Etude de la commande d`un processus de conversion d`énergie par

Présentation du cours
Dans tous les domaines de l ’industrie on fait
aujourd’hui appel à l ’électronique de
puissance(alimentation à découpage, variateurs
de vitesse, alimentation sans interruption)
Sans être forcément spécialiste, il est souvent
indispensable de connaître au moins les
fonctions réalisables, les principes et les
contraintes qui en découlent pour effectuer les
bons choix.
1
Objectifs
Acquérir les connaissances de base en
électronique de puissance, qui vous permettent
d ’approfondir un domaine particulier de cette
discipline, ainsi que de participer efficacement
aux choix des techniques et technologiques du
matériel à utiliser.
2
INTRODUCTION A LA CONVERSION DE L ’ENERGIE ELECTRIQUE
Introduction
6. Hacheur série
1. La Diode
7. Gradateur
2. Le Thyristor
8. Étude des systèmes
3. Le Transistor bipolaire
4. Redressement non commandé
5. Onduleur
3
INTRODUCTION A L’ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
L’électronique de puissance est l’utilisation en électrotechnique
des semi-conducteurs de puissance dont les trois principaux sont la
diode, le thyristor et le transistor.
Les signaux de commande sont aujourd'hui générés
par des systèmes à
microprocesseurs en logique programmée qui
remplacent de plus en plus souvent la commande
analogique par amplificateurs opérationnels.
4
INTRODUCTION A L’ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
LES GROUPES CONVERTISSEURS
le hacheur, exécuté en petite puissance avec des relais vibreurs
peut maintenant être exécuté en très forte puissance avec des thyristors
- l' onduleur autonome était réalisé par l'ensemble moteur
à courant continu couplé à un alternateur
- les gradateurs remplacent les autotransformateurs à
prise variable ou à curseur
- le redresseur à diodes est équivalent à la commutatrice ;
- les redresseurs contrôlés sont analogues à un groupe
moteur asynchrone génératrice à courant continu
5
1. La Diode
La diode est un composant électronique présentant
deux bornes ou électrodes : l’anode A et la cathode K et qui
laisse passer le courant dans un sens (sens de conduction ) et
le bloque dans l’autre sens ( sens inverse ).
A
k
6
1. La Diode
Utilisation typique des diodes :
 Convertisseurs AC/DC non commandés
 Convertisseurs AC/DC semi – contrôlés (ponts mixtes)
 Diodes de roue libre
7
2. Le Thyristor
Sous tension inverse ( sens cathode - anode), le thyristor,
comme la diode, est bloquant, c’est à dire qu’il présente
une très grande résistance.
G
A
k
8
2. Le Thyristor
Utilisation typique des thyristors :
 Convertisseurs AC/DC commandés
 Convertisseurs AC/DC semi – contrôlés (ponts mixtes)
 Convertisseurs DC/AC onduleurs autonomes
 Convertisseurs DC/DC Hacheurs
9
3. Le Transistor bipolaire
Le transistor bipolaire (Bipolar Junction Transistor) est un
dispositif à semi-conducteur présentant trois couches à
dopages alternés NPN ou PNP
C
B
C
B
E
Transistor NPN
E
Transistor PNP
10
3. Le Transistor bipolaire
Les transistors bipolaire sont utilisés suivant trois usage
 Usage général
 Amplification
 Commutation
 Usage audio amplificateur
 Classe A ou classe B
 Usage en puissance
 Faible gain
 Darlington
11
Page 9
4. Redressement non commandé
5 Redressement non commandé
I.
Redresseur simple alternance
iP
*
*
vP
ic
v
n1
v AK
vc
n2
Un redresseur est convertisseur statique de puissance qui
transforme le courant alternatif d’un réseau en courant
continu
12
Page 10
4. Redressement non commandé
II
Redresseur avec un transformateur à point milieu
On dispose un réseau monophasé. Une pseudo phase est crée grâce à un
transformateur à deux secondaires connectés via les deux diodes de façon
successive à la charge.
v AK
iP
*
*
vP
v1
ic
vc
v2
n1
n2
v AK
13
Page 11
4. Redressement non commandé
III
Redresseur en pont à 4 diodes (PD2)
Le montage utilise 2q diodes pour redresser q tensions alternatives.,
connectées via les quatre diodes de façon successive à la charge.
ic
D1
iP
*
*
vP
is
D2
iD1
iD 2
v
n1
n2
vc
D '1
iD
D '2
'
1
iD
'
2
14
Page 11
4. Redressement non
commandé
ic
Four
iP
*
*
vP
is
v
n1
vc
n2
15
Page 12
4. Redressement non commandé
IV
Redresseur parallèle à 3 diodes (P3)
La source en étoile, est constituée de trois sources de tension en parallèle,
connectées via les trois diodes de façon successive à la charge.
v1
D1 i
s1
iP1
v2
iP 2
L
D2
v3
iP 3
n1
D3
R
ic
is 2
is 3
vc
n2
16
Page 13
4. Redressement non commandé
V
Redresseur parallèle double à 6 diodes (PD3)
Le montage utilise 2q diodes pour redresser q tensions alternatives.,
connectées via les quatre diodes de façon successive à la charge.
R
i cL
iP
v1
1
iP
2
iP
3
D1D
2
i s1
D3
is 2
is 3
n1
vc
'
D1 '
D2
'
D3
17
5. Onduleur autonome
Le rôle d’un onduleur est d’obtenir une tension alternative
aux bornes de la charge à partir d’une source de tension
(ou courant) continue
On distingue deux types de commandes des
interrupteurs :commandes non décalées et commandes
décalées (le signal de la tension se rapproche de l’allure
d’une sinusoide.
On distingue deux types d’onduleur autonome :
Onduleur à commutation forcée et les onduleurs pilotés
par la charge ou à résonance. Dans le premier cas, les
thyristors principaux son éteints par la commutation de
l’énergie d’un circuit annexe, dans le second cas l’énergie
d’extinction est prélevée sur la charge qui est un circuit
oscillant.
18
5. Onduleur autonome
Il s’agit d’actionner alternativement les interrupteurs K1 et K2 durant
des intervalles de temps réguliers.
19
Page 14
6. Hacheur série
Le
hacheur
permet
d’obtenir
une
unidirectionnelle de valeur moyenne variable
Le hacheur est un convertisseur continu/continu
tension
il réalise en courant continu la même fonction que le
transformateur en courant alternatif, c'est-à-dire un
changement de tension avec un rendement voisin de 1
ce qui n'est pas le cas avec un montage en rhéostat ou
potentiomètre   16% .
On distingue deux types de hacheur :
Hacheur dévolteur ou série
Hacheur survolteur
20
Page 14
6. Hacheur série
21
6. Hacheur série
Application au moteur
Pour un bon fonctionnement du moteur, il est préférable
que le courant soit le plus régulier possible, d’où la
présence d’une bobine de lissage. Si son inductance est
suffisamment grande, on pourra considérer le courant
comme constant (Di 0)
22
7. Gradateur
Un gradateur est un convertisseur alternatif - alternatif.
Alimenté par une tension alternative v, il donne à sa
sortie une tension alternative vc à valeur variable de
même fréquence que la tension d’entrée,
Th
1
V
Th
2
ic
Vc
On distingue deux types de gradateur :
Gradateur à découpage de phase : domaine d’utilisation
(réglage d’une intensité lumineuse.)
Gradateur à train d’ondes : domine
(chauffage d’un volume solide….)
d’utilisation
23
7. Gradateur
Un gradateur est un convertisseur alternatif - alternatif.
Alimenté par une tension alternative v, il donne à sa
sortie une tension alternative vc à valeur variable de
même fréquence que la tension d’entrée,
24
Page 16
8. Étude des systèmes
I. Quadrants de fonctionnement
Frein avec vitesse
positive
vitesse
Moteur avec vitesse
positive
couple
Moteur avec vitesse
négative
Frein avec vitesse
négative
25
Page 17
8. Étude des systèmes
II. Alimentation à fréquence statorique variable
Énergie de freinage dissipée
Énergie de freinage restituée au réseau
26
8. Étude des systèmes
LES APPLICATIONS
Dans tous les domaines industriels, de l'électroménager à la
traction électrique, on rencontre des applications de
l'électronique de puissance; c'est notamment le cas dans les
réalisations de :
- variateurs de vitesse pour les moteurs à courant
continu;
- variateurs de vitesse pour les moteurs à courant
alternatif;
- alimentations sans coupure.
27
8. Étude des systèmes
Les signaux de commande sont aujourd'hui générés par
des systèmes à
microprocesseurs en logique programmée qui remplacent
de plus en plus souvent la commande analogique par
amplificateurs opérationnels.
Dans tous ces cas, le rendement en énergie a été
considérablement augmenté avec l'électronique de
puissance, qui condamne les groupes convertisseurs.
28
exercice1
1) Quelle est la caractéristique i = f(u) d'une diode idéale en convention récepteur ?
i (en A)
i (en A)
u (en V)
a)
i (en A)
u (en V)
b)
u (en V)
c)
29
Exercice1.2
1) Pour amorcer un thyristor, il faut:
 uAK<0 et une impulsion ig.

 uAK>0 et une impulsion ig.
 uAK<0
 uAK>0
30
Exercice1.3
1) La tension u est la tension de sortie d'un hacheur:
  = t0/T   = (T-t0)/T
Le rapport cyclique est : 
 = U0/u

u(t )
U0
T
t0
t
31
Exercice1. 4
1) La valeur moyenne <u> de la tension u (question 5) vaut:


<u> = U0 t0 / T

<u> = U0

<u> = U0 2 / 
<u> = U0 / 2
32
Exercice 1.5
1) Faire correspondre chaque convertisseur, à son nom
hacheur
gradateur
redresseur
onduleur
33
Exercice 1.6
1) Un onduleur sert à:  régler la vitesse d'une Machine à Courant Continu
 régler la vitesse d'un moteur asynchrone

 alimentation de secours


 modifier la fréquence de la tension d'entrée
34
Exercice 1.7
1) Quel(s) dispositif(s) ne permet pas de faire varier la vitesse de rotation d'une
Machine à Courant Continu:
 pont mixte

 pont à quatre diodes (pont de Graëtz)
 hacheur
 onduleur

35
Exercice 1.8
1) Dans un pont mixte, quel paramètre permet de faire varier la valeur moyenne
de la tension de sortie:
 le rapport cyclique

 l'angle de retard à l'amorçage
 la fréquence de la tension d'alimentation
36
Exercice 1.9
1) Que faut il faire, pour lisser le courant dans une charge (M.C.C. par exemple), à
la sortie d'un pont redresseur ?
 placer un condensateur de capacité suffisante en parallèle avec la charge.
 placer une bobine d'inductance suffisante en série avec la charge.
 placer un résistor de résistance élevé en série avec la charge.
 placer un résistor de faible résistance en série avec la charge.
37
Exercice 1.10
1) Un hacheur alimente une charge inductive quel est le rôle de la diode de "roue
libre" ? (deux réponses possibles.)
 redresser la tension
 éviter les surtensions

 lisser le courant
 permettre une conduction ininterrompue
38
Exercice 1.11
1) On alimente une M.C.C. à l'aide d'un pont mixte. Si l'on augmente le retard à
l'amorçage des thyristors le moteur tourne:
 plus vite
 a la même vitesse
 moins vite
 le thyristor explose
39
Exercice 1.12
1) Quel est le rôle d'un pont de diodes ?
 redresser la tension

 effectuer un redressement double alternance
 régler la vitesse d'un M.C.C.
 effectuer un redressement simple alternance.
40
Redresseur PD2
Exercices
page11
Enoncé :
On a réalisé une alimentation à partir du
secteur destinée à faire fonctionner un moteur
à courant continu. Un oscilloscope double voies
a permis, après deux connexions différentes,
d'obtenir les oscillogrammes suivants.
41
Redresseur PD2
Exercices
page11
Schéma électrique
YA
D1
D2
L
T
Secteur EDF
220V/50Hz
YC
INV
uC
MCC
D4
uD3
D3
r =1
iC
YB
42
Redresseur PD2
Exercices
Oscillogramme
YA
YB
0 V
YC
Vitesse de balayage : .....5 ms.. /cm
Sensibilités YA :...... 5 V........ /cm
YB : .....0.5 V.......... /cm
YC :...... 5 V........ /cm
XY 
( tension
( tension
( tension
X = voie .......
:
:
:
)
)
)
43
Redresseur PD2
Exercices
Indiquer les réponses qui vous semblent correctes.
YA
1. Le transformateur T est un transformateur :
a. abaisseur de tension ;
b. élévateur de tension.
YB
0V
1. Le transformateur T est un transformateur :
a. abaisseur de tension.
En effet au primaire du transformateur :
U
 220* 2  311V
1max
alors qu’au secondaire du transformateur :
U
2 max
U
c max
(voieY )  3 * 5  15V .
YC
Vitesse de balayage : .....5 ms.. /cm
Sensibilités YA :...... 5 V........ /cm
YB : .....0.5 V.......... /cm
YC :...... 5 V........ /cm
XY  X = voie .......
( tension :
)
( tension :
)
( tension :
)
A
Donc U2MAX< U1MAX, le transformateur est abaisseur de
tension.
44
Redresseur PD2
Exercices
2. Le rapport de transformation m du transformateur T est
égal à :
a. 20 ;
b. 10 ;
c. 1 ;
d. 0,1 ;
e. 0,05 ;
f. 0,01.
2. Le rapport de transformation m du transformateur T est
égal à :
e. 0,05.
Le rapport de transformation d’un transformateur est défini
par :
U
U
15
m


 0,05
U
U
311
2MAX
CMAX
1MAX
1MAX
YA
YB
0V
YC
XY  X = voie .......
Vitesse de balayage : .....5 ms.. /cm
)
( tension :
Sensibilités YA :...... 5 V........ /cm
)
( tension :
YB : .....0.5 V.......... /cm
)
( tension :
YC :...... 5 V........ /cm
45
Redresseur PD2
Exercices
YA
3. La tension uC aux bornes de la charge est :
a. continue ;
b. unidirectionnelle ;
c. bidirectionnelle ;
d. sinusoïdale.
YB
0V
3. La tension uC aux bornes de la charge est :
b. unidirectionnelle.
La tension uC est relevée sur la voie YA. On constate sur
l’oscillogramme que la tension uC est continuellement
positive, donc unidirectionnelle.
YC
XY  X = voie .......
Vitesse de balayage : .....5 ms.. /cm
)
( tension :
Sensibilités YA :...... 5 V........ /cm
)
( tension :
YB : .....0.5 V.......... /cm
)
( tension :
YC :...... 5 V........ /cm
46
Redresseur PD2
Exercices
4. La fréquence de la tension uC est égale à :
a. 200 Hz ;
b. 100 Hz ;
c. 50 Hz ;
d. 25 Hz.
YA
YB
0V
4. La fréquence de la tension uC est égale à :
b. 100 Hz.
Sur l’oscillogramme on relève :
Tuc = 2 5.10-3 = 10.10-3 s donc
f 
Uc
1
1

100Hz
T 10.10
YC
XY  X = voie .......
Vitesse de balayage : .....5 ms.. /cm
)
( tension :
Sensibilités YA :...... 5 V........ /cm
)
( tension :
YB : .....0.5 V.......... /cm
)
( tension :
YC :...... 5 V........ /cm
3
Uc
47
Redresseur PD2
Exercices
YA
5. Le courant iC est :
a. continu ;
b. alternatif ;
c. bidirectionnel ;
d. sinusoïdale.
D1
D2
L
T
Secteur EDF
220V/50Hz
YC
INV
MCC
D4
5. Le courant iC est :
a. continu
uC
uD3
D3
r =1
iC
YB
Le courant iC est relevé sur la voie YB. En effet sur la
voie B on visualise la tension aux bornes d’une
résistance r = 1  donc :
ur = 1 iC .
On constate que le courant iC ne varie pas au cours du
temps donc iC est un courant continu.
48
Redresseur PD2
Exercices
YA
6. L'intensité du courant iC est égale à :
a. 0,25 A ;
b. 0,5 A ;
c. 4 A ;
d. 1 A ;
e. 2 A.
YB
0V
6.L'intensité du courant iC est égale à :
d. 1 A.
YC
En effet :
iC = 2 0,5 = 1 A
XY  X = voie .......
Vitesse de balayage : .....5 ms.. /cm
)
( tension :
Sensibilités YA :...... 5 V........ /cm
)
( tension :
YB : .....0.5 V.......... /cm
)
( tension :
YC :...... 5 V........ /cm
49
Redresseur PD2
Exercices
7. La fréquence de la tension uD3 , tension aux bornes de
la diode D3 est :
a. 200 Hz ;
b. 100 Hz ;
c. 50 Hz ;
d. 25 Hz.
7. La fréquence de la tension uD3, tension aux bornes de la
diode D3 est :
c. 50 Hz.
YA
YB
0V
Sur l’oscillogramme YC, on relève :
TuD3 = 4 5.10 = 20.10 s donc
-3
f
UD3
1
1


50Hz
T
20.10
3
UD3
-3
YC
Vitesse de balayage : .....5 ms.. /cm
XY  X = voie .......
( tension :
)
Sensibilités YA :...... 5 V........ /cm
( tension :
)
YB : .....0.5 V.......... /cm
/cm
(
tension
:
)
5
V
YC :...... ........
50
Redresseur PD2
Exercices
YA
8. La tension aux bornes d'une des trois autres diodes est
identique à la tension aux bornes de la diode D3, c'est :
a. la tension aux bornes de la diode D1 ;
b. la tension aux bornes de la diode D2 ;
Secteur EDF
220V/50Hz
c. la tension aux bornes de la diode D4.
8. La tension aux bornes d'une des trois autres diodes est
identique à la tension aux bornes de la diode D3, c'est :
a. la tension aux bornes de la diode D1.
D1
D2
L
T
YC
INV
uC
MCC
D4
uD3
D3
r =1
iC
YB
La diode D3 conduit en même temps que la diode D1 lors
de l’alternance positive de la tension sinusoïdale fournie
par le secondaire du transformateur
51
Redresseur PD2
Exercices
9. Parmi les diodes dont les caractéristiques vous sont
données ci-dessous, laquelle faut-il choisir ?
a. 1N 4148 (IF (courant direct continu) = 150 mA ; VRRM
(tension de pointe inverse répétitive) = 75 V) ;
b. BAV 19 (IF = 200 mA ; VRRM = 100 V) ;
c. 1N 4001 (IF = 1 A ; VRRM = 50 V).
YA
YB
0V
9. Parmi les diodes dont les caractéristiques vous sont
données ci-dessous, laquelle vous utilisez :
c. 1N 4001 (IF = 1 A ; VRRM = 50 V).
L’intensité maximale du courant traversant les diodes est
iC donc 1 A. De plus sur l’oscillogramme de uD3, on
constate que :
UD3min= - 3 5 = - 15 V.
Seule la diode 1N 4001 peut convenir.
YC
Vitesse de balayage : .....5 ms.. /cm
XY  X = voie .......
( tension :
)
Sensibilités YA :...... 5 V........ /cm
( tension :
)
YB : .....0.5 V.......... /cm
/cm
(
tension
:
)
5
V
YC :...... ........
52
Redresseur PD2
Exercices
10. La bobine L, montée en série avec le moteur à courant
continu, permet de :
a. filtrer la tension uC et la rendre proche d'une tension
continue ;
b. limiter l'intensité du courant iC ;
c. lisser le courant iC et le rendre proche d'un courant
continu ;
d. limiter la tension inverse supportée par les diodes.
YA
D1
D2
L
T
Secteur EDF
220V/50Hz
YC
INV
MCC
D4
10. La bobine L, montée en série avec le moteur à courant
continu, permet de :
c. lisser le courant iC et le rendre proche d'un courant
continu.
uC
uD3
D3
r =1
iC
YB
Le rôle d’une bobine montée en série avec la charge d’un
montage redresseur est de lisser le courant iC, nécessité
qui peut être imposée par le moteur à courant continu.
53