Cours électronique de puissance

Cours de formation en électronique de puissance avancée


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Cours de formation en électronique de puissance avancée

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CHAPITRE 0 INTRODUCTION

Pour des raisons économiques, l'énergie électrique est fournie par des réseaux triphasés (trois tensions sinusoïdales déphasées entre elles de 3 2p ) à la fréquence de 50Hz. Du point de vue de l'utilisateur, l'énergie est souvent utilisée en continu ou à des fréquences différentes de celle du réseau. Jusqu'au début des années 1970 environ, la mise en forme de l'onde électrique afin de l'adapter aux besoins a été obtenue au moyen de groupes tournants (moteurs). Les performances des composants semiconducteurs de l'électronique de puissance (diodes, thyristors, triacs, transistors) ont ensuite permis de réaliser de telles conversions; on supprime ainsi les parties tournantes et on réduit la masse, l'encombrement et le coût de ces matériels.

Les convertisseurs statiques sont les dispositifs à composants électroniques capables de modifier la tension et/ou la fréquence de l'onde électrique.

On distingue deux types de sources de tension:

- Sources de tension continues caractérisées par la valeur V de la tension.

- Sources de tension alternatives définies par les valeurs de la tension efficace V et de la fréquence f.

On différencie quatre types de convertisseurs dont les schémas de principe sont donnés sur la figure suivante:

- Convertisseur alternatif-continu : redresseur ;

- Convertisseur alternatif-alternatif : c'est un gradateur lorsque seule la valeur efficace de la tension alternative est modifiée, sinon c'est un cycloconvertisseur.

- Convertisseur continu-continu : hacheur ;

- Convertisseur continu-alternatif : onduleur ;

Citons quelques applications des convertisseurs statiques:

  • Redresseurs : alimentation des moteurs à courant continu, charge des batteries ;
  • Hacheurs : commande des moteurs à courant continu (vitesse variable) ; fonctions d'interrupteur onduleurs ou alimentation à découpage ;
  • Onduleurs : production de tensions alternatives, alimentation des appareils électriques autonomes, protection contre les surtensions et coupures de réseau (informatique), commande des machines à courant alternatif ;
  • Cycloconvertisseurs : production des vitesses variables en alternatif (levage, machine-outil).

Dans ce cours l'étude des cycloconvertisseurs ne sera pas abordée. L'étudiant souhaitant poursuivre ses études en électrotechnique-électronique de puissance pourra, pour aborder ces types de convertisseurs, se reporter à la bibliographie fournie à la fin de ce cours.

LES CONVERTISSEURS ALTERNATIFS/CONTINU LES MONTAGES REDRESSEURS

I- Introduction

Les redresseurs permettent de convertir une alimentation alternative en continue. La tension et la puissance de sortie peuvent être contrôlées par les composants de puissance utilisés (Thyristors). On peut grouper les composants utilisés dans les convertisseurs statiques AC- DC en deux catégories :

  • Les diodes
  • Les thyristors (Silicon-Controlled Rectifier : SCR)

I-1- Les diodes

Une diode est un élément non commandé composé de 2 couches de matériaux semi-conducteur dopé (Silicium ou germanium). Le dopage permet d’obtenir des semi-conducteurs à trous chargés positivement ou chargé de porteuses négatives. La diode est représentée de la façon suivante:

I-1-1- Les caractéristiques statiques d’une diode :

Ils sont donnés dans la figure N°2 avec :

VF : tension directe

IF : courant direct VRRM : tension inverse maximale répétitive

VRSM : Tension inverse maximale non répétitive.

En conduction la tension directe aux bornes de la diode est de l’ordre de 0.8 à 1 volt. On trouve des diodes qui supportent un courant direct : Ia = 2000 A, et des tensions inverse allant jusqu’à 4000 volts.

-1-2- Critères de choix d’une diode de puissance



 VRM maximale

 VF minimale

 TON et TOFF minimaux

 IF : courant direct

 IFSM : courant direct de pointe (sur une durée)

 IFRM : courant direct de pointe répétitif.

I-1-3- Blocage d’une diode

Pour qu’une diode se bloque, il faut que le courant qui le traverse s’annule ; Ia = 0.

I-2- Les thyristors

Le thyristor est un élément commandé en courant. Il est composé de quatre couches PNPN formant trois jonctions Ja, Jc et Jk.

Les symboles d’un thyristor sont donnés les suivants :

I-2-1- Caractéristiques statiques

  • En inverse, ces caractéristiques sont identiques aux caractéristiques de la diode
  • En direct :

¨ Si le courant de la gâchette est Ig = 0 et on applique certaine tension assez importante Vak0, le thyristor s’amorce effectivement et on aura VD = 0.8 V en conduction.

¨ Pour Ig = Ig1 > 0 le thyristor s’amorce pour une tension directe Vak1 < Vak0.

¨ Pour Ig = Ign suffisant, VakN est très faible (conduction comme une diode).

I-2-2- Limites d’utilisation des thyristors :

La mise en œuvre d’un thyristor nécessite la connaissance de nombreux paramètres, on peut citer à titre d’exemples : le thyristor SKT 300 SEMIKRON

IT courant efficace à l’état passant : Ia 550 A

ITAV courant moyen à l’état passant : Imoy 300 A

ITSM Courant de surcharge accidentelle (état passant) 10 000 Ai2t donnée servant à dimensionner le fusible de protection 500 000 A2s

dI/dt vitesse critique de croissance du courant 100 A/s

VRRM tension inverse de pointe 800 V

VDRM tension directe de pointe 800 V

dV/dt vitesse critique de croissance de la tension 200 V/s

VGT tension de gâchette 3 V

IGT courant de gâchette 200 mA

A partir de ces données et du mode de fonctionnement décrit, l’environnement d’un thyristor de puissance est constitué d’un système de commande de la gâchette, d’une inductance L pour éviter la variation brutale du courant, d’un condensateur pour limiter la variation de tension et d’un fusible.

En général :

- dV/dt trop grand peut provoquer l’amorçage du thyristor :

20 (V/s) ≤ dV/dt ≤ 200 (V/s)

- Tension directe ≤ VB0

- Courant de maintient IH minimal (IH = 1 mA à 100 mA).

- Température maximale de fonctionnement = 125°C

- dIa/dt < 100 A/s

- dIg/dt < 500 mA/s

- Fréquence d’utilisation maximale :

fmax < 1/(TON + TOFF + t(utile)) : f ≤ quelques kHz.

- Imax est fonction de TOFF et de la fréquence.

100 mA ≤ Ia ≤ 3000 A

100 V ≤ VAK ≤ 4000 volts

II- Redressement sur circuits monophasés :

L’entrée est une tension alternative monophasée. Les circuits avec des diodes fournissent des tensions continues constantes, ceux avec les thyristors ou autre composant commandé donnent des tensions continues de valeurs moyennes variables.

… … …

II-4- Redressement simple alternance non commandé sur charge inductive avec diode de roue libre



II-4-1- Introduction

La conduction discontinue est peu utilisée dans la pratique car les chutes de tension sont importantes. Toute-fois, pour obtenir ce résultat avec une alimentation monophasée, il faut un équipement assez complexe (transformateur à point milieu ou pont à quatre diodes).On peut éviter cet inconvénient en utilisant une diode de roue libre.

… … …

III- Les ponts de redressement en monophasé

On peut les représenter par le schéma global de la figure suivante où nous remplaçons les interrupteurs statiques par des interrupteurs mécaniques. Trois cas pratiques existent :

  1. Tous les interrupteurs sont des diodes.
  2. Tous les interrupteurs sont des thyristors.
  3. Pont mixte symétrique (k1 et k3 sont des thyristors / k2 et k4 sont des diodes).

… … ..

III-1-3- Conclusion

On remarque que le taux d’ondulation s’améliore : le nombre d’alternance par période égale à deux alors qu’il était un dans le cas d’un redressement par une diode, donc:

* La tension est plus proche du continu on a VCmoy = p 2Vm .

* Pas de problème de discontinuité dans le cas des charges inductive (le courant est toujours continu)

III-2- Pont tous thyristors

III-2-1- Montage

La tension d’alimentation est : v(q) = Vm sin (q) avec q = wt

►T1 et T2 sont déclenchés à ψ avec yÎ[0,p]

►T3 et T4 est déclenché ψ + π avec yÎ[0,p]

Ce montage est utilisé pour alimenter les machines à courant continu (DC). Il permet la récupération de l’énergie électrique en cas de fonctionnement de la machine en mode génératrice. C’est à dire le transfert de l’énergie s’effectue de la machine vers le réseau

III-2-2- Analyse du fonctionnement

En électronique de puissance (commande de moteurs….), les intensités sont élevées tandis que les tensions d’alimentation sont relativement faibles. Aussi, est-il plus intéressant d’assurer le filtrage par des inductances en série avec la charge, plutôt que par des capacités en parallèle avec la charge. C’est pourquoi, on insère habituellement en série avec la charge une inductance élevée que l’on suppose de valeur infinie. Cette inductance encore appelée inductance de lissage n’est pas forcément nécessaire quand l’inductance de la charge est elle-même importante (commande d’un moteur série à courant continu…)

Ainsi peut-on conclure : Avec une inductance de lissage, le courant dans la charge est rigoureusement constant. Dans la suite on a toujours iC(θ) = IC = cst.

  • Pour ψ < q < π + ψ: T 1 et T2 conducteurs, d’où : D’où : vC(q) = v(q) = Vm sin (q) , vT1(q) = 0 et i(q) = IC.
  • Pour π + ψ < q < 2π + ψ: T 3 et T4 conducteurs, d’où : D’où : vC(q) = -v(q) = -Vm sin (q) , vT1(q) = Vm sin (q) et i(q) = -IC.

Le courant moyen à la sortie du redresseur Ic est toujours positif , donc si Vcmoy < 0 on obtient une puissance Vcmoy Ic < 0, ce qui veut dire que la puissance passe de la machine à la source : Inversion de l’opération.

Ce mode est utilisé pour la récupération. Dans ce cas, il faut inverser la f.c.e.m. E de la machine en inversant le courant d’excitation Iex de telle sorte que la machine se comporte comme une génératrice.

Donc pour ψ > π/2, la tension de sortie Vcmoy devient négative. On appelle le convertisseur dans ce cas par « Onduleur non autonome » car la fréquence de sortie de l’onduleur est fixée par le réseau. Et pour ψ < π/2, la tension de sortie Vcmoy devient positive. On appelle le convertisseur dans ce cas par « Redresseur »



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