automne 2000 - examen final

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AUTOMNE 2000 - EXAMEN FINAL
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COURS
: ELE-355 ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE I
GROUPE(S)
: 01
PROFESSEUR(S)
: Kamal AL-HADDAD
DATE
: Le vendredi 15 décembre 2000
HEURE
: 9h
DURÉE
: 3h
PONDÉRATION
: 35 %
DOCUMENTATION
COMMENTAIRE(S)
: oui
9 non
: Toute documentation permise.
Calculatrice autorisée.
: Remettre le questionnaire avec votre cahier d'examen.
IMPORTANT
Avant de commencer à rédiger son examen, l'étudiant doit s'assurer de l'exactitude de la pagination et de
l'impression correcte de ce questionnaire. Ce questionnaire comporte 4 questions présentées sur 6
pages incluant la page titre.
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Question 1 (25 points)
Le redresseur en pont triphasé à thyristors (figure 1) alimente une charge R-L dont la
résistance R = 10 Ω . La valeur efficace des tensions ligne à ligne de la source d’alimentation
triphasée est Vs,L = 600 V et la fréquence du réseau est de 60 Hz.
La valeur de l’inductance L de la charge est supposée très élevée, ce qui permet de négliger
les ondulations du courant dans la charge. En plus, on suppose un comportement idéalisé du
redresseur.
iTh1
ia
va
vTh1
+
Ich
+
Th1
Th3
Th5
L
vch
vc
vb
R = 10 Ω
Th4
Th6
Th2
-
Figure 1
Sachant que l’angle du retard àl’amorçage des thyristors est α = 45º :
a) Calculer la valeur moyenne Vch de la tension vch aux bornes de la charge.
b) Déterminer le courant Ich dans la charge. Déduire la valeur de la puissance active P fournie
par la source.
c) Calculer la valeur efficace VchE de la tension aux bornes de la charge. Déduire le taux
d’ondulation (% rv) de la tension vch.
d) Tracer le courant iTh1 et la tension vTh1 du thyristor Th1. Calculer la valeur moyenne et la
valeur efficace du courant i Th1 .
e) Calculer la puissance apparente S fournie par la source d’alimentation et en déduire la
valeur du facteur de puissance.
Tracer le courant ia à la source. Calculer la valeur efficace Ia1E et le déphasage θ1 de la
composante fondamentale de la série de Fourier du courant ia. En déduire la puissance
réactive Q fournie par la source d’alimentation.
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Question 2 (25 points)
Soit le redresseur contrôlé triphasé à simple alternance (figure 2) alimenté par une source de
tension triphasée dont la tension simple efficace est V s = 170 V et la fréquence f = 60 Hz. Le
courant à la charge est parfaitement lissé.
ia
Th1
Lc
+
va
vb
vTh1
Lc
Th2
Lc
Th3
iTh1
+
vch
Ich
vc
Figure 2
a) L’angle d’amorçage étant de 45 o. Tracer la forme d’onde de la tension vch aux bornes de
la charge. Calculer sa valeur moyenne et sa valeur efficace.
La source possède une inductance Lc = 3 mH par phase. La chute de tension aux bornes d’un
thyristor en conduction est estimée à1,5 V. L’angle du retard à l’amorçage est conservé à 45o.
Le courant dans la charge est égal à 20 A.
Dans ces conditions :
b) Calculer l’angle d’empiètement µ.
c) Déterminer la durée de conduction des thyristors. Calculer le courant moyen et le courant
efficace des thyristors.
d) Calculer la valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge, en tenant compte du
phénomène d’empiètement et de la chute de tension aux bornes des thyristors.
e) Chaque thyristor est monté seul sur un radiateur. Calculer la résistance thermique totale
(boîtier-radiateur + radiateur-ambiant) pour que la température de la jonction ne dépasse
par 135o. La température ambiante étant de 40o et la résistance thermique jonction-boîtier
est de 0,4 o C/W.
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Question 3 (25 points)
Db
Lf
K
X
2:1
Com mand e
∞
X
C f Vs
LHF CHF
R ch
X
Tfo
v e = 170 sin ωt
ω = 377 rad/s
X
Figure 3
Vréseau E = 120 V, L HF = 680 µH, f = 50 kHz et Rch = 15 Ω
Le filtre Lf Cf permet d’éliminer complètement l’ondulation de 120 Hz de la tension Vs
redressée et appliquée à l’entrée du hacheur.
a) Déterminer les rapports cycliques α min et α max qui permettent d’avoir une puissance P ch
variant de 150 à 350 watts.
b) Calculer le taux d’ondulation du courant dans l’inductance LHF quand le hacheur fournit la
puissance maximale.
c) Dimensionner les interrupteurs :
[
K VK , ˆI K , IK
[
]
Db Vinv , ˆID , ID
]
d) Calculer la valeur du condensateur de sortie qui permet d’avoir un taux d’ondulation de
5 %.
e) Dimensionner le transformateur [ Tfo ] .
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Question 4 (25 points)
Un ondulateur monophasé est utilisé pour alimenter une charge résistive. Le schéma de
l’ondulateur est montré ci-dessous. Les séquences de la commande des interrupteurs sont
données : vs = 200 volts et Rch = 3 Ω.
S1, S3
S2
S1
X
0,01
X
Rch
0,025 s
S2, S4
Vs
X
S4
S3
X
0,0125 s 0,0225 s
Figure 4
a) Déterminer la fréquence de fonctionnement de l’ondulateur.
b) Quel est l’angle de déphasages δ (delta) qui sépare la commande des interrupteurs
S1, S3 de S 2, S4 ?
c) Quelle est la valeur efficace de la tension aux bornes de la charge ?
d) Quelle est la puissance dissipée dans la charge ?
e) Dimensionner un interrupteur en calculant son courant efficace et sa tension maximum.
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