Memoire Pfe [PDF]

Zitiervorschau

Université SULTAN MOULAY SLIMANE Faculté des Sciences et Techniques – Beni Mellal Licence sciences et techniques : Ingénierie Electronique et Télécommunication

ÉTUDE DE LA COMMMANDE D’UN GRADATEUR MONOPHASÉ

Mémoire présenté pour l’obtention du diplôme de la licence sciences et techniques Ingénierie Electronique et Télécommunication IETel Encadrant de mémoire : Mr. BRAHIM MINAOUI Réalisé par : MOHAMED AMINE TAHIRI Soutenu le 06/09/2020, devant le jury composé de :

-

Pr. B. MINAOUI

Encadrant

-

Pr. H. CHAKIB

Examinateur

-

Pr. O. BJOU

Examinateur

Année universitaire : 2019/2020 N° : .........

Etude de la commande d’un gradateur monophasé

1

Licence IETEL

PFE 2020

FST Beni Mellal

Etude de la commande d’un gradateur monophasé

PFE 2020

Dédicace

Aucune dédicace ne pourrait assez exprimer ma gratitude et mon profond respect pour toutes les personnes qui m’ont entouré. Avec grande joie, je dédie ce modeste travail : A ceux qui m’ont toujours encouragé et soutenu avec amour et patience ; A ceux qui ont vécu avec moi tout ce temps instant par instant ; A ceux auxquels je tiens à présenter mon tout respect et ma grande reconnaissance ; A mes parents que j’aime tellement ; A tout le cadre administratif et pédagogique de la FSTBM A nos généreux formateurs qui n’ont pas ménagé aucun effort à notre compte ; A tous ceux qui m’ont soutenu de près ou de loin ; A ma promotion de la licence IETEL ; A tous ceux qui me sont chers ; A toute personne qui a contribué de près ou de loin pour la réalisation de ce travail.

2

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Etude de la commande d’un gradateur monophasé

PFE 2020

Remerciements Ce travail n’est jamais une œuvre individuelle, il est le fruit de nombreuses expériences, rencontres et collaborations. Avant tous, je remercie ALLAH le tout puissant de m’avoir donné le courage et la patience pour réaliser ce travail malgré toutes les difficultés rencontrées. Aussi, je voudrais exprimer toute ma gratitude à l’ensemble des personnes qui ont participé de près ou de loin à ce travail, qui ont croisé ma route, en m’accordant le temps, l'écoute, les conseils, l’expérience et parfois le réconfort, qui m’auront permis à leur manière de progresser, avancer, mûrir, apprendre et à mieux me découvrir. Tout d’abord, je tiens à exprimer mes profonds remerciements à mon professeur encadrant Mr BRAHIM MINAOUI, pour son encadrement exemplaire ainsi que pour son soutien, sa collaboration, et sa disponibilité ; vos remarques et conseils m’ont permis de mener à bien ce travail. Mes remerciements vont aussi à tous mes professeurs, enseignants et à tous les membres du corps professoral du département de Physique de la Faculté des Sciences et Techniques de Beni Mellal : Mr M. MABROUKI responsable de la filière I.E.TEL, Mr L. OUFNI chef

du

département

Physique

et

tous

les

professeurs

de

notre

licence

Mr E. AGOURIANE, Mr A. LARACH, Mr A. SALHI, Mr O. ABOULALA et Mr A. LIBA ; d’ailleurs tous les professeurs du DEUST Génie électrique-Génie mécanique. Vous pouvez avoir le sentiment du devoir accompli envers moi. Vous avez une fois de plus

réussi

à

faire

d’un simple

bachelier,

un

électronicien

professionnel.

Votre compétence, votre abnégation dans l’enseignement et votre détermination de promouvoir l’excellence de vos étudiants restera à jamais dans nos mémoires. Je ne manquerais pas non plus de remercier les honorables membres du jury d’avoir accepté d’évaluer cette soutenance, et de me faire part de leurs remarques surement pertinentes qui contribueront, sans nul doute, au perfectionnement du présent travail. Je remercie vivement mes camarades de classe, mes fidèles compagnons de guerre. La solidarité, l’entraide et le travail ont toujours été nos armes. L’ambiance du campus social nous manquera tous pendant ce confinement. Merci également à tous les membres de ma famille dans son intégralité, à mes amis et à toutes les personnes qui me sont chères.

3

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Etude de la commande d’un gradateur monophasé

PFE 2020

Table de matière Dedicace .................................................................................................................................2 Remerciements .......................................................................................................................3 Table de matière .....................................................................................................................4 Symboles et abreviations ........................................................................................................6 Chapitre 1 ...............................................................................................................................9 Introduction .....................................................................................................................10 I. La conversion statique d’énergie électrique .................................................................10 I.1. Définition ...............................................................................................................10 I.2. Les convertisseurs statiques d’énergie electrique..................................................11 I.3. Les Redresseurs - Rectifiers ..................................................................................12 Redressement monophasé non commandé............................................................ 13 Redressement monophasé commandé................................................................... 13 I.4. Les Hacheurs - Choppers.......................................................................................14 I.5. Les Onduleurs – Inverter .......................................................................................15 Exemple d’un onduleur à commande : Modulation de Largeur D'impulsion ....... 16 I.6. Les Gradateurs - Dimmers.....................................................................................17 II. La notion de réversibilité..........................................................................................19 Réversibilité des convertisseurs............................................................................19 Réversibilité des sources ......................................................................................19 III. Les Composants constituant les convertisseurs .......................................................20 Diodes .........................................................................................................................22 Transistors Bipolaire (BJT) ........................................................................................23 Thyristors à extinction par la gâchette (GTO) ...........................................................24 Transistors a effet de champs (Mosfet).......................................................................25 Transistors Bipolaires A Grille Isolée (IGBT) ...........................................................25 Thyristor commandé par Mos (MCT) ........................................................................26 Critères de choix des composants de puissance .........................................................27 Protections des composants semi-conducteurs ...........................................................28 Protection contre les surintensités ........................................................................ 28 Protection contre dV/dt et d𝑖/dt ............................................................................ 28 Protection thermique ............................................................................................ 28 Chapitre 2 .............................................................................................................................29 Introduction .....................................................................................................................30 I. Structure du gradateur monophasé .............................................................................31 II. Thyristor (SCR) .........................................................................................................31 II.1. Constitution du thyristor ....................................................................................32 II.2. Schéma electrique equivalent simplifié ..............................................................32 4

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Etude de la commande d’un gradateur monophasé

PFE 2020

II.3. Fonctionnement du Thyristor ...........................................................................33 II.4. Caractéristique du Thyristor ..........................................................................34 II.5. Aspect Physique des Thyristors .....................................................................35 III. Triac ........................................................................................................................36 III.1. Constitution et fonctionnement .....................................................................36 III.2. Caractéristiques et quadrants ........................................................................37 IV. Gradateurs monophasés a réglage de phase ...........................................................38 IV.1. Gradateur débit sur charge résistive ..............................................................38 IV.2. Gradateur débit sur charge inductive .............................................................40 V. Gradateurs monophasés a train d’ondes (Integral Cycle Control) ..........................42 Conclusion .......................................................................................................................45 Chapitre 3 .............................................................................................................................46 Introduction .....................................................................................................................47 I. Présentation des logiciels relatives a la partie 1 .......................................................47 I.1. Présentation Matlab ...............................................................................................47 I.2. Présentation de Simulink ..................................................................................48 I.3. Présentation de Simscape ..................................................................................48 II. Conception et simulation des gradateurs par Simulink ............................................48 II.1. Simulation d’un gradateur monophasé a angle de phase ..................................49 II.2. Simulation d’un gradateur monophasé a train d’ondes .....................................55 III. Conception et simulation de gradateur par proteus ..................................................56 II.1. Présentation du logiciel Proteus .......................................................................56 III.2 Cahier des charges ...........................................................................................56 III.3. Conception de la partie de puissance ................................................................57 III.4. Conception de la partie de commande ............................................................58 IV. Conception du gradateur a angle de phase .............................................................62 Calcul théorique ...................................................................................................63 Tests de simulations .............................................................................................64 Débit sur charge inductive ...................................................................................64 Schéma electrique du montage sur la platine d’essais .........................................64 Conception du modèle imprimé (ARES - PCB Layout) .....................................65 V. Conception du gradateur a train d’ondes .................................................................66 Tests du circuit .....................................................................................................68 Optimisation du circuit ........................................................................................69 Principe et fonctionnement ...................................................................................70 Conception du modèle imprimé (ARES - PCB Layout) .....................................71 Conclusion ...........................................................................................................................71 Conclusion generale .............................................................................................................72 References bibliographiques ................................................................................................73

5

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Etude de la commande d’un gradateur monophasé

PFE 2020

Symboles et abréviations Abréviations/Symboles

Notions

AC

Courant alternatif

DC

Courant continue

D

Diode

A

Anode

K XAk F=cos φ Th

Thyristor

R

Résistance

L

Inductance

G

Gâchette du thyristor

Ve

Tension d’entrée

Vs

Tension de sortie

Vm

La valeur maximale de la tension

 V 2  , Veff ou VRMS ou Vmoy

6

VAK ou 𝑖AK

Cathode respectivement la tension aux bornes du s.c et le courant y traversant Le facteur de puissance

La valeur efficace La valeur moyenne

𝑖G

Courant de la gâchette du thyristor ou du triac

𝑖L VL

Courant traversant l’inductance Tension aux bornes de l’inductance

Vc

Tension aux bornes du condensateur

T

La Période

Ψ GND

Angle d’amorçage du thyristor ou du triac

Ton

Temps de conduction

Toff BTDM

Temps de non conduction Electricité domestique de Maroc (réseau 220v/50Hz)

MLI ou PWM

Modulations de Largeur d’Impulsion.

𝑖c

Courant de collecteur

F.E.M

Force électromotrice

Tension d’avalanche

Tension de claquage négative

BT

La basse tension

Licence IETEL

La masse

FST Beni Mellal

Etude de la commande d’un gradateur monophasé

PFE 2020

Introduction Générale Quelle merveilleuse invention que celle de l'énergie électrique ! Qui saurait, pourrait s'en passer aujourd'hui ? Elle est là, omniprésente dans notre vie, presque dans chacun de nos actes, presque dans toute situation. Pour beaucoup, cela se résume à une prise, un dispositif de commande, la répartir, la distribuer, l'amener jusqu'au récepteur le plus éloigné dans des conditions économiques optimales, en respectant les contraintes exigées par la sécurité, et en satisfaisant des exigences de disponibilité, de fiabilité et de qualité. Pour se faire, le développement des composants électroniques capables de tenir des courants et des tensions de plus en plus élevés, ne cesse de s’accélérer. Une nouvelle façon de gérer l’énergie électrique, s’est développée depuis cinquante ans. On la dénomme « Electronique de puissance ». Tout d’abord, l’électronique de puissance est un sous-domaine de l’électrotechnique qui a pour objectif de changer la forme des tensions et de courants électriques associés à l’aspect énergétique des circuits électriques, pour l'adapter dans les meilleures conditions aux multiples utilisations. On l’appelle aussi « La conversion statique de l’énergie électrique ». Des applications liées à ce domaine sont dues au développement des thyristors et des transistors spécifiques, dits « transistors de puissance » dans les années 1970. Grâce aux progrès d’innovation sur ces composants et sur leur mise en œuvre, l’électronique de puissance a pris une importance considérable dans tout le domaine de l’électricité industrielle. La recherche dans ce domaine, considère plusieurs aspects, notamment les topologies des convertisseurs, les structures et les performances des interrupteurs de puissance et ainsi que les techniques de commande. D’autre part, l’évolution de l’électronique de puissance et l’apparition des circuits intégrés, ont permis d’élaborer des systèmes de commande, en vue de contrôler leurs puissances et permettant ainsi d’avoir des performances répondant au mieux aux besoins industriels. Les signaux de commande, générés moyennant des circuits intégrés ou des montages à base d’amplificateurs opérationnels, pour piloter les convertisseurs statiques.

7

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Etude de la commande d’un gradateur monophasé

PFE 2020

C’est dans ce cadre que se situe mon projet de fin d’études intitulé « Étude de la commande d’un gradateur monophasé ». Ce projet a pour objectif de de mettre en œuvre les compétences acquises durant ces trois années, pour la conception et la simulation d’un système de commande d’un convertisseur AC-AC appelé gradateur, pour non seulement effectuer des travaux pratiques, mais également afin de piloter les différents dispositifs disponibles autour de nous tels que les variateurs de la luminosité d’une lampe ou de la vitesse pour un moteur à courant alternatif. Ce travail est une description complète des différentes tâches accomplies durant la période de ce projet de fin d’études. Ces activités de recherches couvrent les problématiques principales de la conversion d’énergie électrique et reposent sur la combinaison d’approches théoriques et expérimentales autour de la notion de puissance. Dans ce mémoire, je décris les principales parties de ce travail, en divisant ce mémoire en trois parties : - Le premier chapitre et consacré à une présentation générale des convertisseurs statiques et leurs principes de fonctionnements. - Le deuxième chapitre est dédié à l’étude théorique du convertisseur AC-AC notamment le gradateur monophasé. On commence par sa structure, puis on entamera une étude sur les deux composants électroniques utilisés dans ce convertisseur (Thyristor et Triac ) ; ensuite on se propose d’étudier en détail les deux techniques de commande du gradateur : le gradateur à angle de phase et le gradateur à train d’ondes en décrivant leurs constructions et leurs fonctionnements. - Le troisième chapitre sera réservé à la conception et la simulation du circuit de commande et du circuit de puissance du gradateur à angle de phase et du gradateur à train d’onde. On commence par la simulation sur Simulink du logiciel Matlab (le schéma bloc et les allures des tensions et des courants seront présentés), puis on utilise le logiciel Fritzing pour montrer le circuit dans la platine d’essais, en fin on passe à la simulation de nos circuit réalisés par le logiciel Proteus. Ainsi de comparer les résultats de simulations obtenue par ces logiciels avec ceux trouvés lors de l’étude théorique élaborée au 2e chapitre. On finit ce rapport par une conclusion générale récapitulative des différentes phases de ce travail, signalant les côtés bénéfiques du projet et énonçant les perspectives du travail élaboré.

8

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Etude de la commande d’un gradateur monophasé

PFE 2020

Chapitre 1

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

9

•

Redresseurs

•

Hacheurs

•

Onduleurs

•

Gradateurs monophasés

•

Réversibilité

•

Les composants constituants les convertisseurs

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

PFE 2020

Introduction L'électronique de puissance fait référence à l'ensemble de circuits électroniques relatifs à la conversion statique de l'énergie électrique d'une forme à une autre. Les convertisseurs électroniques de puissances sont utilisés dans des applications diverses comme la traction électrique, les avions plus électriques et les réseaux électriques à base d'énergie renouvelable. Ils permettent, à travers des lois de commande appropriées, de transformer l'énergie électrique d'une forme à une autre tout en contrôlant sa direction et ses caractéristiques. Donc, c'est le moyen de fournir à une charge, l'énergie électrique dont elle a besoin à partir d'une ou plusieurs sources d'énergie électrique. La figure I.1 représente la structure générale d'un circuit d'électronique de puissance. L’objectif de ce chapitre est de posséder des connaissances générales sur les convertisseurs statiques. Tout d’abord, en commençant par faire une définition succincte en détaillant les différents types des convertisseurs statiques, leurs structures populaires, et leurs applications industrielles. Source de Circuit de puissance

Récepteur

puissance

Circuit de control

Référence

Figure I.1 : Structure générale d'un circuit d'électronique de puissance

I. La conversion statique d’énergie électrique I.1. Définition La conversion statique est l’adaptation d’une source d'énergie électrique à un récepteur donné. Cette conversion est réalisée par un convertisseur statique, c’est à dire un dispositif qui transforme de l’énergie électrique disponible en une forme appropriée à l’alimentation d’une charge. En effet les seuls moyens de conversion historiques de l’énergie électrique utilisaient des machines tournantes (moyens « dynamiques » en raison des mouvements de rotation). Peu à peu, elles ont fait place à des composants électroniques à semi-conducteurs (« statique » car sans mouvements). 10

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

PFE 2020

I.2. Les convertisseurs statiques d’énergie électrique Les convertisseurs statiques sont les dispositifs à composants électroniques capables de modifier l’amplitude et/ou la fréquence de l'onde électrique, « courant, tension ». On distingue deux types de sources de tension : • Source de tension continue caractérisée par sa valeur moyenne Vmoy =

1 V (t )dt =V . T T

• Source de tension alternative définie par la valeur de la tension efficace Veff et de la fréquence f. (Veff =

=

1 T

V

2

(t )dt )

T

Suivant le type de machine à commander et suivant la nature de la source de puissance, on différencie quatre types de convertisseurs dont les schémas de principe sont donnés par la figure (I.2) : 1. Alternatif →

continu : c’est le Redresseur.

Assurant la conversion alternatif-continu. Il permet, à partir d’une tension alternative, d’obtenir une tension continue ou redressée. En utilisant des thyristors, on peut faire varier le rapport de transformation alternatif-continu. 2. Continu

→

continu, c’est le Hacheur.

Assurant la conversion continu-continu. Placé entre une source de courant continu et un récepteur de courant continu, il permet de faire varier la tension aux bornes de celui-ci. 3. Continu

→

alternatif, c’est l’Onduleur.

Assurant la conversion continu-alternatif. Alimenté en courant continu, il délivre une ou plusieurs tensions alternatives. On peut faire varier la fréquence des tensions alternatives ainsi la valeur efficace. 4. Alternatif →

alternatif, on a deux cas :

a. Le gradateur. b. Le Cycloconvertisseur. Assurent la conversion alternatif-alternatif. Ils permettent de faire varier le courant débité par une source alternative donnée dans un récepteur donné. On parle des gradateurs lorsque seule la valeur efficace de la tension alternative est modifiée, sinon c'est des cycloconvertisseurs (qualifié à la fois de faire varier la tension efficace aux bornes de la charge et la fréquence). 11

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

PFE 2020

Action sur l’aspect

Action sur la valeur efficace

Action sur la valeur moyenne

Cycloconvertisseur

Cycloconvertisseur

Action sur l’aspect

Action sur la fréquence

Figure I.2 : Schéma synoptique des Différents types des convertisseurs

I.3. Les Redresseurs - Rectifiers Les convertisseurs AC/DC, souvent appelés redresseurs, sont les convertisseurs de l'électronique de puissance qui assurent directement la conversion alternatif continu. Alimentés par une source de tension alternative monophasée ou polyphasée souvent de fréquence 50 Hz (ou 60 Hz pour les 43 pays en Amérique, Asie et Europe), ils permettent d'alimenter en courant continu le récepteur branché à leur sortie.

Figure I.3 : Symbole du redresseur Pratiquement, on rencontre les redresseurs dans les variateurs de vitesse pour moteurs à courant continu, dans les chargeurs de batteries, les postes de soudure ou encore comme étage d’entrée d’un onduleur autonome…etc. Les redresseurs peuvent être classés en deux grandes familles : •

Les redresseurs non commandés, qui sont à base de diodes. Ils fournissent une tension redressée à valeur moyenne constante.

•

Les redresseurs commandés, qui sont à base de thyristors et diodes. Ils délivrent une tension redressée à valeur moyenne ajustable.

12

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

PFE 2020

❖ Redressement monophasé non commandé Un redresseur non commandé, ne comporte que des diodes, c’est un convertisseur qui, à partir d'une source de tension alternative alimente une charge sous une tension unidirectionnelle de valeur moyenne constante :

4

3

Figure I.4 : Redressement monophasé double alternance en pont de Graetz – Charge résistive Lorsque la tension Ve est positive (entre 0 et π ), les diodes D1 (potentiel d’anode le plus élevé) et D3 (potentiel de cathode le plus bas) conduisent, alors la tension de sortie sera Vs=Ve . A l’inverse, durant l’autre demi période (entre π et 2π) la tension d’entrée e est négative), les diodes D2 et D4 conduisent, alors Vs = -Ve Les valeurs Vsmoy et Vseff valent :

Vsmoy =

2Vm



;Vseff =

Vm 2

❖ Redressement monophasé commandé Le redressement commandé est la conversion d'une tension alternative, en une tension continue de valeur moyenne réglable. Les montages sont semblables au montage redresseur non commandé, avec une partie des diodes serons remplacées par un ensemble équivalent de thyristors. Le redressement commandé est utilisé souvent pour la variation de vitesse des moteurs à courant continu.

Figure I.5 : Redressement commandé double alternance pour une charge inductive 13

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

PFE 2020

Nous allons voir dans les parties prochaines que le thyristor est caractérisé par un courant de gâchette. Cette caractéristique est mise à profit pour faire varier les grandeurs électriques de sortie et ainsi régler les valeurs moyennes de la tension aux bornes de la charge et du courant la traversant. En effet, on utilise des commandes électroniques introduisant un retard à l'amorçage du thyristor. Cette capacité à faire varier les valeurs des grandeurs de sortie a donné le qualificatif « commandé » à ce type de redresseur. On note Ψ l’angle d’amorçage, Il correspond à un temps de retard à l’amorçage de référence d’un thyristor. La valeur moyenne et la valeur efficace récupérées sont :

Vsmoy =

Vm



(1 + cos  )

Vseff =

Vm  sin 2 1− +  2 2

Elles sont maximales pour Ψ = 0°.

I.4. Les Hacheurs - Choppers Les hacheurs opèrent une conversion statique continu-continu. Placés entre un générateur et un récepteur, tous deux à courant continu, ils permettent de régler la tension appliquée au récepteur ou le courant qui y circule, en établissant et interrompant périodiquement l'alimentation grâce à des interrupteurs électroniques. D’un point de vue circuit, le hacheur apparaît comme un quadripôle figure I.6, jouant le rôle d’organe de liaison entre deux parties d’un réseau. On peut le considérer comme un transformateur de grandeurs électriques continues. Il se compose de condensateurs, d’inductances et de commutateurs. Dans le cas idéal, tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance active, c’est la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs. On trouve ce type de convertisseurs dans l’alimentation d’appareils électroniques (TV, ordinateurs, chargeurs de téléphones…) .

Figure I.6 : Symbole du hacheur Parmi les convertisseurs DC-DC les plus populaires, on trouve le hacheur élévateur (BOOST), dans lequel la tension de sortie Vs est supérieur à la tension d’entrée Ve. On trouve également le hacheur abaisseur (BUCK) dans lequel la tension de sortie est inférieur à la tension d’entrée.

14

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

PFE 2020

Le tableau ci-dessous représente quelques caractéristiques des différents types des hacheurs

Type

Fonction

Interrupteur

Diode

Transformateur

Vs/Ve

Buck

Abaisseur

1

1

Non



Boost

Elévateur

1

1

Non

1 1−

Buck- Boost

Abaisseur/ Elévateur

1

1

Non

 1−

Flyback

Abaisseur/ Elévateur

1

1

Oui

 Ns . 1 −  Ne Ns Ne

Forward

Abaisseur/Elévateur

1

1

Oui

.

Push Pull

Abaisseur/Elévateur

2

2

Oui

2. .

Half Bridge

Abaisseur/Elévateur

2

4

Oui

.

Full Bridge

Abaisseur/Elévateur

4

4

Oui

2. .

Ns Ne

Ns Ne

Ns Ne

Table I.1 : Paramètres des différents convertisseurs DC-DC

I.5. Les Onduleurs – Inverters Les onduleurs sont des dispositifs de l’électronique de puissance, qui assure la conversion continue-alternative. On distingue les onduleurs de tension et les onduleurs de courant en fonction de la source continue mais ce sont les onduleurs de tension qui sont les plus répandus dans les systèmes industriels et dans toutes les gammes de puissance. Le principe de base consiste à connecter, alternativement dans un sens puis dans l’autre, cette source continue à une charge de manière à lui imposer une alimentation alternative.

Figure I.7 : Symbole de l’onduleur

15

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

PFE 2020

Ces convertisseurs sont classés en plusieurs types selon : Coté commande : il existe trois types : - Onduleur à commande pleine onde (commande symétrique) ; - Onduleur à commande décalée ; - Onduleur à modulation de largeur d’impulsion ; Coté puissance : on trouve aussi trois types : - Onduleur en demi pont ; - Onduleur avec transformateur à point milieu (isolé) ; - Onduleur en pont complet ; Dans la pratique, ce type de convertisseur est aussi très utilisé, on trouve par exemple : - L'onduleur de secours permet d'assurer la continuité de l'alimentation en cas de coupures sur le réseau. - L’onduleur solaire utilisé pour la conversion du courant continu de l'énergie photovoltaïque issue d'un panneau solaire.

❖ Exemple d’un onduleur à Commande : modulation de largeur d'impulsion La M.L.I. (modulation de largeur d’impulsions, ou P.W.M. pour pulse width modulation), son procédé consiste à comparer une onde "modulante", généralement sinusoïdale, de fréquence f0 et d'amplitude réglable, à une onde "porteuse" triangulaire de fréquence f qui est très supérieure à f0, les instants de commutation étant déterminés par les points d'intersection de ces deux ondes comme indiqué sur la figure I.8 où on a admis pour simplifier que f est un multiple de f0. On va aborder ce type de modulation au 3eme chapitre.

Figure I.8 : Onduleur commandé en M.L.I. 16

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

PFE 2020

I.6. Les Gradateurs - Dimmers Un gradateur est un convertisseur qui fait la conversion CA-CA à fréquence fixe. Le rôle de ce convertisseur est d’appliquer aux bornes du récepteur une tension alternative à amplitude variable, à partir d’un courant alternatif sinusoïdal (source BTDM par exemple). Par conséquent, un gradateur commande le niveau de la tension efficace aux bornes de la charge. Parmi les principales applications de montage on trouve : - Le chauffage industriel. - L’éclairage (variation de la luminosité). - Commande de vitesse pour moteur à induction (pompe, ventilateur)

Figure I.9 : Symbole du gradateur La structure de base repose sur un interrupteur électronique capable de conduire dans les deux sens à l'état passant et de supporter une tension également dans les deux sens à l'état bloqué.

Interrupteur

Figure I.10 : Schéma de principe du gradateur Cet interrupteur peut être alors réalisé : - Soit en assemblant deux thyristors « tête-bêche » pour les fortes puissances supérieures à 10 kW. - Soit avec 1 seul composant : le triac pour les puissances inférieures. 17

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

PFE 2020

Figure I.11 : Les interrupteurs utilisés généralement aux gradateurs

Comme on a décrit précédemment on va focaliser notre étude sur ce type de convertisseur dans le 2éme chapitre.

Th1 Th2

Figure I.12 : Montage à deux thyristors

Figure I.13 : Montage à triac

On peut considérer c’est deux composants semiconducteur comme interrupteurs commandés. Leur amorçage se fait de même manière. À partir de l’instant où on veut fermer un interrupteur, on envoie une impulsion sur sa gâchette, par exemple pour le montage des deux thyristors, on envoie des impulsions sur ces deux thyristors. À cet instant, Th1 conduit si Ve est positif et Th2 conduit si Ve est négatif. Alors quand le courant 𝑖 change de sa direction, il passe d’un thyristor à l’autre. Pour les ouvrir, on cesse d’envoyer ces signaux. Celui qui conduit continuera d’écouler le courant 𝑖 jusqu’à ce que celui-ci s’annule, puis 𝑖 reste nul. On détaillera le fonctionnement de ces deux composants dans le chapitre suivant.

18

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

PFE 2020

II. La notion de réversibilité II.1. Réversibilité des convertisseurs Quand il s’agit de la conversion d’énergie, la notion de sens de conversion est importante. Elle permet de qualifier la réversibilité d’un convertisseur. Alors on dit qu’un convertisseur est réversible lorsque l’énergie peut y transiter de manière bidirectionnelle (Figure I.14). On notera alors que les notions d’entrée et de sortie sont un peu bouleversées : l’une et l’autre changent en fonction de sens de transfert de l’énergie. On ne parle pas de réversibilité des convertisseurs si la condition de réversibilité des sources n’est pas remplie.

Figure I.14 : Réversibilité et non réversibilité des convertisseurs.

II.2. Réversibilité des sources La détermination des réversibilités des sources d’entrée et de sortie est fondamentale, car elle permet de déduire les caractéristiques des interrupteurs. On emploie le terme de réversibilité pour qualifier l'aptitude de ces éléments à accepter une tension ou un courant positif ou négatif. - Une source est dite réversible en tension si la tension à ses bornes peut changer le signe. - Une source est dite réversible en courant si le courant qui la traverse peut s’inverser. Par exemple, une batterie est un élément tension non réversible en tension mais réversible en courant : la tension à ses bornes ne peut pas changer de sens, alors que le courant qui la traverse peut changer de sens. L'induit d'une machine à courant continu est un dipôle inductif (c'est donc un élément courant), il est réversible en tension et en courant. Des règles qu’on doit respecter en manipulant les sources : 1- On ne doit pas mettre en parallèle deux sources de tension de valeurs différentes. La conséquence en serait un courant de circulation infini. 2- On ne doit pas mettre en série deux sources de courant de valeurs différentes (tension infinie). 3- Il ne faut pas court-circuiter une source de tension (courant infini de court-circuit). 4- Il ne faut pas ouvrir une source de courant (tension infinie d’ouverture). 19

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

PFE 2020

III. Les composants constituant les convertisseurs L’électronique de puissance utilise des composants semi-conducteurs pour réaliser les fonctions de commutation (interrupteurs fonctionnent par tous ou rien), chargées d’adapter les tensions et les courants à partir d’un réseau de distribution, pour satisfaire les besoins de la charge à alimenter. La performance recherchée dans l'élaboration du convertisseur est le rendement.

Figure I.15 : Architecture générique d'un convertisseur statique Le rendement maximum n’est obtenu qu’en utilisant des composants pas ou peu dissipatifs, c’est-à-dire absorbant une puissance minimale (idéalement nulle). Pour un composant quelconque, la puissance moyenne qu’il dissipe s’écrit :

PCom =

1 vCom (t ).iCom (t )dt T T

Cette puissance moyenne dissipée doit être nulle, pour qu’il ne présente aucune perte.

La première classe de composants : La 1ere classe comporte les interrupteurs électroniques. Pour une puissance nulle à chaque instant, la tension VCom ou le courant 𝑖Com doit être nul. Le dipôle associé est l’interrupteur parfait. En effet, un interrupteur parfait. ne dissipe aucune énergie (perte nulle) . En pratique, les interrupteurs seront réalisés à partir de semi-conducteurs fonctionnant en commutation. En électronique de puissance, ce sont les diodes, les thyristors, les triacs, les GTOs et les transistors (bipolaires, MOS, IGBTs, etc.). Ils fonctionnent exclusivement en régime de commutation.

20

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

PFE 2020

La deuxième classe de composants : Dans cette classe des composants, il faut que le produit u(t).i(t) soit tantôt positif (énergie emmagasinée), tantôt négatif (énergie restituée), en respectant la condition de PCom = 0 . Les composants qui répondent à cette définition sont les composants réactifs tels que les inductances et les condensateurs (Figure 16). Cette notion de puissance dissipée nulle peut être extrapolée aux multipôles. Le transformateur parfait répond à ce critère et peut donc être utilisé dans un convertisseur statique.

Condensateur

Bobine

Transformateur

Figure I.16 : Composants réactifs de puissance Dans cette partie, on va décrire les principales caractéristiques des composants de la 1ere classe. En restant au niveau des généralités, on peut classer les semi-conducteurs de puissance actuels selon trois groupes :

- Diodes

: Fermeture et ouverture contrôlées spontanément par le circuit de puissance.

- Thyristors : Fermeture commandée, ouverture assistée par le circuit de puissance (ouverture spontanée). - Interrupteurs commandés à l’ouverture et à la fermeture (Ouverts et fermés par un signal de commande) La catégorie des interrupteurs commandables inclut plusieurs types, parmi lesquels on cite : - Transistors Bipolaires à Jonctions (Bipolar Junction Transistors - BJTs) ; - Transistors à effet de champs (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor MOSFETs) ; - Transistors bipolaires à grille isolée (Insulated Gate Bipolar Transistors - IGBTs) ; - Thyristors commandés à l'ouverture (Gate Turn Off Thyristors - GTO Thyristors); - Thyristors MOS Commandés (MOS-Controlled Thyristors - MCTs). Parmi les entreprises spécialise en production de ces composants, on trouve : Toshiba, Mitsubishi, Infineon technologies, Semikron, STmicroelectronics (à Bouskoura) ...

21

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

❖

PFE 2020

Diodes

Les diodes sont des dipôles non commandables (ni à la fermeture, ni à l’ouverture) unidirectionnel, c'est à dire que le courant ne peut passer que dans un seul sens. La figure I.17 décrit le symbole de la diode et sa caractéristique statique : Symbole

Jonction PN

Vd

Diode réelle

Diode idéale

vd = v0 + rd .i

IM

𝑖 V0

P

ZCE Im

Vd

N

Fig. I.17 : Structure, symbole, caractéristiques réelle et idéale d’une diode à jonction PN. Lorsque la diode est polarisée en direct, elle commence à conduire à partir d’une faible tension de seuil Vseuil directe de l'ordre de 0.7V. Lorsque la diode est polarisée en inverse, seul un faible courant de fuite négligeable (quelques mA) circule jusqu'à atteindre la tension d'avalanche. En fonctionnement normal, la tension inverse ne doit pas atteindre la tension d'avalanche. La figure ci-dessous décrit les différentes diodes de puissance existantes.

NTE5817

NTE5817

Anode

Fig. I.18 : Différentes représentations des diodes dans le marché Dans l’électronique de puissance, on peut considérer la diode comme un interrupteur idéal car la transition on et off s'effectue rapidement vis à vis des phénomènes transitoires relatifs aux circuits de puissance. Elle est passante lorsque la tension Vd est positive et elle se bloque lorsque son courant 𝑖d s’annule.

22

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

PFE 2020

Avant tout dimensionnement en vue de choisir ce type des composants, on se base sur les valeurs extrêmes de ces grandeurs : - la tension inverse de VAK à l’état bloqué ; - le courant moyen de 𝑖AK () à l’état passant ; Et par raison de sécurité, on applique un coefficient (de 1,2 à 2) à ces grandeurs.

❖ Transistors bipolaire (BJT) Parmi les deux types, NPN et PNP, le transistor de puissance existe essentiellement dans la troisième catégorie. Le transistor est un composant totalement commandé : à la fermeture et à l’ouverture. La mise en conduction et le blocage sont commandés par l'intermédiaire du courant de base. Il n’est pas réversible en courant, ne laissant passer que des courants de collecteur ic positifs. Il n’est pas réversible en tension, n’acceptant que des tensions VCE positives lorsqu’il est bloqué. On utilise essentiellement des transistors NPN. Le transistor est à l'état on (état saturé) lorsque le courant de base est suffisamment fort. Le transistor impose une tension VCE nulle tandis que le courant 𝑖c atteint une valeur limite dite de saturation, 𝑖Csat. L’équivalent d’un interrupteur fermé. Lorsque Ib est nul, le courant d'émetteur reste nul et la tension VCE s’égalise à la tension de la source. L’équivalent d’un interrupteur ouvert. La structure d’un BJT NPN, son symbole et sa caractéristique statique sont donné dans la figure I.19

𝑖

Figure I.19 : Représentation symbolique et caractéristique d’un transistor bipolaire

Pour choix d’un transistor, on établit les chronogrammes de fonctionnement (VCE et 𝑖C), on calcule les valeurs extrêmes : • la tension VCE (à l’état bloqué) ; • le courant max 𝑖C (à l’état saturé)

23

Licence IETEL

FST Beni Mellal

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique

PFE 2020

❖ Thyristors à extinction par la gâchette (GTO) : Le thyristor GTO est une évolution du thyristor classique puisqu'il peut être commandé à l’ouverture, il s'amorce par la gâchette (avec VGK> 0) comme un thyristor ordinaire, un petit courant de grille positif déclenche le GTO en mode de conduction, une fois la conduction amorcée, elle se maintient, et également par une impulsion négative sur la gâchette, il peut être bloqué. On applique donc une tension négative sur la gâchette (VGK 0) : • Lorsque 𝑖G = 0 (K est ouvert) : - Pour Ve < VBO (VBO = 300v jusqu’à 500v pour le 2n2323) : 𝑖 ≈ 0 ⇒ VAK = − R. 𝑖 + Ve ≈ Ve . La tension VBO pour laquelle le thyristor s'amorce sans courant de gâchette (le même comportement que le dipôle « Diac » ) est appelée tension de retournement ou tension d'amorçage à courant de gâchette nul (Breakover voltage en anglais), dans ce cas Ve < VB0 et

𝑖G =0 alors le thyristor se comporte comme un interrupteur ouvert, on dit qu'il est bloqué. - Pour Ve  VB0 (à éviter) : la tension d'anode augmente, et puisque le gain d'un transistor augmente en effet avec sa tension collecteur émetteur, (effet Early ) le β accroît de façon que le produit β1β2 atteigne 1. En arrivant à la tension limite VBO on aura VAK VBR : étant que VBR (ou VRRM) est la tension de claquage, 𝑖  0 et VAK  Ve. Le thyristor est bloqué. – Pour Ve  VBR (à éviter) : le courant 𝑖 croit brusquement. Il est nécessaire de limiter le courant

𝑖 afin d’éviter d’endommager le thyristor. Il est alors en régime de claquage. Au cours de ce fonctionnement, la conduction du thyristor est très mal contrôlée. Les pertes sont importantes au sein du thyristor et pourraient entraîner la destruction de ce dernier. Remarque : si la variation de tension VAK est trop rapide le thyristor peut se mettre en conduction et cela même si la tension est inférieure à la tension de retournement. En effet le composant possède une capacité dont le courant de charge 𝑖C = C.dV/dt peut déclencher la conduction. Il existe donc un dV/dt à ne pas dépasser.

II.4. Caractéristique du Thyristor : On peut alors conclure que le thyristor est bloqué si le courant 𝑖AK est nul (qu’elle que soit la tension VAK