1- Adapter l`énergie électrique 1

Les adaptateurs d’énergie  1ère partie
source : http://www.energieplus-lesite.be, Patrice Hérisson Lycée Touchard LE MANS
Académie de Nantes / www.mysti2d.net, Technologie tome 2 Hachette+internet
1- Adapter l’énergie électrique
Afin d’adapter l’énergie électrique aux besoins, il existe plusieurs solutions suivant la
nature de la charge. Nous nous intéresserons ici au problème de l’adaptation de l’énergie
électrique pour le raccordement au réseau de distribution et de transport, au problème de
la variation de vitesse des moteurs à courant continu et à la variation de puissance pour des
systèmes fonctionnant en tension alternative.
1-1 Le transformateur
Le rôle principal d’un transformateur est d’augmenter la tension à la sortie d’une centrale
de production pour pouvoir transporter l’électricité en diminuant les pertes, puis de
l’abaisser pour effectuer sa distribution.
Exemple :
Rédaction Marc VINCENT
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La figure ci-contre représente le type de
transformateur utilisé sur l’île de EL Hierro pour
l’alimentation de la partie commande des pompes.
Il s’agit d’un transformateur monophasé dont le
schéma de principe est représenté ci dessous . Il est
composé d’un circuit magnétique sur lequel sont
enroulés deux bobines (primaire et secondaire). La
convention utilisée généralement est récepteur au
primaire et générateur au secondaire.
L’enroulement du primaire comporte N1 spires et l’enroulement du secondaire en
comporte N2.
Avec les conventions de la figure ci-dessus, il est possible d’obtenir le rapport de
transformation grâce à la formule suivante :
i1 / i2 = U2 / U1 = N2 / N1 = -m
La figure ci-dessus représente le schéma équivalent d’un transformateur réel. R1 et R2 sont
les résistances des enroulements au primaire et au secondaire, L1 et L2 sont les inductances
dite de « fuite », Rf et L représentent le comportement de la bobine à noyau de fer.
Un transformateur réel est le siège de pertes : les pertes cuivre et les pertes Fer.
Les pertes cuivre sont les pertes par effet Joule. Pj = R1×(I1)2 + R2×(I2)2
Les pertes Fer dépendent de la fréquence du courant électrique. Elles ont dues à des
phénomènes d’hystérésis ou à l’existence de courants de Foucault. Elles se notent PF.
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Les transformateurs utilisés lors du transport de l’électricité sont des transformateurs
triphasés. Afin de brancher un transformateur, il faut réaliser son couplage. Le couplage est
l’interconnexion des enroulements entre eux. Ils sont choisis en fonction de la tension du
primaire et celle du secondaire.
Les enroulements du primaire peuvent être couplés en étoile ou triangle. Les enroulements
du secondaire peuvent être couplés en étoile ou triangle.
Dans le cas d’un transformateur triphasé, le rapport de transformation s’exprime comme le
rapport entre la tension du secondaire à vide et la tension primaire.
1-2 Convertisseur continu /continu
Pour tout véhicule à motorisation électrique, le problème de la variation de vitesse se pose.
Exemple : Le CYCAB
Le CYCAB fonctionne avec 4 moteurs électriques à courant
continu d’une puissance de 1kW alimenté par des batteries
de 48V continu. Ces moteurs doivent pouvoir fonctionner
dans les deux sens de marche ( avant et arrière). La
solution retenue par le constructeur pour faire
varier la vitesse est un convertisseur
continu/continu appelé hacheur.
Hacheur 1 quadrant
Le hacheur le plus simple est le hacheur 1 quadrant, T1 représente l’interrupteur
commandé.
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Les hacheurs convertissent une tension continue fixe en une tension continue variable.
Evolution temporelle des signaux d’un hacheur 1 quadrant
Le calcul de la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur se fait en utilisant la
formule suivante : U moteur = × V max
où U moteur est la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur,  est le rapport
cyclique du signal de commande et V max est la tension de la batterie.
Rappel : Le rapport cyclique pour
un signal rectangulaire, noté α, est défini
comme étant le rapport existant entre la durée
du temps haut (tH) du signal et sa période (T).
Quand on utilise un
voltmètre pour mesurer
une tension alternative
sinusoïdale, il ne nous
affiche pas la tension maxi.
Le voltmètre nous affiche la
tension efficace.
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Dans le cas du Cycab, le moteur doit
pouvoir tourner dans les deux sens de
rotation, par conséquent, la tension
d’alimentation du moteur doit pouvoir être
négative. Ce qui n’est pas possible avec un
hacheur 1 quadrant. Nous utilisons alors un
hacheur 4 quadrants.
La figure ci-dessus présente le schéma de principe d’un hacheur 4 quadrants
également appelé pont en H de par sa forme. Sur ce schéma, T1, T2, T 3 et T4 sont des
interrupteurs commandés. Pour éviter les courts-circuits sur la batterie, les interrupteurs T1
et T2 ne sont pas fermés en même temps. Il en est de même pour les interrupteurs T2 et T4.
La figure ci-contre explique la logique de
fonctionnement du pont en H. On voit
apparaître le sens du courant et sens de la
tension pour les deux sens de marche.
La figure ci-contre représente l’évolution
temporelle du signal de commande des
interrupteurs T1/T4 et T2/T3, l’état des
interrupteurs ainsi que la tension aux bornes
du moteur. Les interrupteurs T1 et T4 sont
actionnés au même moment ainsi que les
interrupteurs T2 et T3.
T1 (TR7), T2 (TR5), T3 (TR8) et T4 (TR6)
Le calcul de la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur se fait en utilisant la
formule suivante : U mot = (2×-1)×V Max
où U mot est la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur ,  est le rapport
cyclique du signal de commande et V Max est la tension de la batterie.
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A la différence du hacheur 1 quadrant, le hacheur 4 quadrants permet ainsi le
fonctionnement du moteur dans les deux sens de marche.
Si  = 100% alors U mot = V max et le moteur tourne dans le premier sens de marche.
Si  = 50% alors U mot = 0 et le moteur est a l’arrêt.
Si  = 0% alors U mot = -V max et le moteur tourne dans le deuxième sens de marche.
Le schéma ci-dessous représente le schéma électrique de l’alimentation des moteurs du Cycab. Les
interrupteurs commandés sont ici réalisés à l’aide de transistors MOSFET (1). Le schéma précédent est
alors équivalent au schéma de principe simplifié précédent, en remplaçant T1, T2, T3 et T4 par TR7, TR5,
TR8 et TR6.
TR7
TR8
TR5
TR6
Exercice d’application : variation de puissance du moteur du Cycab
1- A partir du tracé ci-contre
des signaux de commande
TR5, TR6, TR7 et TR8,
indiquez les interrupteurs
fermés et ouverts à chaque
instant. Tracer l’évolution de la
tension aux bornes du moteur.
2- Calculez la valeur moyenne
de la tension aux bornes du
moteur dans la situation
donnée par les tracés.
3- Représentez la tension
moyenne sur le tracé de la
tension aux bornes du moteur.
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1-3 Convertisseur alternatif / alternatif
Le schéma de principe de ce convertisseur est représenté ci-dessous. Il s’agit d’un
interrupteur commandé qui laisse passer ou non le courant. L’objectif est de faire varier
la valeur efficace de la tension aux bornes de la charge.
L’élément couramment utilisé pour réaliser cet interrupteur commandé est le triac.
Schéma de principe d’un gradateur
Les gradateurs permettent d'obtenir une tension
alternative variable à partir d'une tension alternative fixe.
Triac (schéma et photo)
Exemple : variateur de lumière
Deux techniques sont le plus souvent utilisées pour la commande de l’interrupteur T : la
commande par angle de phase ou la commande par train d’ondes.
1-3-1 Commande par angle de phase
La valeur efficace V de la
tension v(t) est réglable en
réglant le retard à l'amorçage α
des thyristors (voir suite
redresseur commandé)
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α = 0° : la lampe est éclairée au maximum V = 230v
α entre 0 et 180° : variation de l'éclairage de la lampe.
α = 180° : la lampe est éteinte
Formule de calcul de la valeur efficace V de la charge :
avec  en degré
Inconvénient : La tension aux bornes de la charge est alternative non sinusoïdale, donc le
courant absorbé sera aussi alternatif non sinusoïdal. La présence d’harmonique de courant
absorbés sur le réseau sera donc importante.
1-3-2 Commande par train d’ondes
Quand l'inertie (le temps de réaction de la charge) est lent, on utilise le gradateur à train d'ondes
La commande de K permet de laisser passer un certain nombres d'alternances complètes
de la tension u(t) dans la charge pendant tc (temps de conduction).
La mise sous tension du four
étant cyclique, en réglant le
temps tc
on règle la puissance fournie à
la résistance électrique donc la
température dans l'enceinte du
four.
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La puissance moyenne fournie à la charge peut se calculer :
tc : temps de conduction en secondes
T : période du cycle en secondes
Attention :ne pas confondre avec T= 20ms qui est la période de la tension du réseau 50 Hz.
Avantage : la tension aux bornes de la charge est alternative sinusoïdale, donc le courant
absorbé sera aussi alternatif sinusoïdal. La présence d’harmonique de courant sera donc
nulle.
1-4 Convertisseurs alternatif / continu
Problème à résoudre : dans le cas de la production d’électricité, la centrale de production
doit être capable de s’adapter à la demande d’énergie en temps réel. Quand il s’agit
d’éoliennes, le principal problème est la variabilité de la vitesse du vent. Il faut en
permanence contrôler la fréquence du signal électrique créé afin de raccorder l’installation
sur le réseau de transport et de distribution.
L’idée principale est de transformer le courant alternatif à fréquence variable crée par le
générateur en un courant continu (c’est le redresseur) puis de transformer ce courant
continu en courant alternatif dont on maitrise la fréquence (c’est l’onduleur)
1-4-1 Conversion du courant alternatif en courant continu : le redresseur
Un redresseur simple alternance monophasé est un redresseur supprimant les alternances
négatives et conservant les alternances positives d'une entrée monophasée. La fréquence
en sortie du redresseur est alors égale à la fréquence d'entrée.
Cas d’une charge résistive
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Un redresseur double alternance monophasé est un redresseur redressant les alternances
négatives et conservant les alternances positives du courant à l'entrée. La fréquence en
sortie du redresseur est alors le double de la fréquence d'entrée.
Un redresseur simple alternance triphasé est un redresseur permettant de redresser une
source triphasée. Le signal redressé a alors une fréquence trois fois supérieure au signal
d'entrée.
1-4-2 Le redresseur commandé
Les redresseurs commandés convertissent une tension alternative en une tension continue
variable.
Exemple : Variateur DC
pour moteur courant
continu
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Le redressement commandé est obtenu avec des thyristors .
Dans le redressement commandé d'une tension alternative, la diode est remplacée par le
thyristor qui possède la particularité de pouvoir contrôler le moment ou il deviendra
"passant" dans l'alternance positive. C'est la troisième électrode, appelée "gâchette", qui,
lorsqu'elle est alimentée sur commande par la régulation du redresseur, devient
conductrice. Tout comme la diode, le thyristor est "bloquant" durant l'alternance
"négative".
On voit tout de suite l'intérêt du thyristor par rapport à la diode : on peut faire varier la
valeur de la tension moyenne de sortie en contrôlant le moment où l'impulsion sera
donnée sur la gâchette pour rendre le thyristor "passant".
Dans un redresseur triphasé commandé, le pont de thyristors permet, comme le montre la
figure ci-dessous :
 De générer une tension continue en redressant l'alternance négative de chacune des
trois tensions composées. On voit que la tension de sortie n'est pas tout à fait
continue et comporte une ondulation résiduelle.
 De faire varier le niveau de tension moyenne à la sortie du redresseur.
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1-5 Convertisseur continu / alternatif  l’onduleur
Les onduleurs convertissent une tension continue fixe en une tension alternative de
fréquence fixe ou variable.
exemple :onduleur
pour camping car
( source :
batterie récepteur :
réfrigérateur 230v
f = 50 hz)
Le schéma est identique à celui du hacheur
4Q mais la commande des interrupteurs H1 à
H4 est différente.
schéma de principe
Pour obtenir une vitesse variable pour un
moteur à courant continu,
le hacheur 4Q fait varier le rapport
cyclique α de la tension v (la fréquence f
est fixe) 
Schémas ci-contre
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Afin d’obtenir une vitesse variable pour un moteur alternatif, l'onduleur fait varier la
fréquence ( la période T ) de la tension v
Si le rapport cyclique α = 0,5, la valeur moyenne est nulle .
La tension v est rectangulaire.
Pour obtenir une tension sinusoïdale, il est
nécessaire de filtrer cette tension.
On peut utiliser une commande spécifique
des interrupteurs appelée MLI :
(modulation de la largeur d'impulsion)
Commande MLI de l'onduleur :
La commande MLI permet d'obtenir une valeur moyenne de la tension v sinusoïdale ce qui
permet une rotation régulière et sans à coups , y compris aux très basses vitesses,
grâce à une forme de courant proche de la sinusoïde .
La commande des interrupteurs par MLI signifie que les interrupteurs sont commandés de
façon électronique afin d’obtenir un signal le plus sinusoïdal possible.
Pour avoir ce résultat, la largeur du signal de commande n’est pas constante sur une
période du signal de sortie. La figure ci-dessous illustre ce principe.
Cas d’un onduleur triphasé
Tension simple et composée à la sortie d’un
onduleur triphasé.
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Synthèse
Principales solutions pour adapter et transmettre l’énergie électrique
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