qui entraîne que les trois courants absorbés ont la même
forme et sont simplement décalés d'un tiers de période l'un par rapport à l'autre. A condition de
partir des éléments par phase, donc de raisonner sur les tensions simples, les puissances totales
sont, de ce fait, simplement égales à trois fois les puissances par phase. En notant alors Ve la
valeur efficace d'une tension simple, Ie la valeur efficace d'un courant en ligne, I1e la valeur
efficace du fondamental d'un courant en ligne et ϕ1 le déphasage entre le fondamental d'un
courant en ligne et la tension simple correspondante ( cette dernière définition étant à rapprocher de celle utilisée en régime sinusoïdal ), on a
puissance active
puissance réactive
puissance apparente
puissance déformante
Pe = 3VeI1e cosϕ1
Qe = 3VeI1e sinϕ1
Se = 3VeIe
De = S2e − Pe2 − Q2e
Remarque: On pourrait remplacer Ve par Ue/ 3 ( Ue, tension entre phases ) de façon à
retrouver les formes usuelles des expressions des puissances. Nous ne l'avons pas fait ici pour
permettre d'étendre facilement les relations précédentes aux cas des réseaux d'alimentation
polyphasés autres que triphasés. En effet, le raisonnement consistant à calculer les puissances
par phase et à les multiplier par le nombre de phases reste toujours valable, il suffit donc de
remplacer 3 par le nombre adéquat ( à titre d'exemple, pour un réseau hexaphasé, la puissance
apparente est égale à 6VeIe ). Par contre, comme le rapport entre les tensions simples et
composées varie avec le nombre de phases, il faudrait en plus faire intervenir ce dernier si on
voulait raisonner en termes de tensions entre phases.
5.3.3 Facteur de puissance
De même, en assimilant Pe et P, on a
f=
P UCI C
=
Se 3VeI e
Là encore, f peut être inférieur à 1 en l'absence de puissance réactive.