Synthèse des convertisseurs statiques d`énergie
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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 GERGADIER Lycée Richelieu 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 positive ou négative. Exemple de réversibilité d’une source : Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu 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 puissance peut se réaliser dans les 2 sens. Source d’entrée CVS Sens de transfert de puissance Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Source de sortie 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 GERGADIER Lycée Richelieu 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 GERGADIER Lycée Richelieu 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 GERGADIER Lycée Richelieu 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 GERGADIER Lycée Richelieu 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 Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu 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 Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu 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 GERGADIER Lycée Richelieu 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 : Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu 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 : Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu 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 GERGADIER 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; Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu 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 Sébastien GERGADIER 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 Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu 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 GERGADIER Lycée Richelieu 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 GERGADIER Lycée Richelieu 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 Tcom W>0 Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 W<0 vk (t)iK (t)dt 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 aT 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 2p/3 K2 K4 K6 i< >0 iK GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 0 K5 2p 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 GERGADIER 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 GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1
