ELECTRONIQUE INDUSTRIELLE RESUME L'électronique analogique date du début du siècle avec, comme premier composant actif, le tube. Recherche fondamentale et évolution des technologies ont fait apparaître les transistors dans les années 50, les circuits intégrés de « petit intégration » dans les années 60 et de « grande intégration» dans les années 70. Depuis plus d'une décennie, l'électronique numérique a « écrasé» l'électronique analogique avec l'avènement du microprocesseur et de l'informatique industrielle. Cependant, l'électronique analogique est toujours d'actualité, et l'industrie réclame des t ec hnic iens connaissant cette discipline. Aussi la collection Electronique analogique a pour objectif de sensibiliser les étudiants de première formation, de formation permanente ainsi que les professeurs et les techniciens de l'industrie. Chaque tome de la collection traite un sujet bien défini tel que l'électronique industrielle, la boucle à verrouillage de phase, l'amplification en tension et puissance, l'amplificateur opérationnel, les alimentations linéaires et à découpage, les filtres électriques, les horloges et oscillateurs... Des livres d'exercices et de manipulations «dirigées» compléteront la collection. Dans ces ouvrages, l'accent est mis, sur l'application. Chaque thème est présenté qualitativement d'abord et quantitativement. ensuite. Les composants sont soit idéalisés, soit étudiés à partir de caractéristiques réelles. Les nombreux schémas d'application constituent un atout pédagogique exceptionnel. TABLE DES MATIERES Chapitre 1. Généralités 1 1.1. 1.2. 1.3. 1 2 3 3 4 4 5 5 1.4. Philosophie de l'électronique industrielle Les fonctions de puissance Les domaines d'application 1.3.1. Redresseurs et onduleurs assistés 1.3.2. Hacheurs 1.3.3. Onduleurs autonomes 1.3.4. Gradateurs et cycIoconvertisseurs Principe de contrôle Chapitre 2. Electromagnétisme 7 2.1. Relations fondamentales 7 2.2. Induction magnétique, propriétés magnétiques du courant 2.2.1. Aimentation naturelle 2.2.2. Circuits électriques parcourus par un courant 2.2.3. Définitions 2.2.4. Loi de Biot et Savart 2.2.5. Applications 2.2.6. Exercices Flux d'induction magne tique 2.3.1. Relations 2.3.2. Exercices 7 7 8 9 9 10 11 13 13 14 Force d'induction ou force de Laplace 16 2.4.1. Action mécanique d'un champ sur un courant 16 2.4.1.1. Relations 2.4.1.2. Cas de deux conducteurs parallèles 2.4.1.3. Travail de la force électromagnétique 2.4.1.4. Exercices Action mécanique d'un champ sur circuit ferme 2.4.2.1. Règle du flux maximum 2.4.2.2. Action d'un champ sur un cadre 16 17 18 19 20 20 20 2.3. 2.4. 2.4.2. 2.4.2.2. Action d'un champ sur un cadre 20 2.5. Induction électromagnétique 2.5.1. Lois fondamentales 2.5.2. Application pour un circuit 2.5.3. Application pour un conducteur 2.5.4. Exercices 21 21 22 23 23 2.6. Auto-induction 2.6.1. Expérience 2.6.2. Définition de l'inductance 2.6.3. Etablissement du courant dans une inductance 2.6.4. Inductance d'un solénoïde 2.6.5. Energie emmagasinée dans une inductance 2.6.6. Inductance mutuelle dans l'air 2.6.7. Associations d'inductances 2.6.7.1. Sans mutuelle 2.6.7.2. Avec mutuelle 2.6.8. Exercices 25 25 25 26 26 27 28 29 29 29 30 Chapitre 3. Ferromagnétisme 35 3.1. Circuit magnétique linéaire 3.1.1. Rappel d'électromagnétisme 3.1.2. Circuit homogène de section constante et non saturé 3.1.3. Problèmes physiques de l'entrefer 3.1.4. Disposition de l'enroulement excitateur 3.1.5. Association série de tronçons magnétiques 3.1.6. Circuits magnétiques, non bobinés 3.1.7. Exercices 35 35 36 37 37 38 39 40 3.2. Circuit magnétique saturable 3.2.1. Courbes d'aimantation typiques 3.2.2. Phénomène d'hystérésis 3.2.3. Pertes dans un circuit magnétique 3.2.4. Aimants permanents 3.2.5. Caractéristiques magnétiques de certains matériaux 3.2.5.1. Courbes de magnétisme des fontes et aciers massifs utilisés dans la construction des machines électriques 3.2.5.2. Courbes de magnétisme pour les tôles fer-silicium utilisées dans la construction des machines électriques 40 40 40 41 42 43 43 43 Chapitre 4. Grandeurs périodiques 45 4.1. Définitions 4.1.1. Grandeur périodique 4.1.2. Valeur moyenne 4.1.3. Valeur efficace 4.1.4. Grandeurs sinusoïdales 4.1.5. Puissance reçue par un circuit 4.1.6. Rappel mathématique 4.1.7. Exercices 45 45 45 45 46 46 47 47 4.2. Représentation des grandeurs sinusoïdales 4.2.1. Représentation de Fresnel 4.2.1.1. Représentation vectorielle (courant-tension) d'éléments simples 4.2.1.2. Association d'éléments en série 4.2.1.3. Association d'éléments en parallèle 4.2.2. Exercices appliqués à la représentation de Fresnel 4.2.3. Représentation imaginaire 53 53 53 55 56 56 58 4.2.3.1. Rappel mathématique 4.2.3.2. Relations usuelles 58 59 4.2.3.3. Application à l'électricité Exercices appliqués aux imaginaires 60 61 Réseaux monophasé et triphasé 4.3.1. Réseau monophasé 4.3.1.1. Représentation temporelle 4.3.1.2. Représentation de Fresnel 4.3.1.3. Puissances 4.3.1.4. Relèvement du facteur de puissance 4.3.2. Réseau triphasé 4.3.2.1. Représentation temporelle 4.3.2.2. Représentation de Fresnel 4.3.2.3. Montages étoile et triangle 4.3.2.4. Puissance en triphasé équilibré 4.3.3. Réseau diphasé 63 64 64 64 65 65 65 66 66 67 68 69 4.2.4. 4.3. 4.3.3. 4.3.4. Réseau diphasé Exercices 69 69 Chapitre 5. Machines électriques industrielles 75 5.1. Transformateur 5.1.1. Circuit magnétique en alternatif et f.é.m. induite 5.1.2. Transformateur d’alimentation 5.1.2.1. Transformateur parfait à vide 5.1.2.2. Transformateur parfait en charge 5.1.2.3. Transformateur réel 5.1.2.4. Détermination des éléments d’un transformateur d’alimentation faible puissance 5.1.3. Transformateurs spéciaux 5.1.4. Transformateurs en électronique basse fréquence 5.1.5. Exercices 75 75 77 77 78 79 5.2. Eléments de mécanique 5.2.1. Couple ou moment d'une force 5.2.2. Puissance transmise en rotation 5.2.3. Couples résistants 5.2.4. Ensemble moteur + charge 85 85 85 85 86 5.3. Machines à courant continu 5.3.1. Génératrice à courant continu 5.3.1.1. Principe 5.3.1.2. Force électromotrice E 5.3.1.3. Caractéristiques électriques 5.3.2. Moteur à courant continu 5.3.2.1. Principe 5.3.2.2. Relations fondamentales 5.3.2.3. Caractéristiques des moteurs 5.3.2.4. Comparaison des caractéristiques des moteurs à courant continu 5.3.2.5. Exercices 88 88 88 90 92 93 93 94 96 98 98 5.4. Machines synchrones 5.4.1. Principe de l'alternateur monophasé 5.4.2. Moteur synchrone 5.4.2.1. Champ tournant 5.4.2.2. Principe du moteur synchrone 5.4.2.3. Couple moteur 5.4.3. Compensateur synchrone Machines asynchrones 5.5.1. Principe 5.5.2. Moteur asynchrone triphasé 5.5.2.1. Constitution 5.5.2.2. Puissance et couple 5.5.3. Moteur asynchrone monophasé 5.5.4. Moteur asynchrone synchronisé 5.5.5. Génératrice asynchrone 5.5.6. Exercice 100 100 101 101 102 103 103 104 104 105 105 105 108 109 109 109 Moteur monophasé à collecteur 5.6.1. Fonctionnement du moteur continu série en alternatif 110 110 5.6.2. 5.6.3. 111 112 5.5. 5.6. 5.7. Caractéristiques du moteur universel Avantages et inconvénients du moteur universel Tableau de comparaison des moteurs 80 81 82 83 112 Chapitre 6. Machines électriques d'asservissement et de robotique 113 6.1. 113 113 113 114 114 115 115 115 116 118 119 119 120 120 122 Moteurs à courant continu 6.1.1. Technologie actuelle 6.1.1.1. Matériaux à aimants permanents 6.1.1.2. Avantages apportés par les aimants 6.1.1.3. Domaines d'applications des moteurs à aimants permanents 6.1.1.4. Phénomène de démagnétisation 6.1.2. Caractéristiques électromécaniques 6.1.2.1. Equations fondamentales 6.1.2.2. Caractéristiques couple-vitesse 6.1.2.3. Fonction de transfert et constante de temps 6.1.2.4. Machines homothétiques 6.1.2.5. Caractéristiques vitesse-temps 6.1.3. Types de moteurs à courant continu 6.1.3.1. Moteur à rotor bobiné avec fer 6.1.3.2. Moteur à rotor bobiné sans fer 6.1.3.2. Moteur à rotor bobiné sans fer 6.1.3.3. Moteur à rotor de faible diamètre et grande longueur 6.1.3.4. Moteur à rotor a grand diamètre 6.1.3.5. Moteur à rotor discoïdal ou induit plat Caractéristiques industrielles Exemple de caractéristiques 122 122 123 124 124 125 6.2. La machine synchrone autopilotée 6.2.1. Limitations technologiques de la machine à courant continu 6.2.2. Remplacement de la machine à courant continu 6.2.3. Principe de la machine synchrone autopilotée 6.2.4. Alimentation de la machine synchrone 125 125 125 127 127 6.3. Moteurs 6.3.1. 6.3.2. 6.3.3. 6.3.4. 128 129 129 130 130 6.4. Moteurs pas à pas 6.4.1. Présentation 6.4.2. Systèmes reluctants 6.4.2.1. Systèmes reluctants non polarisés à bobine excitat rice 6.4.2.2. Systèmes reluctants polarisés 6.4.3. Types de moteurs pas à pas 6.4.3.1. Moteurs reluctants 6.4.3.2. Moteurs à aimant permanent 6.4.3.3. Moteurs hybrides ou reluctants polarisés 6.4.4. Caractéristiques des moteurs pas à pas 6.4.4.1. Comparaisons fondamentales 6.4.4.2. Définitions et terminologie 6.4.4.3. Caractéristiques communes 6.4.4.4. Phénomène d'oscillation 6.4.4.5. Paramètres de calculs et symbolisation 6.4.5. Moteurs pas à pas à reluctance variable 6.4.5.1. Moteur simple circuit 6.4.5.2. Moteur à trois circuits magnétiques distincts 6.4.6. Moteurs pas à pas à aimants permanents 6.4.6.1. Principe de fonctionnement et définitions 6.4.6.2. Couples 6.4.6.3. Réalisation 6.4.7. Moteurs pas à pas hybrides 6.4.8. Caractéristiques des moteurs 6.1.4. 6.1.5. à courant alternatif Moteur diphasé Moteur à bobine écran Moteur synchronisé Moteur à hystérésis 6.4.9. Moteurs pas à pas linéaires 6.4.9.1. Dispositions relatives 6.4.9.2. Moteur linéaire à aimant permanent 6.4.10. Moteurs pas à pas monophasés 6.4.10.1. 6.4.10.2. 6.4.10.3. 6.4.10.4. Moteur à pôles ou dents asymétriques Moteur à aimants auxiliaires Moteur à spires en court-circuit Exemples pratiques 131 131 132 132 133 134 135 135 136 136 136 137 137 139 139 140 140 141 143 143 143 144 149 152 152 152 153 154 154 154 155 155 6.5. Le stéréomoteur 155 6.6. L’évolution du moteur de faible puissance 157 Chapitre 7. Les composants de l’électronique de puissance 161 7.1. Diodes de redressement et diodes rapides 7.1.1. Présentation 7.1.2. Eléments parasites d’une diode 7.1.2.1. Diode bloquée, polarisée en inverse 7.1.2.2. Diode polarisée en direct 7.1.3. Diode en commutation 7.1.4. Conclusion 7.1.5. Caractéristiques de diodes 161 161 162 162 163 163 165 165 7.2. Transistors bipolaires de puissance 7.2.1. Caractéristiques et limitations 7.2.1.1. Rappel 7.2.1.2. Commutation 7.2.1.3. Limitations technologiques 7.2.2. Technologie de fabrication 7.2.2.1. Technologie homobase 7.2.2.2. Technologie a base épitaxiée 7.2.2.3. Technologie triple diffusée 170 170 170 170 172 175 175 176 176 7.2.3. 7.2.4. 7.2.5. 7.2.6. 7.2.2.3. Technologie triple diffusée 7.2.2.4. Technologie multi-émetteur (planar épitaxiée) Aire de sécurité et aide à la commutation 7.2.3.1. Pertes dues à la commutation 7.2.3.2. Exemple de mauvaise commutation 7.2.3.3. Réseau d’aide à la commutation Commande des transistors de puissance 7.2.4.1. Importance de la commande 7.2.4.2. Exemple de circuits de commande Association des transistors 7.2.5.1. Mise en parallèle 7.2.5.2. Mise en série Exemple de caractéristiques 176 177 177 177 178 179 179 179 179 181 181 184 184 7.3. Transistors Darlington de puissance 189 7.4. Transistors à effet de champ de puissance 7.4.1. Présentation et caractéristiques 7.4.2. Technologie 7.4.3. Transistor MOS en commutation 7.4.4. Aire de sécurité 7.4.5. Fonctionnement en parallèle 7.4.6. Commande des transistors 7.4.7. Applications des transistors MOS de puissance 7.4.8. Transistors de puissance MOS + bipolaire 7.4.9. Exemple de caractéristiques 192 192 193 193 193 194 194 195 195 196 7.5. Thyristors 7.5.1. Présentation 7.5.2. Caractéristiques 7.5.3. Protection des thyristors 7.5.3.1. Contre les surtensions 7.5.3.2. Contre les dv/dt 7.5.3.3. Contre les surintensités 7.5.3.4. Contre les di/dt à l’amorçage 196 196 199 200 200 201 201 201 7.5.4. Association des thyristors 7.5.4.1. Association série 7.5.4.2. Association parallèle Thyristors a blocage: GTO Conditions de bon fonctionnement d’un thyristor 201 201 202 202 202 7.5.6.1. Amorçage 7.5.6.2. Maintien 7.5.6.3. Blocage Quelques circuits d'amorçage 7.5.7.1. Par transistor unijonction (UJT) 7.5.7.2. Par transformateur d’impulsions Quelques circuits de blocage 7.5.8.1. Blocage par condensateur et thyristor secondaire 7.5.8.2. Blocage par circuit LC 7.5.8.3. Blocage par circuit LC commandé 7.5.8.4. Blocage par impulsions secondaires Exemple de caractéristiques 202 203 203 203 203 204 205 205 206 206 206 207 Caractéristiques courant-tension Types d'amorçages Circuits d'amorçage 7.6.3.1. Pardiac 7.6.3.2. Par transformateur d'impulsions 7.6.3.3. Par circuit intégré Parasites Quelques caractéristiques de diac et triac 207 207 210 210 210 211 211 211 211 7.5.5. 7.5.6. 7.5.7. 7.5.8. 7.5.9. 7.6. Triac 7.6.1. 7.6.2. 7.6.3. 7.6.4. 7.6.5. 7.7. Tableau comparatif des caractéristiques des composants discrets 7.8. Circuits intégrés pour moteurs à courant continu 215 216 Chapitre 8. Comportement des condensateurs, inductances et transformateurs en régime impulsionnel 219 8.1. Lois générales 8.1.1. Condensateur 8.1.2. Inductance 219 219 219 8.2. Charge et décharge d'un condensateur 220 8.2. Charge et décharge d'un condensateur 8.2.1. Charge et décharge au travers une résistance 8.2.2. Charge d'un condensateur à courant constant 220 220 221 8.3. Inductance en régime impulsionneI 8.3.1. Réseau RL 8.3.2. Inductance pure 222 222 223 8.4. Transformateur non saturé en régime impulsionnel 8.4.1. Transformateur à vide 8.4.2. Transformateur avec charge résistive Exercices d'application 224 224 225 226 8.5. Chapitre 9. Convertisseurs alternatif-continu 237 9.1. Généralités 9.1.1. Réversibilité 9.1.2. Définitions 9.1.3. Conduction de deux diodes à électrodes communes 9.1.4. Conduction de deux thyristors à électrodes communes 237 237 237 238 238 9.2. Redressement monoalternance sur charge quelconque 9.2.1. Circuit de base 9.2.2. Charge resistive R 9.2.3. Charge inductive RL 9.2.4. Charge avec force électromotrice RE 9.2.5. Charge complète RLE 9.2.6. Résumé des formes d'ondes en redressement monophasé 9.2.7. Charges inductives RL avec une diode de roue libre 9.2.8. Inconvénients du redressement monoalternance 239 239 239 241 244 246 247 248 248 9.3. Redressement double alternance sur charge quelconque 9.3.1. Charge résistive R 249 249 9.3.2. 9.3.3. 251 252 Charge inductive RL Charge complète RLE avec thyristor 9.4. Principe de l'onduleur monophasé 253 9.5. Redressement triphasé 9.5.1. Redressement non commande à diodes 9.5.1.1. Redressement triphasé simple alternance 9.5.1.2. Redressement triphasé double alternance, à point milieu 9.5.1.3. Redressement triphasé double alternance, à pont de Graetz 9.5.2. Redressement commande à thyristors 256 256 256 258 259 261 Chapitre 10. Convertisseurs continu-continu 263 10.1. Généralités 10.1.1. Problème du rendement sur charge résistive 10.1.2. Charge inductive L ou RL 10.1.2.1. Inductance parfaite 10.1.2.2. Inductance résistive 10.1.3. Charge complète RLE' 263 263 264 264 265 266 10.2. Considérations technologiques 10.2.1. Influence de la fréquence sur les éléments du hacheur 10.2.2. Influence de la fréquence sur l'ondulation 10.2.3. Influence de la fréquence sur la source continue 10.2.4. Réglage de la fréquence de travail 267 267 268 268 269 10.3. Moteurs à courant continu alimentés par hacheurs 10.3.1. Fonctionnement en moteur: hacheur dévolteur 10.3.2. Fonctionnement en freinage et récupération: hacheur survolteur 10.3.3. Schémas d'applications 10.3.3.1. Un sens de rotation sans freinage 10.3.3.2. Un sens de rotation avec freinage par récupérat ion 10.3.3.3. Deux sens de rotation sans récupération 10.3.3.4. Fonctionnement du moteur pour deux sens de rotation avec récupération 10.3.4. Cas particulier 10.3.5. Hacheurs à thyristor 269 270 271 272 272 272 273 Les alimentations à découpage 10.4.1. Généralités 10.4.1.1. Intérêt 10.4.1.2. Classification 10.4.1.3. Fonctionnement 277 277 277 277 277 10.4. 273 274 275 10.5. 10.4.1.3. Fonctionnement 10.4.2. Alimentations non isolées de la source 10.4.2.1. Abaisseur de tension 10.4.2.2. Elévateur de tension 10.4.2.3. Inverseur de polarité 10.4.3. Alimentations isolées de la source 10.4.3.1. Alimentation par échange d'énergie (type flyback) 10.4.3.2. Alimentation par effet transformateur (type forward) 10.4.3.3. Alimentation push-pull 277 278 278 279 281 282 282 284 284 Cas des alimentations auto-oscillatrices 287 Chapitre 11. Convertisseurs continu-alternatif 289 11.1 Généralités 11.1.1. Utilisation 11.1.1.1. Groupes de secours 11.1.1.2. Alimentation alternative faible puissance 11.1.1.3. Alimentation des moteurs asynchrones 11.1.2. Configurations utilisées 11.1.2.1. Onduleur série 11.1.2.2. Onduleur en pont (ou en H) 11.1.2.3. Onduleur parallèle a transformateur 11.1.2.4. Onduleur à résonnance 11.1.3. Formes d'ondes 289 289 289 290 290 291 291 292 292 293 293 11.2. Schémas à transistors et thyristors 11.2.1. Onduleur série 11.2.1.1. Formes d'ondes (mutateurs) 11.2.1.2. Schémas de principe 11.2.2. Onduleur en pont (en H) 11.2.2.1. A transistors 11.2.2.2. A thyristors 11.2.3. Onduleurs parallèles 11.2.3.1. A transistors 11.2.3.2. A thyristors 295 295 295 296 297 297 298 299 299 300 11.3. Diminution du taux d'harmoniques 11.3.1. Ondes en créneaux 11.3.2. Ondes en MU ou PWM 11.3.2.1. PWM unipolaire 11.3.2.2. PWM bipolaire 11.3.2.3. Principe de commande 11.3.3. Filtres pour onduleurs 11.3.3.1. Filtres LC 11.3.3.2. Filtres série-parallèle 11.3.3.3. Stabilisateur à inductance saturable 300 301 302 302 302 302 303 303 305 305 11.4. Onduleurs à résonnance 11.4.1. Circuit RLC 11.4.1.1. Régime sinusoïdal 11.4.1.2. Régime impulsionnel (signaux carres) 11.4.2. Réalisations pratiques (à thyristors) 306 306 306 307 307 11.5. Onduleurs triphasés 308 Chapitre 12. Convertisseurs alternatif-alternatif 311 12.1. 12.2. Composants utilisés 12.1.1. Triac 12.1.2. Thyristors tête-bêche 12.1.3. Thyristors à cathode commune 12.1.4. Thyristors tête-bêche isolés Interrupteurs statiques 311 311 311 312 312 312 12.3. Gradateurs 313 12.4. Régulateurs de tension 314 12.5. Cycloconvertisseur 12.5.1. Entrée monophasée, sortie monophasée 12.5.2. Entrée triphasée, sortie monophasée 12.5.3. Entrée triphasée, sortie triphasée 316 316 316 318 Chapitre 13. Réalisations et applications industrielles 319 13.1. Commande des transistors bipolaires de puissance 13.1.1. Schémas de base 13.1.2. Quelques applications 319 319 323 13.2. Commande de transistors MOS de puissance 323 13.3. Commande de thyristors 327 13.4. Commande de thyristors GTO (gale turn-off) 329 13.5. Commande des moteurs pas à pas 13.5.1. Documents divers 13.5.2. Document RTC 13.5.3. Document Thomson 13.5.4. Document IUT de Cachan 13.5.5. Commande par électronique microprogrammée 330 332 333 336 336 338 13.6. Commande des moteurs à courant continu par hacheurs 338 13.7. Exemple d’alimentation à découpage 346 13.8. Exemples de régulation 13.8.1. Régulation de la tension d’une génératrice à courant continu 13.8.2. Régulation de température de four 348 348 348 13.9. Onduleurs 349 Bibliographie TOP 357