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CS Conversion statique d’énergie
Cours
cours CS-3
redressement
Cours CS 3
TSI1
La Conversion Statique d’Energie
X
TSI2
Période
Conversion statique AC – DC : Redressement
Cycle7 : Conversion statique d’énergie
1
2
3
4
5
X
Durée : 2 semaines
1- Introduction :
Le TGV POS a été mis en service juin 2007, départ de Paris
vers Strasbourg, Metz,
Munich, Francfort, Zurich et Luxembourg (vitesse commerciale
de 320 km.h-1 sur leparcours français et de 300 km.h-1 sur
lignes grande vitesse allemandes).
Chacune des 2 motrices est constituée de 4 ensembles
"essieux-moteurs" regroupés en2 blocs moteurs (de 1200 kW),
un par bogie.
Pour le TGV POS, la pénétration sur les réseaux allemands et
suisses nécessite desrames tri-tensions adaptées aux tensions
25kV-50Hz monophasée et 1500V continu duréseau français
et, d’autre part, à la tension spécifique 15 kV-16,7Hz des
réseauxallemands et suisses.
Exigences :
1500 V continu
Sur réseau alternatif, le
courant absorbé au
primaire du
transformateur est
quasi-sinusoïdal.
Cet exemple montre que, dans le cadre de la traction ferroviaire, leconvertisseur statique alternatifcontinu est largement utilisé.
Analyser
Modéliser
Résoudre
Expérimenter
Concevoir
Réaliser
Communiquer
Choisir une démarche de résolution
%
Savoirs faires associés
§
bilan
Proposer une méthode de résolution permettant la détermination des courants, des tensions et des
puissances échangées
Procéder à la mise en œuvre d'une démarche de résolution analytique
Savoirs faires associés
%
§
Déterminer les courants et tension dans les composants
Déterminer les puissances échangées
Déterminer les énergies transmises ou stockées
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2 et 3
bilan
2 et 3
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2- Principe d’un montage redresseur
redressement
Lorsque le montage est constitué de diodes associées en parallèle, deux cas de figures pourront se
présenter :
- Les diodes sont associées en cathode commune, les anodes sont reliées à des potentiels différents
- Les diodes sont associées en anode commune, les cathodes sont reliées à des potentiels différents
Règles de conduction :
Dans un montage à cathodes communes, la seule diode qui se mettra à conduire est celle qui
dispose du potentiel d’anode le plus élevé.
Dans un montage à anodes communes, la seule diode qui se mettra à conduire est celle qui
dispose du potentiel de cathode le plus faible.
L’exemple ci-dessous montre un montage à cathode commune.
D1
ie1
Ve1~
ie2
Ve2~
V√2
Vs
D2
Ve1
Cas où Ve1 > Ve2 :
La diode D1 est passante, ie1 = is ; Vs = Ve1 et ie2 = 0
is
Ve2
Cas où Ve1 < Ve2 :
La diode D2 est passante, ie2 = is ; Vs = Ve2 et ie1 = 0
t
-V√2
-V√2
Is
Is
Vs
V√2
D1
ie2
ie1
Is
Is
t
t
D1
t
D2
D2
t
D1
D2
2-Le montage parallèle double :
Dans le montage précédent, deux sources de tensions étaient nécessaires pour obtenir une tension
redressée double alternance. On peut, à partir d’une seule source de tension alternative obtenir le même
résultat en utilisant le convertisseur suivant :
2-1 Structure du convertisseur :
Ie
Ie
D1
D4
Ve~
Ve
Is
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AC
DC
Vs
Ve(t) = V√2 sin (ωet) 
Is > 0, conduction continue
Vs
D2
Is
D3
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La source de tension est alternative, la source de courant est continue.
redressement
Définition :
Le convertisseur fonctionne en conduction continue si le courant reste strictement positif.
Si le courant devient nul, le convertisseur fonctionnera alors en conduction discontinue
2-3 Fonctionnement :
D1
D1
D4
Ie
Is
Ve~
D4
Ie
Ve~
Is
Vs
Vs
Vs
D3
D2
D2
Lors de l’alternance positive de Ve, les diodes
D1 et D3 conduisent.
D3
Lors de l’alternance négative de Ve, les diodes
D2 et D4 conduisent.
En considérant la source de courant parfaite, l’allure du courant et la tension en entrée et en sortie prend la
forme suivante :
Ve
V√2
Vs
V√2
t
t
-V√2
Ie
-V√2
Te = 2π/ω
Ts
Te = 2π/ω
Is
Is
Is
t
t
-Is
Te = 2π/ω
Expression de la valeur moyenne de la tension en sortie du convertisseur :
De 0 à Ts
Vs = V√2.sin(ωet)
1
𝑇𝑠
d’où < 𝑉𝑆 > = 𝑇 ∫0 V√2. sin(ωe t)dt soit
𝑆
< 𝑽𝒔(𝒕) > =
𝟐𝑽√𝟐
𝝅
2-4 Expression des puissances :
Ie
Ve
Puissance de sortie : Le courant est considéré constant et égal à Is, alors :
Is
𝑷𝒔 =
AC
DC
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Vs
𝟐𝑽√𝟐
∗ 𝑰𝒔
𝝅
Puissance d’entrée : La tension est considérée parfaitement sinusoïdale :
𝑷𝒆 = 𝑽 ∗ 𝑰𝒔
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On en déduit donc le facteur de puissance du convertisseur comme étant le rapport de P sur S avec S =
V*Is (Is correspond à la valeur efficace de ie(t)).
𝑭𝒑 =
𝑷𝒆
𝑺
=
𝑷𝒔
𝑺
=
𝟐√𝟐
𝝅
= 𝟎, 𝟗
La tension de sortie Vs ne peut-être que positive, le courant l’étant
aussi, on peut constater que le convertisseur ne présente pas de
réversibilité en tension ou en courant. Il ne fonctionne donc que sur
un quadrant.
2-5 Choix des diodes :
Les diodes qui composent le convertisseur sont soumises à des
courants positifs et des tensions inverses qui ont été relevé cidessous :
Le courant qui traverse la diode peut donc se mettre sous la forme suivante :
𝟏 𝑻
𝑰𝒔
𝑰𝑫𝒆𝒇𝒇 = √ ∫ 𝒊𝟐𝑫𝟏 (𝒕)𝒅𝒕 =
𝑻 𝟎
√𝟐
𝑰𝒔
< 𝐼𝑫 > =
< 𝑰𝑭𝑨𝑽
𝟐
𝑰𝑫𝒎𝒂𝒙 = 𝑰𝒔
A l’état bloqué, la diode est soumise à une tension inverse telle que :
𝑽𝑫𝒎𝒂𝒙 = 𝑽√𝟐
Le choix du composant se fera à partir des valeurs précédemment calculées.
Les constructeurs donnent les indications suivantes :
ID : courant direct efficace dans la diode doit être supérieur au courant IDeff calculé
IFAV : ForwardAVerage : courant direct moyen qui doit être supérieur à <ID> calculé
IFSM : Forward Surge Max : courant impulsionnel maximum qui doit être supérieur à IDmax
VRRM : Rear Repetitive Max : tension inverse maximale supérieure à VDmax
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3- Refroidissement des semi-conducteurs :
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3-1 Pertes par conduction :
En réalité, la diode n’étant pas un composant parfait, on peut l’assimiler a l’état passant à un modèle
équivalent simplifié composé d’une source de tension VFen série avec une résistance dynamique notée rT.
VF
iK
IK
VK
rT
VT0
Schéma équivalent de la diode à l’état passant
La diode dissipedonc de l’énergie lorsqu’elle est en conduction. On peut définir à partir du modèle
équivalent déterminéles pertes par conduction de la diode :
𝑷𝑫 = 𝑽𝑻𝟎 ∗ 𝑰𝑭𝑨𝑽 + 𝒓𝑻 ∗ 𝑰𝑫 ² = 𝑽𝑭 ∗ 𝑰𝑭𝑨𝑽
Ces pertes sont dissipées par effet Joule (Energie thermique) qui va provoquer une élévation de la
température du composant.
La température θJ des jonctions des interrupteurs statiques est limitée à θJmax(donnée intrinsèque au
composant fournie par le constructeur).
Si θJ>θJmax, il y a destruction du composant.
Il faut donc évacuer la puissance perdue par effet Joule.
=> Dissipateur thermique (appelé aussi radiateur)
3-2 Dissipateur thermique :
Les dissipateurs par conduction naturelle sont de simples
radiateurs constitués d’ailettes permettant d’augmenter la
surface d’échange thermique entre le matériau et l’air.
Les dissipateurs peuvent-être à refroidissement forcé
par ventilation ou circulation d’un fluide caloporteur
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Modèle équivalent thermique :
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Les pertes générées par la diode doivent être évacuées par conduction entre la puce et le boitier, puis
entre le boitier et le radiateur, et enfin par convection entre le radiateur et l’air ambiant :
On peut en déduire un schéma équivalent thermique ci-dessous qui répond, en faisant une analogie, aux
mêmes règles qu’un schéma électrique :
- Les pertes PD sont assimilables à une source de courant
- Les résistances thermiques sont assimilables à des résistances électriques
- Les différences de températures s’apparentent à des différences de potentiels
θj-θamb
θj
jonction
θb
PD
RthJB
θd
RthBD
θamb
RthDA
Air ambiant
boitier
dissipateur
En appliquant la loi d’ohm :
θj - θamb = ΣRth*PD
On peut donc dimensionner le dissipateur thermique en calculant sa résistance thermique :
𝑹𝒕𝒉𝑫𝑨 =
𝛉𝐣 − 𝛉𝐚𝐦𝐛
−
𝑷𝑫
𝑹𝒕𝒉𝑱𝑩 − 𝑹𝒕𝒉𝑩𝑫
Si on veut améliorer le refroidissement, il faut favoriser
l’évacuation de la chaleur en diminuantla résistance
thermique du dissipateurce qui revient à augmenter sa
taille.
Ex : si on veut une résistance RthDA=2°C/W
Il faudra un dissipateur de 50mm de longueur
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