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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 fonctions de connaître au moins les 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 1. La Diode 2. Le Thyristor 3. Le Transistor bipolaire 4. Redressement non commandé 5. Onduleur 6. Hacheur série 7. Gradateur 8. Étude des systèmes
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 par des systèmes à
microprocesseurs
en logique générés programmée qui
remplacent analogique
de plus en plus souvent la commande 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 k A 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 C B 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
i P v P
*
n
1 *
i c v n
2
v AK v c
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 i P v P
* *
v
1
v c i c v
2
n
1
n
2
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.
i P v P
*
n
1
n
*
i s v D
1
i D
1
D
2
i D
2 2
D
' 1
i D
' 1
D
' 2
i D
' 2
i c v c
14
Page 11
4. Redressement non
commandé
i P v P
*
n
1 *
i s v n
2
i c
Four
v c
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.
i P
1
i P
2
i P
3
v
1
v
2
v
3
D
1
i s
1
D
2
D
3
i s
2
i c i s
3
v c L R n
1
n
2
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.
i c L R i P
1
i P i P
2 3
n
1
v
1
i s
1
i s
2
i s
3
D
1 2
D
1 '
D
2 '
D
3
D
3 '
v c
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
6. Hacheur série
Page 14 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 (
D
i
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
v c
à valeur variable de
même fréquence
que la tension d’entrée,
Th
1
i c V Th
2
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 d’utilisation (chauffage d’un volume solide….)
V c
23
7. Gradateur
Un gradateur est un convertisseur alternatif - alternatif.
Alimenté par une tension alternative
v
, il donne à sa sortie une tension alternative
v c
à valeur variable de
même fréquence
que la tension d’entrée, 24
8. Étude des systèmes
Page 16
I. Quadrants de fonctionnement
vitesse Frein avec vitesse positive Moteur avec vitesse positive Moteur avec vitesse négative couple Frein avec vitesse négative
25
8. Étude des systèmes
Page 17
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 continu;
-
variateurs de vitesse pour les moteurs alternatif;
-
alimentations sans coupure
.
à courant à courant
27
8. Étude des systèmes
Les signaux de commande sont aujourd'hui des systèmes à
microprocesseurs
en logique programmée qui générés par
remplacent
de plus en plus souvent la commande amplificateurs opérationnels.
analogique
par Dans tous ces cas, le considérablement
rendement en
augmenté avec
énergie
l'électronique a puissance, qui condamne les groupes convertisseurs.
été de 28
exercice1
1) Quelle est la caractéristique i = f(u) d'une diode idéale en convention récepteur ?
i (en A) u (en V) i (en A) u (en V) i (en A) u (en V)
a
)
b
)
c
)
29
Exercice1.2
1) Pour amorcer un thyristor, il faut: u AK <0 et une impulsion i g .
u AK >0 et une impulsion i g .
u AK <0 u AK >0 30
Exercice1.3
1) La tension u est la tension de sortie d'un hacheur: Le rapport cyclique est : = t 0 /T = (T-t 0 )/T = U 0 /u
u
(t )
U
0
t
0
T t
31
Exercice1. 4
1) La valeur moyenne de la tension u (question 5) vaut: = U 0 t 0 / T = U 0 = U 0 2 / = U 0 / 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 Schéma électrique Exercices page11 D 1 Secteur EDF 220V/50Hz T D 2 Y C INV u C D 4 u D3 D 3 r =1 i C L Y A MCC Y B 42
Redresseur PD2 Y A Exercices Oscillogramme Y C
Vitesse de balayage : .....
5 ms
.. /cm XY
X = voie .......
Sensibilités Y
A :......
5 V
........ /cm ( tension : )
Y
B : .....
0.5 V
..........
/cm ( tension : ) Y
C :......
5 V
........ /cm ( tension : ) 43 Y B
0 V
Redresseur PD2 Exercices Indiquer les réponses qui vous semblent correctes.
1.
Le transformateur T est un transformateur :
a.
abaisseur de tension ;
b.
élévateur de tension.
Y A
1.
Le transformateur T est un transformateur :
a.
abaisseur de tension.
En effet au primaire du transformateur :
U
1 max
220 * 2
311
V
alors qu’au secondaire du transformateur :
U
2 max
U c
max (
voieY A
)
3 * 5
15
V
.
Donc U 2MAX < U 1MAX , le transformateur est abaisseur de tension.
Y C
Vitesse de balayage : .....
5 ms
.. /cm XY
X = voie .......
Sensibilités Y
A :......
5 V
........ /cm ( tension : )
Y
B : .....
0.5 V
..........
/cm ( tension : ) Y
C :......
5 V
........ /cm ( tension : ) 44 Y B
0 V
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 :
m
U 2MAX U 1MAX
U U CMAX 1MAX
15 311
0,05
Y A Y C
Vitesse de balayage : .....
5 ms
.. /cm XY
X = voie .......
Sensibilités Y
A :......
5 V
........ /cm ( tension : )
Y
B : .....
0.5 V
..........
/cm ( tension : ) Y
C :......
5 V
........ /cm ( tension : ) 45 Y B
0 V
Redresseur PD2 Exercices Y A
3.
La tension u C aux bornes de la charge est :
a.
continue ;
b.
unidirectionnelle ;
c.
bidirectionnelle ;
d.
sinusoïdale.
3. La tension u C aux bornes de la charge est : b. unidirectionnelle.
La tension u C est relevée sur la voie Y A . On constate sur l’oscillogramme que la tension u C est continuellement positive, donc unidirectionnelle.
Y C
Vitesse de balayage : .....
5 ms
.. /cm XY
X = voie .......
Sensibilités Y
A :......
5 V
........ /cm ( tension : )
Y
B : .....
0.5 V
..........
/cm ( tension : ) Y
C :......
5 V
........ /cm ( tension : ) 46 Y B
0 V
Redresseur PD2 Exercices
4.
La fréquence de la tension u C est égale à :
a.
200 Hz ;
b.
100 Hz ;
c.
50 Hz ;
d.
25 Hz.
4.
La fréquence de la tension u C est égale à :
b.
100 Hz.
Sur l’oscillogramme on relève : T uc = 2
5.10
-3 = 10.10
-3 s donc f Uc
1 T Uc
1 10.10
3
100 Hz
Y A Y C
Vitesse de balayage : .....
5 ms
.. /cm XY
X = voie .......
Sensibilités Y
A :......
5 V
........ /cm ( tension : )
Y
B : .....
0.5 V
..........
/cm ( tension : ) Y
C :......
5 V
........ /cm ( tension : ) 47 Y B
0 V
Redresseur PD2 Exercices Y A
5.
Le courant i C est :
a.
continu ;
b.
alternatif ;
c.
bidirectionnel ;
d.
sinusoïdale.
Secteur EDF 220V/50Hz
5.
Le courant i C est :
a.
continu Le courant i C est relevé sur la voie Y B . En effet sur la voie B on visualise la tension aux bornes d’une résistance r = 1 donc : u r = 1 i C .
On constate que le courant i C ne varie pas au cours du temps donc i C est un courant continu.
T D 1 D 2 Y C INV D 4 u D3 D 3 u C r =1 i C 48 L MCC Y B
Redresseur PD2 Exercices
6.
L'intensité du courant i C est égale à :
a.
0,25 A ;
b.
0,5 A ;
c.
4 A ;
d.
1 A ;
e.
2 A.
6.
L'intensité du courant i C est égale à :
d.
1 A.
En effet : i C = 2 0,5 = 1 A Y A Y C
Vitesse de balayage : .....
5 ms
.. /cm XY
X = voie .......
Sensibilités Y
A :......
5 V
........ /cm ( tension : )
Y
B : .....
0.5 V
..........
/cm ( tension : ) Y
C :......
5 V
........ /cm ( tension : ) 49 Y B
0 V
Redresseur PD2 Exercices
7.
La fréquence de la tension u D3 , tension aux bornes de la diode D 3 est :
a.
200 Hz ;
b.
100 Hz ;
c.
50 Hz ;
d.
25 Hz.
7.
La fréquence de la tension u D3 , tension aux bornes de la diode D 3 est :
c.
50 Hz.
Sur l’oscillogramme Y C , on relève : T uD3 = 4 5.10
-3 = 20.10
-3 s donc
f UD3
1 T UD3
1 20.10
3
50 Hz
Y A Y C
Vitesse de balayage : .....
5 ms
.. /cm XY
X = voie .......
Sensibilités Y
A :......
5 V
........ /cm ( tension : )
Y
B : .....
0.5 V
..........
/cm ( tension : ) Y
C :......
5 V
........ /cm ( tension : ) 50 Y B
0 V
Redresseur PD2 Exercices Y A
8.
La tension aux bornes d'une des trois autres diodes est identique à la tension aux bornes de la diode D 3 , c'est :
a.
la tension aux bornes de la diode D 1 ;
b.
la tension aux bornes de la diode D 2 ;
c.
la tension aux bornes de la diode D 4 .
Secteur EDF 220V/50Hz T D 1
8.
La tension aux bornes d'une des trois autres diodes est identique à la tension aux bornes de la diode D 3 , c'est :
a.
la tension aux bornes de la diode D 1 .
La diode D 3 conduit en même temps que la diode D 1 lors de l’alternance positive de la tension sinusoïdale fournie par le secondaire du transformateur D 2 Y C INV D 4 u D3 D 3 u C r =1 i C L MCC Y B 51
Redresseur PD2 Exercices
9.
Parmi les diodes dont les caractéristiques vous sont données ci-dessous, laquelle faut-il choisir ?
a.
1N 4148 (I F (courant direct continu) = 150 mA ; V RRM (tension de pointe inverse répétitive) = 75 V) ;
b.
BAV 19 (I F = 200 mA ; V RRM = 100 V) ;
c.
1N 4001 (I F = 1 A ; V RRM = 50 V).
9.
Parmi les diodes dont les caractéristiques vous sont données ci-dessous, laquelle vous utilisez :
c.
1N 4001 (I F = 1 A ; V RRM = 50 V).
L’intensité maximale du courant traversant les diodes est i C donc 1 A. De plus sur l’oscillogramme de u D3 , on constate que : U D3min = - 3 5 = - 15 V.
Seule la diode 1N 4001 peut convenir.
Y A Y C
Vitesse de balayage : .....
5 ms
.. /cm XY
X = voie .......
Sensibilités Y
A :......
5 V
........ /cm ( tension : )
Y
B : .....
0.5 V
..........
/cm ( tension : ) Y
C :......
5 V
........ /cm ( tension : ) 52 Y B
0 V
Redresseur PD2 Exercices
10.
La bobine L, montée en série avec le moteur à courant continu, permet de :
a.
filtrer la tension u C et la rendre proche d'une tension continue ;
b.
limiter l'intensité du courant i C ;
c.
lisser le courant i C et le rendre proche d'un courant continu ;
d.
limiter la tension inverse supportée par les diodes.
Secteur EDF 220V/50Hz
10.
La bobine L, montée en série avec le moteur à courant continu, permet de :
c.
lisser le courant i C et le rendre proche d'un courant continu.
T Le rôle d’une bobine montée en série avec la charge d’un montage redresseur est de lisser le courant i C , nécessité qui peut être imposée par le moteur à courant continu.
D 1 D 2 Y C INV D 4 u D3 D 3 u C r =1 i C 53 L Y A MCC Y B