Les convertisseurs statiques onduleurs support de cours
CPGE PTSI/PT - Sciences Industrielles de l’IngØnieur PT
Convertisseurs statiques |
Cours |
Rappels de PTSI |
v1.21 |
LycØe Jean Zay 21 rue Jean Zay 63300 Thiers AcadØmie de Clermont-Ferrand
CompØtences visØes:
A3-08 Analyser une association de prØ actionneurs et d’actionneurs.
B2-10 Choisir la nature des interrupteurs de la cellule de commutation.
B2-11 CaractØriser le comportement de l’association convertisseur, machine et charge associØe en vue de caractØriser la rØversibilitØ de la cha ne d’Ønergie.
B2-12 Identi er les quadrants de fonctionnement d’une cha ne d’Ønergie.
Table des mati?res
L’Ølectronique de puissance a pour objet l’Øchange d’Ønergie entre au moins deux syst?mes Ølectriques. Pour cela, elle assure d’une part une fonction de modulation de l’Ønergie Ølectrique en rendant compatibles les caractØristiques (fonction de la tension, du courant et de la frØquence) de ces deux syst?mes et d’autre part (en gØnØral) une fonction de contr le de cet Øchange d’Ønergie. C’est, par consØquent, une discipline qui correspond au traitement de l’Ønergie Ølectrique (en combinant les aspects conversion et contr le ). Les dispositifs Ølectriques permettant d’assurer ces fonctions portent le nom gØnØrique de convertisseurs statiques (on devrait d’ailleurs plut t parler de modulateurs d’Ønergie).
Les fonctions de base de l’Ølectronique de puissance trouvent leurs applications dans tous les domaines d’utilisation de l’ØlectricitØ, c’est- -dire dans toutes les industries et notamment dans la variation de vitesse des moteurs Ølectriques.
Certains convertisseurs sont rØversibles, c’est- -dire qu’ils permettent de renvoyer l’Ønergie Ølectrique de la charge vers la source en permutant les r les de l’entrØe et de la sortie. Si la charge est rØversible (elle peut, par exemple, restituer de l’Ønergie : un train en descente) et qu’on souhaite rØcupØrer cette Ønergie, la source d’entrØe et le convertisseur devront l’Œtre aussi.
Les applications de l’Ølectronique de puissance couvrent une large gamme de puissance :
(a) Lampe uorescente (15W) (b) VØhicule hybride (35kW) (c) Locomotive de fret (4,2MW)
Figure 1 Exemples d’applications de l’Ølectronique de puissance
Les syst?mes chargØs de manipuler l’Ønergie Ølectrique sont les convertisseurs statiques qui permettent d’adapter de mani?re rØversible ou non la forme alternative ou continue de l’Ønergie entre le rØseau et la charge.
Ces transformations apparaissent sous quatre formes pour lesquelles sont associØs quatre types de convertisseurs :
• redresseur : conversion alternatif ? continu;
• hacheur : conversion continu ? continu;
• onduleur : conversion continu ? alternatif;
• gradateur : conversion alternatif ? alternatif;
Les fonctions de base peuvent Œtre utilisØes seules ou associØes entre-elles pour adapter les modes de conversion aux besoins de l’utilisateur.
Figure 2 Les di Ørents types de convertisseurs statiques
Puisqu’ils sont destinØs traiter de l’Ønergie, ces dispositifs doivent Œtre le si?ge de pertes aussi faibles que possible, pour des raisons Øvidentes de rendement, mais aussi a n de minimiser le poids et le coßt des dispositifs d’Øvacuation de ces pertes. Pour ce faire, les convertisseurs statiques utilisent des composants jouant le r le d’interrupteurs Ølectroniques (ouverts ou fermØs) selon un principe de dØcoupage complØtØ par des circuits passifs de ltrage.
Figure 3 Architecture gØnØrique d’un convertisseur statique
On distinguera deux rØgimes de fonctionnement pour les circuits :
• rØgime statique : on distinguera deux types de rØgimes statiques qui conduiront chacun un type de commutation di Ørent :
l’Øtat passant : l’interrupteur est dit conducteur ou fermØ, rØsistance tr?s faible (R =0); l’Øtat bloquØ : l’interrupteur est ouvert, rØsistance tr?s grande (R ??).
• rØgime dynamique : entre ces deux Øtats, il y a une commutation de mise en conduction ou de blocage suivant les cas.
On distinguera deux types de commutations qui se rencontreront sur les di Ørents composants d’Ølectronique de puissance (interrupteurs Ølectroniques) :
• commutations commandØes : l’interrupteur Ølectronique poss?de en plus des deux Ølectrodes principales une Ølectrode de commande (mise en conduction, ou extinction, ou les deux).
• commutations spontanØes : la condition de commutation ne dØpend que des ØlØments du circuit externe au composant, commutation de type naturelle.
Les modes de commutation correspondant chaque type de composant se dØduisent alors des situations initiales et nales de celui-ci.
Un interrupteur idØal prØsente deux Øtats correspondant aux deux caractØristiques ci-dessous.
i
v
interrupteur fermØ
Figure 4 Symbole et caractØristique statique idØale d’un interrupteur
Il poss?de les propriØtØs suivantes :
• supporte (bloque) des tensions directes (> 0) ou inverses (< 0) de valeur arbitraire avec un courant nul l’Øtat ouvert;
• conduit des courants de valeur arbitraire avec des chutes de tension nulles l’Øtat fermØ;
• commute de fa on instantanØe de l’Øtat fermØ l’Øtat ouvert et rØciproquement (sans perte d’Ønergie);
• nØcessite une puissance nulle pour la commande.
La diode est le semi-conducteur ØlØmentaire constituØ par une seule jonction PN.
Dans l’Øtude des convertisseurs, on substitue la caractØristique rØelle la caractØristique idØale en nØgligeant la chute de tension et le courant de fuite circulant en inverse. La diode joue alors le r le d’un interrupteur parfait, unidirectionnel en courant et en tension.
iD
vD
AK
D
Figure 5 Symbole et caractØristique statique idØale d’une diode
L’interrupteur diode est caractØrisØ par le fonctionnement suivant :
• il se ferme pour vD = v0> 0 (avec v0 tension de seuil de l’ordre du volt). Le courant iD est alors imposØ par le reste du circuit;
• il s’ouvre d?s que le courant iD le traversant s’annule et reste ouvert quand i ?0. La tension peut prendre des valeurs ØlevØes sous l’e et du reste du circuit.
Le thyristor est un semi-conducteur 3 jonctions. Outre l’anode A et la cathode K, il est muni en plus d’une Ølectrode de dØblocage ou g chette G.
iT
vT
AK
G vT
Figure 6 Symbole et caractØristique statique idØale d’un thyristor
Ce composant unidirectionnel en courant mais bidirectionnel en tension permet de contr ler l’Ønergie Ølectrique dans di Ørents montages rencontrØs Ølectronique de puissance (gradateurs, redresseurs commandØs, )
L’interrupteur thyristor est caractØrisØ par le fonctionnement suivant :
• en l’absence de courant de g chette iG, il est ouvert quel que soit le signe de vT ;
• amor age : lorsque vT > 0, il se ferme si on envoie une impulsion de courant iG dans la g chette. Apr?s l’amor age, la g chette perd son pouvoir de contr le (le courant iG peut Œtre supprimØ).
• blocage (dØsamor age) : une fois amorcØ, l’interrupteur s’ouvre si iT ?0, quelque soit vT.
Un transistor est un interrupteur commandØ deux segments de mŒme signe. En plus de ces Ølectrodes principales, un transistor poss?de une Ølectrode de commande sur laquelle il est possible d’agir pour provoquer son changement d’Øtat de fa on quasi-instantanØe.
i
ifermØ
Bu
G
MOSFET IGBT ouvert
Figure 7 Symbole et caractØristique statique idØale des transistors MOSFET et IGBT
On retrouve plusieurs technologies remplissant globalement la mŒme fonction. Dans le cadre de ce rappel de cours, nous ne nous intØresseront qu’aux transistors MOSFET (transistor e et de champ, MØtal Oxyde Semi Conducteur) et IGBT (transistor bipolaire grille isolØe, Insulated Gate Bipolar Transistor). Ce sont tous deux des composants unidirectionnels en tension et en courant.
L’interrupteur transistor est caractØrisØ par le fonctionnement suivant (cas du MOSFET) :
• il se ferme pour vGS > Vth > 0 (tension de seuil - threshold voltage). Cette tension doit Œtre maintenue pendant tout l’intervalle de conduction du transistor mais aucun courant iG ne circule.
Il est possible de synthØtiser un interrupteur 3 segments en associant un transistor (MOSFET ou IGBT) avec une diode.
Une association sØrie permet d’avoir une rØversibilitØ en tension et une association antiparall?le permet d’avoir une rØversibilitØ en courant.
L’association antiparall?le est appelØe le transistor dual. C’est le composant utilisØ dans les hacheurs rØversibles et les onduleurs de tension.
iTiT
u vT u vT
G
G
Figure 8 Association sØrie et antiparall?le d’un transistor MOSFET avec une diode et caractØristiques statique idØales associØes
Selon le composant utilisØ, la frØquence de dØcoupage laquelle est soumis le composant change. En gØnØral, on cherche utiliser la frØquence la plus ØlevØe possible.
Cependant, plus la puissance nominale Pn d’un convertisseur est ØlevØe, plus cette frØquence est faible.
La Figure 9 ci-apr?s prØsente un diagramme Øchelle logarithmique des domaines d’utilisation de chaque composant.
Figure 9 Diagramme puissance-frØquence des composants
L’objectif d’un onduleur est de dØlivrer des tensions et des courants alternatifs partir d’une source d’Ønergie Ølectrique continue.
Il utilise la technologie des interrupteurs de la mŒme mani?re qu’un hacheur 4 quadrants. C’est gr ce une loi de commande particuli?re qu’il permet d’obtenir un signal sinuso dal.
Nous prendrons le cas d’une charge R, L qui est le cas d’un enroulement d’une phase d’un moteur asynchrone ou synchrone.
K1K4 sont des interrupteurs commandØs la fermeture et l’ouverture (transistor bipolaire, transistor MOS, transistor IGBT, GTO, thyristor avec circuit d’extinction).
Il s’agit d’une commande symØtrique (pas de dØcalage) prØsentant un grand nombre de commutations par pØriode avec des ouvertures et des fermetures d’interrupteurs de durØes modulØes. La tension de sortie vs (tension de charge) prØsente alors des impulsions de largeurs variables (Modulation de Largeur d’Impulsion).
Un signal modulØ est envoyØ l’onduleur a n d’obtenir le signal souhaitØ. Ce modulØ est dØ ni partir de la comparaison du modulant et d’un signal triangulaire de mŒme amplitude (porteuse) :
• modulant au dessus : le modulØ vaut 1;
• modulant en dessous : le modulØ vaut 0.
Figure 11 GØnØration du signal modulØ
La simulation Scilab suivante prØsente un exemple d’allure de vs et de i en fonction du modulØ.
Figure 12 Simulation avec Scilab
On remarque alors que :
• la forme de la tension est la mŒme que celle du signal modulØ,
• la forme du courant est lissØe par la bobine.
Un onduleur triphasØ peut Œtre utilisØ pour l’alimentation d’un moteur triphasØ, comme le moteur brushless, tr?s utilisØ en modØlisme. Chaque entrØe du moteur est connectØe une source de tension, ces phases Øtant dØphasØes de .
Figure 13 Onduleur triphasØ
La mesure de la tension et du courant dans chacune des bobines d’un moteur alimentØ par un onduleur triphasØ est prØsentØe sur le rØsultat de simulation ci-dessous.
Figure 14 Simulation avec Scilab
On constate que les formes des tensions et courants correspondent bien celles prØsentØes prØcØdemment.
RØfØrences
[1] C. Fran ois : GØnie Ølectrique - Cours complet illustrØ. Ellipses, 2004.
[2] R. Costadoat : Cours de sciences de l’ingØnieur, 2017. PTSI - LycØe Dorian - Paris.
[3] S. Gergadier : Cours de gØnie Ølectrique, 2014. TSI2 - LycØe Richelieu - Rueil-Malmaison.
[4] F. Gosse : Cours de sciences de l’ingØnieur, 2016. PT* - LycØe Baggio - Lille.
[5] F. Motard : Cours de sciences de l’ingØnieur, 2017. PT* - LycØe Ei el - Bordeaux.