Série de TD en électronique de puissance
IUT Annecy 2010/2011 MPh 2
Electronique de
Puissance
TD 1 : Triphasé et transformateur
TD 2 : MCC et moteur pas à pas
TD 3 : Le moteur brushless et le moteur asynchrone
TD 4 : Moteur asynchrone
TD 5 : Redressement monophasé et thyristor
TD 6 : Redressement monophasé commandé
TD 7 : Redressement triphasé
TD 8 : Convertisseur continu-continu
André Bétemps
Claudine Guérini
1. Triphasé
Soient V1=230 ej0°, V2=230 e-j120°, V3=230 e+j120° (donc V1=V2=V3=230V)
Tracer le diagramme de Fresnel de V1, V2, V3, U12, U23, U31 (V1 origine des phases) Rappeler à quelles conditions 3 tensions forment un système triphasé.
On dispose de 3 impédances identiques que l'on câble en étoile, donner le montage et noter sur celui-ci les grandeurs i1, i2, i3, v1, v2, v3, u12, u23, u31.
Estimer la valeur du courant qui circule dans le fil du neutre.
On dispose de 3 impédances identiques que l'on câble en triangle, donner le montage et noter sur celui-ci les grandeurs i1, i2, i3, j1, j2, j3, u12, u23, u31.
Application :
Nous sommes alimentés par EDF via un réseau 230/400V.
Donner la valeur de la tension entre phase et neutre et la valeur de la tension entre phase.
2. Transformateur
Lecture d’une plaque à bornes
On relève sur un transformateur les indications suivantes :
Que signifient :
250 VA
IP 00-3
Pri : 230V
50/60Hz
Cl : I
Sec : 24V 10A
.B
Transformateur d’isolement
Pour un transformateur d’isolement monophasé expliquer :
• où il faut connecter L1, N et PE coté primaire
• pourquoi on a une chance sur deux de mourir si on touche une des deux bornes du primaire
• pourquoi on ne risque rien si on touche une des deux bornes du secondaire
• la notion d’isolation électrique assurée par le transformateur triphasé utilisé en TP pour assurer le lien entre le triphasé du réseau EDF et le triphasé disponible sur la table
Couplage d’un transformateur triphasé branché sur le réseau EDF 230/400V
Déduire la valeur de la tension entre phase au niveau du secondaire si :
• primaire en étoile, secondaire en étoile (Yy)
• primaire en étoile, secondaire en triangle (Yd)
• primaire en triangle, secondaire en triangle (Dd)
• primaire en triangle, secondaire en étoile (Dy)
3. Puissances et influence du couplage
Un récepteur triphasé est relié au réseau EDF 230/400V et peut être câblé en étoile ou en triangle. L’impédance de chacune de ses phases vaut 10+15j Calculer pour chaque couplage :
• Le courant par phase
• Le courant de ligne
• La puissance active par phase puis la puissance active totale par deux méthodes différentes
• La puissance apparente par phase puis la puissance apparente totale. Comparer les puissances totales entre les deux couplages
4. Protection des transformateurs et de leurs lignes (extrait doc Legrand)
Protection des lignes
Les lignes doivent être protégées contre les surcharges et contre les courts-circuits.
La protection contre les surcharges n'est obligatoire que si la ligne est susceptible d’être parcourue par un courant de surcharge et elle peut être installée en tête ou en bout de ligne.
La protection contre les courts-circuits, est obligatoire dans tous les cas et doit être installée en tête de ligne.
Ordres de grandeur :
Un fil lorsqu’il est déroulé supporte environ 10A/mm² et lorsqu’il est enroulé, il ne supporte plus que de 4 à 6 Amm².
Un aspirateur de puissance 1400W possède un enrouleur automatique du fil dont la section est de 1,5mm². Pourquoi est-il conseillé de dérouler complètement le fil d’un aspirateur lorsqu’on l’utilise ?
Ligne d’alimentation (primaire du transformateur)
Le transformateur est un appareil qui ne peut, à lui seul, générer des surcharges. Sa ligne d’alimentation ne nécessite donc qu’une protection contre les courts-circuits.
Par ailleurs, à la mise sous tension d’un transformateur, il se produit un courant d’appel très important (de l’ordre de 25 ln) pendant 10 ms environ.
La protection de la ligne doit tenir compte de ces deux facteurs. Legrand propose les trois possibilités suivantes :
• cartouches aM,
• disjoncteurs type D (magnétique réglé à 15 ln moyen), • disjoncteurs type C (magnétique réglé à 6 ln moyen).
Déduire la protection minimale à placer au primaire d’un transformateur de 230V/250VA. Donner l’inconvénient d’utiliser un disjoncteur courbe C.
Ligne d’utilisation (secondaire du transformateur)
Cette ligne doit être protégée contre les surcharges et les courts-circuits.
Pour les surcharges vérifier que le calibre de la protection choisie est inférieur ou égal au courant secondaire du transformateur.
Pour les courts-circuits vérifier qu’un court-circuit au point le plus éloigné de la ligne assurera le déclenchement du dispositif de protection en moins de 5 secondes. Legrand propose les deux possibilités suivantes :
• cartouches gG
• disjoncteur type C (magnétique réglé à 6 ln moyen)
Pourquoi un disjoncteur courbe D n’est pas nécessaire dans ce cas ?
Dans le cas où le transformateur n’alimente qu’une seule ligne d’utilisation, la protection du transformateur (si elle est effectuée au secondaire) et la protection de la ligne peuvent être confondues. Un seul dispositif de protection assure ainsi les deux fonctions
Solution Legrand pour la protection des transformateurs
Les transformateurs doivent être protégés contre les surcharges et les courts-circuits pouvant survenir dans le cadre d’une utilisation normale.
C’est le constructeur qui choisit la position la mieux adaptée, soit au primaire soit au secondaire. Legrand a choisi la protection au secondaire.
A partir du tableau ci-contre la protection nécessaire au secondaire d’un transformateur de 24V/250VA.
Cas de lignes de grande longueur : Estimation du courant maximum au point le plus éloigné : Pour vérifier que le dispositif choisi est bien adapté, une valeur approchée du court-circuit minimum au point le plus éloigné de l'installation peut être obtenue grâce à la formule ci-dessous :
Vérifier que lors d’un court-circuit direct sur la sortie on peut écrire P=0,03Us Icc et déduire Icc. Recalculer Icc pour l= 20m avec 1,5mm² et expliquer pourquoi, il est logique de devoir diminuer les calibre de la protection au secondaire.
1. La machine à courant continu ou (MCC)
• les balais sont montés sur la carcasse extérieure donc fixes
• deux lames de collecteur diamétralement opposées sont reliées aux deux extrémités de la spire (plusieurs spires en réalité)
1.1. Les deux relations de base de la MCC
Schéma équivalent électrique
(A noter que coté induit on rencontre quelquefois en plus une inductance)
Compléter les textes ci-dessous :
• Fonctionnement en moteur :
Ue est une tension continue qui permet d’alimenter les b……… qu’on appelle l’i……… et qui sont situées au s…….. C’est ainsi qu’on créé le champ magnétique statorique.
Ce champ traverse l’inévitable e……… et les conducteurs fixés sur le r…….. sont baignés dans ce champ magnétique.
Quand on injecte un courant dans ces conducteurs la force de Laplace s’applique sur eux et entraine le déplacement du rotor. Cependant sans le c………. le rotor se stabiliserait dans une position dictée par la règle du f…… maximal.
En effet sitôt que le rotor se met à tourner on injecte le courant par d’autres l…… du c……. ce qui permet d’alimenter une autre série de spire située dans la position optimale pour poursuivre la rotation.
• Fonctionnement en génératrice :
Le champ statorique est créé de la même façon.
Quand le rotor est entraîné, les spires au rotor voient un champ magnétique variable.
Il apparaît donc une f….. qui obéit au phénomène d’induction électromagnétique.
Le nom donné à l’i……. provient du mode de fonctionnement en génératrice.
Ici aussi le c…….. joue un rôle important car il transforme cette tension variant sinusoïdalement en une tension quasiment continue d’où le nom de génératrice à c……. c…….
On a E=k?? avec ?=ke Ie et k et ke, constants, fonction de la constitution de la machine.
• Fonctionnement en moteur :
Pour le fonctionnement en moteur exprimer la tension d’alimentation de l’induit en fonction de E puis ?.
Sachant qu’à vide le courant absorbé par le moteur est faible expliquer comment on peut faire varier la vitesse d’un moteur à courant continu.
• Fonctionnement en génératrice :
Pour le fonctionnement en génératrice exprimer la tension fournie par l’induit en fonction de E
puis ?.
Expliquer comment on peut faire varier la tension fournie par l’induit.
Si on suppose que la machine est parfaite, Pméca?E I=C? d'où C=k?I
• Fonctionnement en moteur :
Expliquer les conséquences d’une variation de couple sur l’arbre du moteur
• Fonctionnement en génératrice :
Expliquer les conséquences d’une variation de débit de courant de l’induit
Exercice :
Un moteur possède un inducteur de résistance 130? qui absorbe un courant de 1,5A.
En charge, l’induit de résistance 0,6? est alimenté sous une tension de 240V et absorbe un courant de 20A. Il tourne à 1200tr/min en fournissant une puissance mécanique sur l’arbre de 4,1kW. En déduire E et le rendement du moteur.
1.2. Les deux précautions à prendre avec les MCC
Déduire de la valeur de E à l'arrêt l'ordre de grandeur du courant au démarrage.
Quelle précaution faut-il prendre pour démarrer un moteur CC ?
Exprimer ? en fonction de ? et déduire les conséquences d'une coupure d'alimentation de l'inducteur quand le moteur est en train de tourner.
Quelle précaution faut-il prendre pour être sûr que le moteur ne s'emballe pas ?
1.3. Caractéristique C=f(?) du moteur à courant continu
Le moteur idéal devrait pouvoir tourner à la même vitesse quel que soit le couple exercé sur son arbre. En déduire sa caractéristique C=f(?).
On suppose être à excitation constante et alimenter l’induit du moteur avec une tension U constante.
A partir du schéma électrique du moteur à courant continu, déduire :
• L’expression de sa vitesse à vide ?o (I?0 car C?0) en fonction de U et k?
• L’expression de I en fonction de R, k?, ?o et ? en charge.
• L’expression de C=f(?), tracer la caractéristique C=f(?) du moteur à courant continu et expliquer comment on se déplace sur cette caractéristique quand le couple augmente. Comparer cette caractéristique à la caractéristique du moteur idéal
Comment est modifiée la caractéristique précédente si on fait varier U ?
A N : un moteur CC qui tourne à 1600tr/min à vide entraine une charge à 1500tr/min.
La caractéristique de la charge est C= 10Nm.
En déduire la caractéristique C=f(?) du moteur.
2. Le moteur pas à pas
La grande différence avec le MCC, c'est qu'on alimente plus que les enroulements au stator car le rotor est constitué d'un ou plusieurs aimants permanents.
Le principe de base est que les pôles opposés de deux aimants s'attirent.
On donne ci-dessous un schéma de principe d'un moteur pas à pas commandé en demi pas.
Commande par pas entier
• Donner la position du rotor si :
o I1>0 et I2=0 o puis I1=0 et I2<0 o puis I1<0 et I2=0 o puis I1=0 et I2>0
• Déduire le nombre de pas par tour
Commande par demi-pas
• On alimente cette fois-ci une fois sur deux les deux enroulements en même temps, déduire comment alimenter successivement les deux bobines pour que de la position stable ci-dessus, le moteur continue à tourner dans le sens horaire.
• Déduire le nombre de pas par tour
Remarque importante :
Ce type de moteur est très utilisé en informatique car il évite la mise en oeuvre de capteurs
supplémentaires pour connaître la position du rotor. Si la succession d'alimentation des phases au stator n'est pas trop rapide on peut prévoir exactement la position du rotor au bout de N pas.
Pour le commander la caractéristique fondamentale à se procurer est donnée ci-dessous :
Que se passe-t-il si le moteur partant de l'arrêt, on décide d'entraîner une charge qui impose un couple résistant Cr avec une fréquence de succession des phases supérieure à fd ?
Il est à noter aussi qu'il existe une pléiade de moteurs pas à pas différents, le maximum de pas par tour se situant vers 500.
1. Principe le la commande du moteur Brushless.
Courant maximum Position
autorisé souhaitée du rotor
Faire un parallèle entre moteur à continu et le moteur à courant continu sans balais (brushless). Où sont inducteur et induit ? collecteur ou pas ?
| Moteur brushless | MCC | |
| Avantages / Inconvénients | Pas d’entretien (pas de collecteur) Utilisable en atmosphère explosive Electronique interne. Structure d’alimentation et de régulation complexe mais maîtrisée. Prix élevé. Puissance massique élevée Vitesse max élevée Faible inertie (forte accélération). Excellente dissipation thermique (Pj au stator seulement). | Entretien (balais, collecteur). Pas d’électronique interne. Simplicité du variateur. Pris bas. Adaptée aux basses vitesses où elles ont une régularité de marche excellente. |
• Génération d’une MLI
La MLI (PWM en anglais) est le signal carré.
Le signal sinusoïdal est son fondamental.
Le stator du moteur brushless est triphasé et est alimenté par trois " bras" de pont dont le schéma est représenté ci-dessous.
Les interrupteurs d'un même bras ont une commande complémentaire.
Entre bras les commandes sont décalées de façon à ce que le fondamental des 3 MLI soient triphasés.
J(t)
On a Uc=tension continue positive.
Donner la valeur de U(u-v) lorsque I1 et I5 fermés puis lorsque I2 et I4 fermés.
Déduire, ci-dessous, la tension composée U(u-v) à partir de la séquence de commande des différents interrupteurs.
Remarque : Préciser ce que serait l’allure de J(t) dans le cas d’un dipôle RL avec R/L <<1. Reporter sur le graphe de U(u-v), l'allure de J(t) sachant qu'à J(?/2)=J(3?/2)=0.
Attention à la cohérence du tracé, entre 2?/3 et ?, I2 est globalement plus souvent ouvert que fermé donc U(u-v) est plus longtemps à 0 qu'à -Uc donc I(t) doit globalement croître.
A quelle forme d'onde vous fait penser l'allure de J(t) ?
Bilan de cette partie :
Donner l’allure des tensions aux points A, B, C et D du schéma de principe donné en tout début de TD.
2. Le moteur asynchrone
2.1 Théorème de Leblanc simplifié
Pour simplifier au maximum, imaginons l'enroulement de l'inducteur de la MCC.
o Donner l'allure du champ magnétique sur [0,2?] le long du stator en supposant que l'enroulement est alimenté par un courant constant et est réparti de telle façon à créer comme pour la MCC un pôle nord sur un demi-tour et un pole sud sur l’autre demi-tour.
o Imaginons maintenant que l'enroulement de l'inducteur est réparti le long du stator de façon à ne pas passer brutalement de -BM à BM brutalement. Représenter l'allure de ce champ.
o Si la répartition des spires est telle que sur la longueur du stator déroulé, on obtienne une période d'un cosinus pour l'allure du champ magnétique, donner l'expression de B en supposant que son amplitude vaut BM.
o Si en plus l'enroulement est alimenté par un courant alternatif IM cos (wt), donner l'expression de B en supposant que son amplitude vaut BM.
On alimente trois enroulements avec les trois courants triphasés suivants :
• IM cos (wt)
• IM cos (wt - 2?/3)
• IM cos (wt + 2?/3)
De plus ces trois enroulements sont décalés de 2?/3 sur la longueur, ce qui implique trois champs :
o BM cos (wt) cos(?) o BM cos (wt - 2?/3) cos(? - 2?/3) o BM cos (wt + 2?/3) cos(? + 2?/3) en un point ? on aura la somme de ces trois champs c'est à dire,
(BM/2)( 3*cos(wt-?) + cos (wt+?) + cos (wt+?-4?/3) +cos (wt+?+4?/3))
Bau point ? = 3 BM/2 cos(wt-?)
Conclusion :
Si un observateur se déplace le long du stator à la vitesse w, alors wt=? et il voit donc un champ constant de valeur 3 BM/2.
Si un observateur stationne en une position fixe ?, il voit un champ qui varie dans le temps à la pulsation w.
Tout ce passe comme si on avait créé à l'intérieur de la machine un champ tournant avec des enroulements fixes !
2.2 Constitution du moteur asynchrone
Au niveau de sa constitution, comme le moteur brushless il possède au stator trois enroulements disposés à 120°, alimentés en triphasé.
Et au rotor il possède des enroulements court-circuités sur eux-mêmes qui voyant le champ magnétique du stator varier créent une fem induite puis un courant qui crée un champ magnétique rotorique.
2.3 Nombre de paires de pôles et glissement
Coté stator :
Si la répartition des spires le long du stator est telle que sur la longueur du stator déroulé, on obtienne p périodes d'un cosinus (p paires de pôles),
• Donner l'expression de B en fonction de ? lorsque les enroulements sont parcourus par I constant en fonction de BM, p et ?.
• Rappeler l'expression du champ B de l'enroulement qui est décalé de 2?/3 par rapport à l'enroulement précédent et alimenté aussi par I constant.
Si les 3 enroulements du stator sont alimentés par des courants triphasés, que faut-il rajouter aux expressions des trois champs ?
Déduire l'expression final de Bau point ?.
En déduire ?S, la vitesse de rotation du champ statorique.
Application : A quelle vitesse maximale peut tourner un moteur tétrapolaire ( p=2) ?
Coté rotor :
Au niveau du rotor, les conducteurs sont répartis uniformément sur le tour et reliés entre eux aux extrémités. A l'arrêt, (rotor fixe), le moteur asynchrone est donc semblable à un transformateur triphasé dont le secondaire serait en court-circuit. Les courants rotoriques sont donc triphasés et de même fréquence que les courants statoriques
On définit le glissement g=ns?n=?s?? avec n la vitesse de rotation et ? la vitesse angulaire.
ns ?s
Lorsque le rotor tourne à ?, exprimer ? en fonction de ?S et g. Peut-on avoir ?=?S ?
2.4 Commande du moteur asynchrone
Sa commande peut être très simple quand on ne souhaite pas contrôler sa vitesse ou sa position.
Cependant on peut comme pour le moteur brushless maîtriser sa vitesse et sa position.
Et comme pour le brushless, c’est en maîtrisant l’origine temporelle des 3 signaux MLI envoyés au stator qu’on maitrise la position du champ tournant statorique par rapport à la position du rotor.
On a alors deux types de commande : • En boucle fermée
Ce n’est pas son utilisation la plus courante.
La commande est alors très proche du moteur brushless car on mesure aussi la position du rotor pour alimenter les phases du rotor avec une MLI.
• En boucle ouverte
L’avantage de cette commande est qu’il n’est pas nécessaire de mesurer la position du rotor. Il faut entrer les paramètres du moteurs écrits sur sa plaque signalétique et le variateur de vitesse en déduit un modèle mathématique. A noter que les variateurs de vitesse performants possèdent un mode qui permet de faire une mesure exacte des paramètres du moteur.
La précision sur les paramètres du moteur est fondamentale car à partir de ceux-ci le variateur déduit un modèle mathématique.
La position du rotor est alors estimée à partir la mesure des courants statoriques et du modèle mathématique du moteur.
Bien évidemment, les 3 signaux envoyés aux enroulements statoriques sont MLI.
2.5 Brushless ou asynchrone ?
| Moteur asynchrone | Moteur brushless | |
| Caractéristique vitesse/couple | Vitesse et couples sont interdépendants(glissement) | Réglages indépendants de la vitesse, du couple et de la position |
| Surcouple | Limité en intensité (1,5 à 2 Cn) et en durée | Surcouple beaucoup plus élevé (2 à 8 Cn) |
| Surcharge | Autorisée | Au-delà d’une certaine limite, décrochage |
| Précision et dynamique du positionnement | Moyenne (améliorée avec commande à contrôle vectoriel de flux en boucle fermée) | Excellente |
| Couple à l’arrêt | Difficulté de maintenir un couple stable à l’arrêt | Pas de difficulté |
| Capteur pour applications en boucle fermée | Externe | Intégré sur le moteur (servomoteurs) |
| Dimensions | Forme standard | Toutes formes (cylindrique, “saucisson”, carré, ouvert, etc.) permettant de réaliser  des machines compactes |
| Ventilation | Auto-ventilé mais nécessité d’ajouter une ventilation si couple à l’arrêt | Non nécessaire |
| Masse et inertie pour un couple donné (ex. 7 Nm) | 18 kg, 2,1 gm² | 9,6 kg, 0,7 gm² |
| Puissance | Jusqu’à plusieurs centaines de kW | Jusqu’à 30 kW |
| Prix | Faible | Plus élevé, surtout aux puissances élevées (>1 kW) |
1. Couplage
a) On veut utiliser un moteur asynchrone triphasé 230/400V
Sachant qu’il est constitué de 3 enroulements identiques, indiquer quelle tension maximum peut supporter UN enroulement.
Quelle doit être alors la valeur de la tension entre phase si ses enroulements sont couplés en triangle ? Même question pour le couplage en étoile.
2. Application : câblage du moteur en TP
Câblage en direct sur la sortie du transformateur triphasé :
• sachant que le transformateur triphasé est câblé en étoile coté primaire et en triangle au secondaire, quel type de réseau propose-t-on au moteur ?
Déduire le type du couplage pour le moteur.
Câblage en sortie du variateur de vitesse ATV11 :
• sachant que l'ATV11 délivre du triphasé 230V entre phase, quel type de couplage faut-il adopter pour le moteur ?
3. Réalisation du couplage sur une plaque à bornes
Habituellement on ne connaît pas l’ordre des phases.
Estimer le nombre de possibilités au total pour câbler le moteur et le nombre de possibilités qui aboutissent au même sens de rotation.
Déduire la probabilité de câbler le moteur de façon à ce qu’il tourne dans le sens souhaité et prévoir l’opération à réaliser s’il ne tourne pas dans le bon sens.
4. Montage de base
4.1 Démarrage direct Pour mémoire (TP d’électricité 2), les symboles de base sont les suivants :
Interrupteur Sectionneur Contacteur Disjoncteur Magnétique A maxi de courant Thermique
(magnétique réglable)
I>
4.2 Câblage du GV2 ME03 en coffret LG7 K09
Expliquer quel type de protection assure le disjoncteur-moteur magnétothermique GV2 ME03.
Nous avons rajouté un bouton d’arrêt d’urgence, où l’a-t-on inséré dans le schéma de câblage ci-dessus. Déduire les différentes possibilités pour mettre en route et arrêter le moteur.
5. Caractéristiques C=f(?) du moteur asynchrone
Le moteur asynchrone du point de vue électrique est équivalent à un transformateur avec un entrefer entre primaire (le stator) et le secondaire (le rotor).
Cependant il s’agit d’un transformateur un peu particulier car son rapport de transformation dépend de la vitesse de rotation du moteur.
Vu que l'on travaille le plus souvent avec des moteurs à cage on n'a pas accès au secondaire et on utilise le schéma équivalent électrique suivant :
Placer sur ce schéma Xµ, R/g, Xs en précisant leur nom et ce qu’ils représentent.
Chaque phase du moteur est alimenté par V1, appliquer le théorème de Boucherot pour exprimer l'expression de la puissance transmise au rotor.
Donner alors l’expression du couple moteur en fonction de ? et l’allure de la courbe C=f(?).
En déduire l’allure de la courbe C=f(n), n étant la vitesse de rotation du moteur et sachant que g=ns?n=?s??ns ?s
Vérifier ensuite que la caractéristique de couple correspond à cette courbe :
Exploitation de cette caractéristique :
• Quand on démarre le moteur en direct, quelle partie de caractéristique parcourt-on ?
• Comment passer d'un flux tournant direct à un flux tournant inverse ?
• En régime de fonctionnement nominal quelle relation simple lie C et g et la comparer à la caractéristique couple-vitesse du moteur idéal.
• Expliquer comment est modifiée la caractéristique si on augmente V.
Tracer deux caractéristiques pour 2 valeurs de V pour une vitesse de rotation allant de 0 à N. Si on ne regarde que la zone autour du régime nominal, expliquer comment on peut faire varier la vitesse du moteur.
Quel est l'inconvénient de cette variation de vitesse ?
• Expliquer comment est modifiée la caractéristique si on augmente V en gardant V/f constant . Tracer deux caractéristiques pour 2 valeurs de V pour une vitesse de rotation allant de 0 à N. Si on ne regarde que la zone autour du régime nominal, expliquer comment on peut faire varier la vitesse du moteur.
Quel est l’intérêt de cette variation de vitesse mais aussi, quelles sont ses limites.
| MPh2 TD 5 | ELECTRONIQUE DE PUISSANCE REDRESSEMENT MONOPHASE | 2010/11 |
Le redressement est la conversion d'une tension alternative en une tension continue. On utilise un convertisseur alternatif-continu pour alimenter un récepteur en continu à partir du réseau de distribution alternatif sinusoïdal.
Symbole :
I – LA DIODE
Rappels sur la diode, interrupteur unidirectionnel non-commandé :
• Quelle est la condition de mise en conduction d’une diode ?
• Donnez les conditions de blocage d’une diode
• Ses schémas équivalents (diode réelle et diode idéale)
Exercice : La tension ve est sinusoidale de période T.
ve vs
Représentez 2 périodes de ve et de vs .
On appelle instant de commutation naturelle, l’instant pour lequel la diode entre en conduction.
II - REDRESSEMENT MONOPHASE NON-COMMANDE
a. Sur charge résistive
Rappel :
- quand 2 diodes sont à cathodes communes, celle qui a le potentiel anode le plus élevé, conduit
- quand 2 diodes sont à anodes communes, celle qui a le potentiel cathode le plus
1. Etude de 0 à T/2 , puis de T/2 à T :
Quelles diodes conduisent ?
Surlignez le schéma suivant pour faire apparaître la circulation du courant. En déduire l’expression de u(t) et de i(t).
de T/2 à T diodes passantes : diodes passantes :
u(t) = u(t) =
2. Tracez u(t) et i(t). Expliquez pourquoi les diodes se bloquent.
3. Tracez iD1 et vD1 .
4. Calculez Umoy.
b. Sur charge inductive
Quel est l’effet de la bobine sur le fonctionnement du pont ?
Qu’est-ce qui impose le blocage des diodes ?
L’allure de u(t) sera-t-elle modifiée ? Et celle de i(t) ?
III- LE THYRISTOR
Le thyristor est un interrupteur unidirectionnel commandé à la fermeture
Amorçage du thyristor gachette
Pour commander le thyristor à la fermeture, il faut Vak>0 et une impulsion du courant de gâchette Ig.
Le thyristor est alors semblable à une diode qui attend l’ordre
VAK de conduire sur sa gâchette.
Le thyristor reste passant si I > Im, courant de maintient ; c’est la valeur minimale de I qui maintient l’état de conduction.
Blocage du thyristor
Le courant dans le thyristor doit être < Im et Vak doit être <0 pendant une durée supérieure au temps de désamorçage ; si ces conditions ne sont pas respectées, il y aura risque de réamorçage.
Il y a deux types d’extinction :
- l’extinction naturelle : annulation de I, due au comportement du circuit
- l’extinction forcée : un circuit auxiliaire impose Vak<0 et annule le courant
Exercice sur le thyristor
La tension ve est sinusoidale de période T.
Le déclencheur fournit des impulsions de courant à la gâchette aux ve vs instants t0+kT.
t0 est le temps de retard à l’amorçage; c’est le retard par rapport à la commutation naturelle.
1. Représentez us avec t0=T/8, sur 2 périodes.
2. On appelle ?0 l’angle de retard à l’amorçage ?0=?t0 , donnez la valeur de ?0 et graduez l’axe en angle.
3. Qu’est-ce qui bloque le thyristor ?
IV - REDRESSEMENT MONOPHASE COMMANDE : CAS DU PONT MIXTE
a. Sur charge résistive
v est une tension sinusoïdale. v u
L’angle de retard à l’amorçage des thyristors est ?0= :
T1 reçoit une impulsion sur sa gâchette à ?0 et T2 à ?0 +?.
1. Indiquez sur une période les intervalles de conduction de chaque élément : - A quel instant chaque interrupteur est-il mis en conduction ?
- Interrogez-vous sur ce qui va bloquer les diodes, et sur ce qui va bloquer les thyristors.
- Pour chaque intervalle, complétez les schémas suivants et exprimez u et i
2. Tracez u(t) et i(t)
3. Exprimez Umoy en fonction de ?0 ; quelle est la plage de variation de la tension ? Conclure sur l’utilisation du montage; la réversibilité en tension ou en courant est-elle
PONT MIXTE SUR CHARGE R PONT MIXTE SUR CHARGE RL
Intervalles de conduction Intervalles de conduction
| MPh2 TD 6 | ELECTRONIQUE DE PUISSANCE REDRESSEMENT MONOPHASE COMMANDE | 2010/11 |
I. PONT TOUT THYRISTOR SUR CHARGE RESISTIVE
V=230V R=100? ;
L’angle de retard à l’amorçage des thyristors est ?0=?.
Impulsion du courant de gâchette à ?0 pour T1 et T4, et à ?0 + ? pour T2 et T3.
1. Indiquez sur une période les intervalles de conduction des thyristors :
- A quel instant chaque interrupteur est-il mis en conduction ?
- Interrogez-vous sur ce qui va bloquer les thyristors.
- Pour chaque intervalle, complétez les schémas suivants et exprimez u et i
II. PONT TOUT THYRISTOR SUR CHARGE INDUCTIVE
Cas de la conduction continue
L’angle de retard à l’amorçage des thyristors est ?0=.
v u
1. Quelle sera l’influence de la bobine sur le fonctionnement du pont ?
Reprendre les questions précédentes pour obtenir les intervalles de conduction des éléments.
2. Tracez l’allure de u(t).
5. Exprimez Umoy en fonction de ?0 ; quelle est la plage de variation de la tension ? Pour quelle valeur de ?0 , Umoy est-elle négative ? Que dire de la charge dans ce cas ? Et de l’alimentation ?
Lorsque la charge est active, elle peut fournir de la puissance au réseau ; le pont fonctionne alors en onduleur assisté par le réseau.
6. L’expression précédente de Umoy est-elle valable avec une charge résistive ?
III. ASSOCIATION DE DEUX PONTS
Exemple de la machine à courant continu fonctionnant dans les 4 quadrants. Une machine à courant continu est alimentée par deux ponts tête –bêche.
1. Rappeler le schéma équivalent de la machine à courant continu. Cette machine estelle réversible ? Indiquez les signes de um et de im si la machine fonctionne en moteur, puis en génératrice.
2. Indiquez dans chaque quadrant ci-dessous
• si la machine fonctionne en génératrice ou en moteur
• le sens de rotation de la machine
• quel pont fonctionne
• s’il se comporte en redresseur ou en onduleur
Tracés des courbes
Charge R et ?0= Charge RL et ?0=
Intervalles de conduction
Charge RL et ?0 =
| MPh2 TD 7 | ELECTRONIQUE DE PUISSANCE REDRESSEMENT TRIPHASE | 2010/11 |
L’alimentation des ponts redresseurs triphasés s’effectue à partir d’un système triphasé de tensions noté v1, v2 ,v3 (le réseau par exemple).
Comment s’obtient la valeur efficace des tensions composées ?
I- Pont P3
A-P3 non-commandé:
Montage à cathodes communes:
D1
ucv2=V 2sin(?t?)
v3=V 2sin(?t?)
Le pont est alimenté par un générateur triphasé délivrant les tensions v1, v2 et v3.
1. Sur charge R
a. Quelle est la condition sur les tensions pour que D1 conduise ?
b. Tracez l’allure de la tension uc . Donnez l’expression de i(t).
c. Calculez la valeur moyenne de uc.
2. Sur charge RL
La charge a une constante de temps L/R très grande devant la période des tensions, on peut donc considérer que le courant dans la charge est lissé. Mêmes questions que précédemment.
Les trois thyristors sont commandés avec un angle de retard à l’amorçage ?0 =.
L’angle de retard à l’amorçage ?0 est l’angle qui sépare la mise en conduction de D1 (montage précédent) et celle de T1 ; donc T1 est amorcé à ………..
T2 est amorcé avec un retard de par rapport à T1, et T3 est amorcé avec un retard de par rapport à T2.
1.Sur charge R Allure des courbes de tension :
a- Indiquez les intervalles de conduction des thyristors.
b- En déduire l’expression de uc sur chaque intervalle puis l’allure de uc (attention à la valeur du courant !)
2. Sur charge RL
Le courant ic est lissé; on admettra pour les calculs qu’il est continu, et on le notera Ic.
a. Indiquez les intervalles de conduction des thyristors.
b. En déduire l’allure de uc .
c. Exprimez la valeur moyenne de uc en fonction de ?0.
III- Ponts doubles PD3 :
A- PD3 non commandé :
A ic
v1
On considère le courant ic continu.
1. Indiquez, en dessous des chronogrammes :
- les intervalles de conduction de D1,D2 et D3
- en déduire l’expression de vAN sur chaque intervalle
- les intervalles de conduction des diodes D’1,D’2 et D’3
- en déduire l’expression de vBN sur chaque intervalle
2. Déduire des résultats précédents la valeur de uc= vAN -vBN sur une période; tracez uc.
3. Donnez l’expression de Ucmoyen .
B- PD3 commandé :Ic
et ?, on prendra?0= pour les tracés. On considère le courant Ic continu.
1- Tracez la tension uc. en procédant de la même manière que précédemment. 2- Exprimez Ucmoy en fonction de ?0 . En déduire son signe en fonction de?0 .
3- Si la charge est un moteur à courant continu, donnez le sens du transfert d’énergie pour les différentes valeurs de ?0 .
4- Pour ?0=: tracez uc et calculez Ucmoy..
P3 non commandé sur charge R P3 non commandé sur charge RL
P3 commandé sur charge R P3 commandé sur charge RL
PD3 non-commandé PD3 commandé avec ?0=
PD3 commandé avec ?0=
| MPh2 TD 8 | ELECTRONIQUE DE PUISSANCE CONVERTISSEUR CONTINU - CONTINU | 2010/11 |
Le hacheur est un convertisseur ‘continu- continu’ ; il permet de transférer de l’énergie entre deux sources. Symbole :
Nous étudierons notamment le transfert d’énergie d’une source de tension constante vers une charge à courant constant et son application à la variation de vitesse du moteur à courant continu ; puis nous aborderons la réversibilité du convertisseur.
I. Hacheur abaisseur ou hacheur série
U est une source de tension constante ; la charge est inductive (RL) et on suppose l’inductance de bobine suffisamment élevée pour que ich ne s’annule jamais (conduction continue).
H
H est un interrupteur commandé: un transistor ou un thyristor avec circuit d’extinction.
D est une diode de roue libre : elle assure la circulation du courant lorsque H est ouvert. On considère ces interrupteurs parfaits.
1.Fonctionnement :
a. Rappeler les caractéristiques d’un interrupteur parfait
b. L’interrupteur H est commandé avec un rapport cyclique ?. H est fermé de 0 à ?T et ouvert de ?T à T.
c. Compléter les schémas suivants pour chaque intervalle, en indiquant la circulation du courant.
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U uch U uch
d. Indiquez sur une période la conduction des interrupteurs
• Tracer u1 sur une période
• Calculer sa valeur moyenne en fonction de U
• On considère uch constant, donnez l’allure de ich de 0 à ?T et de ?T à T.
• Ecrire la loi des mailles pour exprimer uch en fonction de u1 ; en déduire sa valeur moyenne en fonction de U1moy.
2. Moteur alimenté par le hacheur
La charge du hacheur est maintenant un moteur à courant continu en série avec une bobine de lissage.
a. Représentez le schéma électrique équivalent de la charge.
b. uch est-elle modifiée ?
c. Exprimez uchmoy côté charge ; entre quelles valeurs uchmoy peut-elle varier ? Expliquez comment s’effectue la variation de vitesse du moteur.
II. Hacheur réversible en courant
rappel : fonctionnement du moteur dans les 4 quadrants
Structure du hacheur réversible en courant :
On fait l’hypothèse que les diodes et les thyristors sont parfaits.
H1 et H2 sont commandés alternativement :
H1 est commandé à la fermeture de 0 à ?T ;
H2 est commandé à la fermeture de ?T à T
La charge est une machine à courant continu dont on néglige la résistance interne.
1. cas n° 1 : le courant ic est positif
a. Pour chaque intervalle, indiquer quels interrupteurs conduisent et complétez les schémas en faisant apparaître la circulation du courant :
b. Tracez uc(t) sur une période. Exprimez Ucmoy .
c. Déduire du signe de Ucmoy le fonctionnement de la machine et le sens de transfert de l’énergie.
2. cas n° 2 : le courant ic est négatif
a. Pour chaque intervalle, indiquer quels interrupteurs conduisent et complétez les schémas en faisant apparaître la circulation du courant :
b. Déduire du signe de Ucmoy le fonctionnement de la machine .
c. Donnez le sens de transfert de l’énergie, conclure sur la nature de la source U.
III. Hacheur 4 quadrants (ou en H)
C’est la structure de hacheur la plus complète ; elle s’utilise avec une source de tension (U) réversible en courant et une charge également réversible ( de type machine CC).
Commande des interrupteurs sur une période de fonctionnement T:
H1 et H3 sont commandés à la fermeture de 0 à ?T
H2 et H4 sont commandés à la fermeture de ?T à T
Quand ic >0, quels interrupteurs sont susceptibles de conduire ? Et quand ic < 0 ? Pour chacun des 4 cas ci-dessous, ic(t) évolue entre Im et IM ; la conduction est ininterrompue.
Pour chacun des 4 cas suivants :
1. Indiquez les éléments du convertisseur en conduction
2. Représentez uc et ic sur une période
3. Calculer la valeur moyenne de uc.
4. Quel est le régime de fonctionnement de la machine ?
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Cas 2 Cas 4