Chapitre1 Conversion AC DC [PDF]

Zitiervorschau

UNIVERSITÉ HASSAN II DE CASABLANCA ENSET MOHAMMEDIA

Cours d'électronique de puissance

Chapitre1

Conversion alternatif/continu : redresseurs monophasés, triphasés

Mohammed KISSAOUI Email: [email protected]

Plan Introduction Générale

1

2

3

4

Redressement non commandé

Redressement commandé

Applications 2

1.Introduction Générale 1.1 Historique 1.1 Historique

Table 1. Principales dates liées à la conversion de l’énergie électrique

3

1.Introduction Générale 1.2 Mise en forme de l’énergie électrique

L’électronique de puissance est une branche du génie électrique permettant d’adapter l’énergie électrique au besoin de la charge tout on assurant un bon rendement énergétique.

4

1.Introduction Générale 1.2 Mise en forme de l’énergie électrique 1.2.1 Exemples

Figure 1. Alimentation de PC format ATX

5

1.Introduction Générale 1.2 Mise en forme de l’énergie électrique 1.2.1 Exemples

Figure 2. Variateur de vitesse pour moteur asynchrone – Altivar12

6

1.Introduction Générale 1.2 Mise en forme de l’énergie électrique 1.2.2 L’électronique de puissance aujourd’hui

Figure 3. Les différents domaines d’application de l’électronique de puissance

7

1.Introduction Générale 1.2 Mise en forme de l’énergie électrique 1.2.2 L’électronique de puissance aujourd’hui

Figure 4. Zones approximatives d’utilisation des principaux semi-conducteurs de puissance

8

1.Introduction Générale 1.2 Mise en forme de l’énergie électrique 1.2.3 Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

Figure 5. État passant et bloqué d’un interrupteur

Figure 6. Les différents types de convertisseurs

9

1.Introduction Générale 1.2 Mise en forme de l’énergie électrique 1.2.4 Exercices

10

1.Introduction Générale 1.2 Mise en forme de l’énergie électrique 1.2.4 Exercices

11

Plan Introduction Générale

1

2

3

4

Redressement non commandé

Redressement commandé

Applications 12

2. Redressement non commandé Une distinction est faite entre redresseurs selon que la mise en conduction des semiconducteurs est faite spontanément ou à l’aide d’un circuit de commande externe.

Figure 7. Redressement non-commandé et commandé

13

2. Redressement non commandé 2.1 La diode

Figure 8. Exemples de diodes de puissance

14

2. Redressement non commandé 2.1 La diode 2.1.1 Caractéristique statique

❖ 𝐼𝐹𝐴𝑉 : Courant maximal à l’état passant ❖ 𝑉𝐹 :

Chute de tension à l’état passant

❖ 𝐼𝑅 :

Courant de fuite à l’état bloqué

❖ 𝑉𝑅𝑀 :

Figure 9. Caractéristique d’une diode

Tension inverse limite

15

2. Redressement non commandé 2.1 La diode 2.1.2 La diode en commutation Pertes de commutation sont approximées par :

𝑃𝑒𝑟𝑡𝑒𝑠𝑐𝑜𝑚𝑚 = 𝛼 .𝑄𝑟𝑟 . 𝑈. 𝑓 ❖ 𝛼 : Constante dépend de l'allure de la tension et du courant lors du blocage

❖ 𝑄𝑟𝑟 : Charge électrique ❖ 𝑈 : Tension lors du blocage de la diode ❖ 𝑓 : fréquence de commutation de l’interrupteur

Figure 10. Évolution du courant et de la tension d’une diode lors de la commutation au blocage

16

2. Redressement non commandé 2.1 La diode 2.1.3 Groupement de diodes - Règles de mise en conduction

Hypothèses : – Le courant i est supposé positif – V1 >V2 – Diodes idéales 1. Si D1 est passante, la tension aux bornes de D2 (en convention récepteur) vaut :

𝑉𝐷2 = 𝑉2 − 𝑉1 < 0

La diode D2 est donc bloquée

Figure 11. Diodes à cathodes communes

2. Si D2 est passante, la tension aux bornes de D1 (en convention récepteur) vaut :

𝑉𝐷1 = 𝑉1 − 𝑉2 > 0

Ce qui est impossible

La diode conductrice est celle qui voit son potentiel d’anode le plus élevé

17

2. Redressement non commandé 2.1 La diode 2.1.3 Groupement de diodes - Règles de mise en conduction

Hypothèses : – Le courant i est supposé positif – V1 >V2 – Diodes idéales 1. Si D2 est passante, la tension aux bornes de D1 (en convention récepteur) vaut :

𝑉𝐷1 = 𝑉2 − 𝑉1 < 0

La diode D1 est donc bloquée

Figure 12. Diodes à anodes communes

2. Si D1 est passante, la tension aux bornes de D2 (en convention récepteur) vaut :

𝑉𝐷2 = 𝑉1 − 𝑉2 > 0

Ce qui est impossible

La diode conductrice est celle qui voit son potentiel de cathode le moins élevé

18

2. Redressement non commandé 2.2 Redressement Monophasé - Le PD2 2.2.1 Principe : Débit sur source de courant Hypothèse : la charge peut être assimilée à une source de courant constant (I).

Figure 13. PD2 - Source de courant

19

2. Redressement non commandé 2.2 Redressement Monophasé - Le PD2

20

2. Redressement non commandé 2.2 Redressement Monophasé - Le PD2 2.2.2 Débit sur charge RL

Le courant de sortie doit donc vérifier les équations différentielles suivantes: 𝑻

❖ Sur 𝟎, 𝟐 : 𝑑𝑖𝑠 𝑡 𝑉√2 sin 𝜔𝑡 = 𝑅𝑖𝑠 𝑡 + 𝐿 𝑑𝑡

❖ Sur

𝑻 ,𝑻 𝟐

:

−𝑉√2 sin 𝜔𝑡 = 𝑅𝑖𝑠 𝑡 + 𝐿

𝑑𝑖𝑠 𝑡 𝑑𝑡

Figure 14. PD2 – Charge RL

21

2. Redressement non commandé 2.2 Redressement Monophasé - Le PD2 2.2.2 Débit sur charge RL Hypothèse : la résolution de ces équations sera approximée par la méthode du premier harmonique

𝑉𝑠 𝑡 = 𝑉𝑠 + 𝑣෥𝑠 Avec : 2 𝑉√2 𝜋

❖ 𝑉𝑠 = tension

: la valeur moyenne de la

𝑉√2

❖ 𝑣෥𝑠 = sin 2. 𝜔𝑡 : la partie alternative 2 de la tension de sortie Figure 15. Composantes continue et alternative de la tension de sortie

22

2. Redressement non commandé 2.2 Redressement Monophasé - Le PD2 2.2.2 Débit sur charge RL Avec :

𝑉𝑠 = 𝑉𝐿 + 𝑉𝑅 Or

❖ 𝐼𝑠 =

𝑉𝑠 𝑅

: la valeur moyenne du

courant

𝑉√2 1

𝑉𝐿 = 0

❖ 𝑖෩𝑠 = sin 2. 𝜔𝑡 − 𝜑 : la 2 𝑧 partie alternative du courant de sortie ▪

Le courant peut s'écrire comme suit:

𝑖𝑠 𝑡 = 𝐼𝑠 + 𝑖෩𝑠

Le module de l’impédance de la charge : 𝑧 = 𝑅2 + 2. 𝐿. 𝜔 2

▪ le déphasage amené par la charge 𝜑 = tan−1

2. 𝐿. 𝜔 𝑅

23

2. Redressement non commandé 2.2 Redressement Monophasé - Le PD2 2.2.2 Débit sur charge RL L’ondulation crête à crête du courant

Δ𝐼𝑠 =

𝑉√2

𝑅2 + 2. 𝐿. 𝜔

2

Figure 16. Tensions et courants de sortie d’un PD2 débitant sur un charge R-L

24

2. Redressement non commandé 2.2 Redressement Monophasé - Le PD2 2.2.3 Redressement monophasé à capacité en tête

Figure 17. PD2 – Capacité en tête

25

2. Redressement non commandé 2.2 Redressement Monophasé - Le PD2 2.2.3 Redressement monophasé à capacité en tête 𝑇

A l’instant 𝑡 = 4 , la tension du réseau diminue. Les diodes D1 et D3 se bloquent.

𝐼 𝑉𝑠 𝑡 = − 𝑡 + 𝑉 2 𝐶 L’ondulation de tension de sortie

∆𝑉𝑆 =

Figure 18. Allure de la tension de sortie d’un PD2 à capacité en tête

𝑇 𝐼2 𝐶

Le redresseur monophasé à capacité en tête a montré son avantage en terme de lissage de la tension de sortie.

26

2. Redressement non commandé 2.2 Redressement Monophasé - Le PD2 2.2.3 Redressement monophasé à capacité en tête ❖ Lorsqu’aucune diode ne conduit 𝑡1 , 𝑡2 𝑜𝑢 𝑡3 , 𝑡4

𝑖𝑒 𝑡 = 0 ❖ Pendant 𝑡2 , 𝑡3 , les diodes D2 et D4 conduisent.

avec

𝑖𝑒 𝑡 = − 𝑖𝑐 𝑡 + 𝐼 𝑖𝑐 𝑡 = 𝐶

Figure 19. Allure du courant d’entrée d’un PD2 à capacité en tête

𝑑𝑉𝑠 𝑡 𝑑𝑡

= −𝐶

𝑑𝑉𝑒 𝑡 𝑑𝑡

o Mauvais facteur de puissance o Surdimensionnement des diodes

27

2. Redressement non commandé Rappel sur le Triphasé

28

2. Redressement non commandé Rappel sur le Triphasé

1. Trois conditions doivent être réunies : a) Même fréquence b) Même valeur efficace c) Tensions déphasées de

2𝜋 3

2. Les expressions dans le domaine temporel et dans le domaine complexe sont donc les suivantes :

29

2. Redressement non commandé Rappel sur le Triphasé

4. La relation entre la valeur efficace des tensions simples (V) et la valeur efficace des tensions composées (U)

30

2. Redressement non commandé Rappel sur le Triphasé

5. La valeur maximale de la tension composée est: 𝑼𝒎𝒂𝒙 =

𝟐𝑼= 𝟐 𝟑 𝑽= 𝟔 𝑽

31

2. Redressement non commandé 2.3 Redressement Triphasé - Le PD3

Figure 20. PD3

32

2. Redressement non commandé 2.3 Redressement Triphasé - Le PD3

Figure 21. Séquence de conduction des diodes et grandeurs électriques caractéristiques d’un PD3

33

2. Redressement non commandé 2.3 Redressement Triphasé - Le PD3 La tension moyenne de sortie: 𝑉𝑆 =

𝜋 6

6 න 𝑢 𝜃 𝑑𝜃 2𝜋 −𝜋 32 6

𝜋

6 6 𝜋 𝑉𝑆 = න 𝑈√2 sin 𝜃 + 𝑑𝜃 2𝜋 −𝜋 2 6

Finalement Figure 22. Calcul de la valeur moyenne de la tension de sortie

3𝑉√6 𝑉𝑆 = 𝜋

34

2. Redressement non commandé 2.3 Redressement Triphasé - Le PD3 ❖ Pendant [πΤ6 , 5𝜋Τ6 ] :

D1 passante

𝑣𝐷1 𝑡 = 0 ❖ Pendant [5πΤ6 , 9𝜋Τ6 ] :

D2 passante

𝑣𝐷1 𝑡 = 𝑢12 𝑡 ❖ Pendant [0, 𝜋Τ6 ] et [ 9πΤ6 , 2π] : D3 passante 𝑣𝐷1 𝑡 = 𝑢13 𝑡 Figure 23. Tension et courant de la diode D1

La tension maximale inverse est :

𝑉𝑅𝑀 = 𝑉√6 35

2. Redressement non commandé 2.3 Redressement Triphasé - Le PD3 D’après la loi des nœuds, le courant de la première phase vaut :

𝑖1 𝑡 = 𝑖𝐷1 𝑡 − 𝑖𝐷6 𝑡

36

2. Redressement non commandé 2.3 Redressement Triphasé - Le PD3 La valeur efficace du courant de la phase 1 est donnée par l’expression suivante: 1 2𝜋 2 න 𝑖 𝜃 dθ 2𝜋 0 1

𝐼1 =

Par symétrie : 𝜋

𝐼1 =

4 2 2 ‫𝑖 ׬‬ 2𝜋 0 1

𝐼1 = 𝐼

𝜃 dθ =

2𝐼 2 𝜋

𝜃

𝜋 2 𝜋 6

2 3

37

2. Redressement non commandé 2.3 Redressement Triphasé - Le PD3 Hypothèse : le convertisseur PD3 est supposé sans pertes (diodes idéales)

La puissance active, exprimée en aval du pont redresseur donne :

𝑃 = 𝑉𝑠 . I =

3𝑉√6 .I 𝜋

La puissance apparente exprimée elle côté réseau donne :

𝑆 = 3. 𝑉. 𝐼1 = 3. 𝑉. 𝐼

2 = 6. 𝑉. 𝐼 3

Le facteur de puissance peut alors être déduit :

𝑃 3 𝐹𝑑𝑃 = = = 0,95 𝑆 𝜋

38

2. Redressement non commandé 2.4 Imperfections 2.4.1 L’empiètement

Figure 25. Allure des courants dans les diodes pour λ =0

Figure 24. Prise en compte de l’empiètement

Figure 26. Effet de l’empiètement sur les courants dans 39 les diodes

2. Redressement non commandé 2.4 Imperfections 2.4.1 L’empiètement

Figure 27. Effet de l’empiètement sur la valeur moyenne de la tension de sortie

40

2. Redressement non commandé 2.4 Imperfections 2.4.2 Imperfections des diodes Les diodes présentant une certaine chute de tension à l’état passant, celle-ci vient donc se rajouter à la chute de tension créée par le phénomène d’empiètement

Figure 28. Effet de la chute de tension sur la valeur moyenne de la tension de sortie

41

Plan Introduction Générale

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2

3

4

Redressement non commandé

Redressement commandé

Applications 42

3. Redressement commandé 3.1 Le thyristor 3.1.1 Présentation

Figure 29. Exemples de thyristors de puissance

43

3. Redressement commandé 3.1 Le thyristor 3.1.2 Commande à l’amorçage

Figure 30. Schéma de la commande d’un thyristor

Figure 31. Commande de la gâchette du thyristor par train d’impulsions

L’ordre d’amorçage du composant avec un retard réglable par l’utilisateur appelé angle de retard à l’amorçage ψ

44

3. Redressement commandé 3.1 Le thyristor 3.1.3 Caractéristique statique

3.1.4 Limitations o Limitation en

𝒅𝒊 𝒅𝒕

o Limitation en

𝒅𝒗 𝒅𝒕

o Temps de blocage minimum 𝒕𝒒

Table 2. Principales limitations technologiques pour le thyristor SKT 1200 de chez Semikron

Figure 32. Caractéristique d’un thyristor

45

3. Redressement commandé 3.2 Redressement monophasé 3.2.1 Pont tout thyristors

Figure 33. PD2 Tout thyristor

Figure 34. Allure de la tension de sortie pour 𝝅 𝒄= 𝟑

46

3. Redressement commandé 3.2 Redressement monophasé

47

3. Redressement commandé 3.2 Redressement monophasé

1. Déterminer la séquence de conduction des thyristors • Les thyristors Th1 et Th3 sont passants sur l’intervalle • Les thyristors Th2 et Th4 sont passants sur l’intervalle

ψ, 𝜋 + ψ ] 𝜋 + ψ, 2𝜋 + ψ ]

2. Tracer l’allure de la tension de sortie (vs(t)) • Lorsque les thyristors Th1 et Th3 sont passants

𝑉𝑠 𝜃 = 𝑉𝑒 𝜃

• Lorsque les thyristors Th2 et Th4 sont passants

𝑉𝑠 𝜃 = − 𝑉𝑒 𝜃

48

3. Redressement commandé 3.2 Redressement monophasé

3. Quelle serait l’allure de la tension de sortie dans le cas d’une conduction discontinue dans la charge ? Dans le cas d’une conduction discontinue dans la charge (annulation du courant dans la charge à un instant t), la tension de sortie l’est aussi : il y a donc un palier à zéro pour la tension de sortie.

4. Tracer l’allure de la tension aux bornes du thyristor 1 (vth1(t)) • Lorsque le thyristor 1 est passant

𝑉𝑡ℎ1 𝜃 = 0

• Lorsque le thyristor 1 est bloqué, le thyristor 2 est passant

𝑉𝑡ℎ1 𝜃 = 𝑉𝑒 𝜃

49

3. Redressement commandé 3.2 Redressement monophasé 5. Quelle tension maximale doit tenir le thyristor en inverse ?

6. Calculer la valeur moyenne de la tension de sortie

50

3. Redressement commandé 3.2 Redressement monophasé 7. Tracer l’allure de la fonction = f (ψ)

8. Que se passe t-il lorsque ψ >

𝜋 2

• ψ
0

• ψ>

𝜋 2

𝑃 = 𝑉𝑠 × 𝐼 < 0

Fct Fct

REDRESSEUR ONDULEUR ASSISTÉ

51

3. Redressement commandé 3.2 Redressement monophasé

9. Ce fonctionnement est-il possible avec n’importe quelle charge ?

Bien entendu, pour que le fonctionnement en onduleur assisté soit possible, il est nécessaire que la charge puisse devenir génératrice d’énergie.

Il est donc possible de faire fonctionner ce montage dans 2 quadrants. Le système étant bidirectionnel en tension et uni-directionnel en courant (les thyristors empêchent l’inversion du sens du courant).

52

3. Redressement commandé 3.2 Redressement monophasé 3.2.2 Pont mixte

Figure 35. Pont mixte symétrique

Figure 36. Pont mixte asymétrique

53

Plan Introduction Générale

1

2

3

4

Redressement non commandé

Redressement commandé

Applications 54

4. Applications 4.1 La variation de vitesse d’une MCC _ Partie 1

Figure 37. Variation de vitesse à l’aide d’un PD2 mixte symétrique

55

4. Applications 4.1 La variation de vitesse d’une MCC _ Partie 1 1. Déterminer la séquence de conduction des semi-conducteurs sur une période T 𝜋 (on fixera arbitrairement un angle de retard à l’amorçage de ) 3 La diode conductrice étant celle qui voit son potentiel de cathode le moins élevé. Pour les thyristors, la séquence de conduction est décalée d’un angle ψ par rapport aux instants de commutation naturelle. 2. Tracer l’allure de la tension de sortie

56

4. Applications 4.1 La variation de vitesse d’une MCC _ Partie 1 3. Calculer la valeur moyenne de la tension de sortie 𝑉𝑠

4. Tracer la fonction 𝑉𝑠

=𝑓 ψ

57

4. Applications 4.1 La variation de vitesse d’une MCC_ Partie 1 5. Tracer l’évolution temporelle du courant d’entrée 6. Donner alors l’expression du facteur de puissance

7. Tracer la fonction 𝐹𝑑𝑃 = 𝑓 ψ

58

4. Applications 4.1 La variation de vitesse d’une MCC _Partie 2

Figure 37. Variation de vitesse à l’aide d’un PD2 mixte symétrique

59

4. Applications 4.1 La variation de vitesse d’une MCC _Partie 2 1. Donner le schéma équivalent en régime permanent de l’induit de la MCC 2. Rappeler les 4 équations fondamentales d’une MCC

60

4. Applications 4.1 La variation de vitesse d’une MCC _Partie 2 3. Donner l’expression de la valeur moyenne de la tension aux bornes de l’induit de la MCC

4. Quelle est la relation entre la vitesse de rotation de la MCC et l’angle de retard à l’amorçage des thyristors

5. Expliquer le fonctionnement global du système, la MCC peut elle fonctionner en génératrice ? En régime permanent et en conduction continue, il est alors possible de fixer la vitesse de rotation de la machine en jouant sur l’angle de retard à l’amorçage des thyristors.

61

4. Applications 4.1 La variation de vitesse d’une MCC _Partie 2 6. La charge mécanique impose un couple résistant de 2 Nm. 𝜋 Déterminer alors la vitesse de rotation en régime permanent de la MCC pour 3 (on négligera ici le couple de frottement) En régime permanent, le principe fondamental de la dynamique nous donne:

La vitesse de rotation correspondante vaut alors 278,6 rad/s soit environ 2660 tr/min

62

4. Applications 4.1 La variation de vitesse d’une MCC _Partie 2 7. La charge mécanique impose désormais un couple résistant de 6 Nm. Déterminer alors le réglage de l’angle de retard à l’amorçage des thyristors nécessaire pour maintenir constante la vitesse de rotation du moteur Un couple de charge de 6 Nm impose un courant d’induit plus important que précédemment :

Nous pouvons alors déterminer la valeur de l’angle de retard à l’amorçage des 2 thyristors à l’aide de l’équation suivante :

Pour maintenir la vitesse de rotation constante (Ω= 278,6 rad/s), il vaut régler ψ à une valeur de 35,5 °

63

4. Applications 4.1 La variation de vitesse d’une MCC _Partie 2

Synthèse Le fonctionnement du système dans sa globalité est schématiquement représenté à la figure ci-dessous:

Cet exercice montre qu’il est possible de piloter la vitesse de rotation d’une machine à courant continu en jouant sur l’angle de retard à l’amorçage des thyristors: pilotage en Boucle Ouverte 64

4. Applications 4.2 Exemple d'un PD3 à 6 thyristors en régime permanent On suppose que le retard à l'amorçage et les valeurs de la charge sont tels que la conduction est continue

Figure 38. PD3 à 6 thyristors

65

4. Applications 4.2 Exemple d'un PD3 à 6 thyristors en régime permanent

1. Indiquer sur les deux premières lignes pointillées des graphes les intervalles de conduction qu'auraient les composants s'il s'agissait de diodes et non pas de thyristors 2. Les thyristors fonctionnent avec un 𝜋 angle de retard à l'amorçage ψ= . 6 En déduire sur les graphes leurs intervalles de conduction 3. En déduire 𝑣𝐴 𝑡 , 𝑣𝐵 𝑡 et 𝑢𝑐 𝑡 (Les représenter sur les courbes triphasées)

66

4. Applications 4.2 Exemple d'un PD3 à 6 thyristors en régime permanent

67

4. Applications 4.2 Exemple d'un PD3 à 6 thyristors en régime permanent 5. Pour l'étude des courants, nous ferons l'hypothèse:

L R très supérieure à

𝜋 6

, on

peut donc poser : 𝑖𝐶 𝑡 ≅ 𝐼0 constant,

exprimer 𝐼0 en fonction de R, E , 𝑉𝑚𝑜𝑥 et ψ 4. Calculer 𝑉𝐴𝑚𝑜𝑦 et 𝑉𝐵𝑚𝑜𝑦 en fonction de ψ et de 𝑉𝑚𝑎𝑥 en déduire ainsi 𝑈𝑐𝑚𝑜𝑦

6. En déduire que si E > 0 , la conduction 𝝅 continue n’est pas possible pour < ψ < 𝝅 𝟐

La conduction continue dans la charge RLE implique que ic (t) > 0 , donc

68

4. Applications 4.2 Exemple d'un PD3 à 6 thyristors en régime permanent 𝝅 𝟔

7. Représenter 𝑖1 𝑡 avec l’hypothèse 𝑖𝐶 𝑡 > 0 et ψ= .

8. Calculer la puissance active reçue par la charge en conduction continue en fonction de 𝐼0 , 𝑉𝑚𝑜𝑥 et ψ La puissance active reçue par la charge est : 9. En déduire le facteur de puissance

69

4. Applications 4.3 Transport de puissance en courant continu _ HVDC

Figure 39. Transport de puissance en courant continu - HVDC

70

4. Applications 4.3 Transport de puissance en courant continu _ HVDC

• P1 : la puissance transitant par le pont redresseur 1 • P2 : la puissance transitant par le pont redresseur 2 Les 2 ponts fonctionneront en configuration redresseur ou onduleur selon le réglage de ψ1 et ψ2.

71

4. Applications 4.3 Transport de puissance en courant continu _ HVDC

Liaison IFA 2000 entre la France et l’Angleterre Table 3. Principales données de la liaison IFA 2000

Figure 40. Vue des interrupteurs d’une des stations de la liaison IFA 2000

72