Polycopié Cours Electronique de Puissance [PDF]

Zitiervorschau

UNIVERSITE DE M’SILA

FACULTE DE TECHNOLOGIE DEPARTEMENT D’ELECTRONIQUE

Cours présenté aux étudiants LMD en électronique Option : Contrôle

Electronique de puissance Conversion de l’énergie électrique

100

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Par : Dr. AMAR MEZACHE

1

Sommaire 1. Introduction générale………………………………………………………………........ 1.1 Définitions……………………………………………………………………….. 1. 2 Système de contrôle de puissance électrique…………………………………... 1. 3 Domaines d’applications……………………………………………………….. 1. 4 Exemples des dispositifs de puissance…………………………………………. 1.5 Organisation du document……………………………………………………… 2. Redresseurs (convertisseurs AC/DC)………………………………………………... 2. 1 Introduction…………………………………………………………………….. 2. 2 Caractéristiques des diodes de puissance………………………………………. 2. 3 Caractéristiques des thyristors…………………………………………………. 2. 4 Redresseurs monophasés………………………………………………………. 2. 5 Redresseurs triphasés…………………………………………………………... 2. 6 Applications des redresseurs………………………………………………….... 3. Hacheurs (convertisseurs DC/DC)…………………………………………………... 3. 1 Introduction…………………………………………………………………….. 3. 2 Caractéristiques du transistor de puissance…………………………………….. 3. 3 Caractéristiques du thyristor GTO……………………………………………... 3. 4 Hacheur série…………………………………………………………………… 3. 5 Hacheur parallèle………………………………………………………………. 3. 6 Hacheur réversible en courant …………………………………………………. 3. 7 Hacheur en pont………………………………………………………………... 3. 8 Applications de hacheurs………………………………………………………. 4. Gradateurs (convertisseurs AC/AC)………………………………………………… 4. 1 Introduction……………………………………………………………………. 4. 2 Caractéristique du triac………………………………………………………… 4. 3 Gradateurs monophasés………………………………………………………... 4. 4 Gradateurs triphasés……………………………………………………………. 4. 5 Applications des gradateurs……………………………………………………. 5. Onduleurs (convertisseur DC/AC)…………………………………………………... 5. 1 Introduction……………………………………………………………………. 5. 2 Onduleurs de tension monophasés…………………………………………….. 5. 3 Onduleurs de tension triphasés………………………………………………… 5. 4 Applications des onduleurs……………………………………………………… 7. Conclusions……………………………………………………………………………. Bibliographie.......................................................................................................................

2

Chapitre 1 Introduction générale 1.1 Définitions Entre l’électrotechnique et l’électronique se développe une nouvelle technique qui est l’électronique de puissance (EP) appelé aussi électronique de courants fort. L’EP concerne l’étude des circuits électrique destinés pour le contrôle du débit de l’énergie électrique dans une charge. C’est dans le domaine du redressement de forte puissance que se développent les premiers convertisseurs statiques destinés à remplacer les convertisseurs électromécaniques. Dans les années 1950, pour la traction électrique, on s’oriente vers la solution: transport en alternatif plus motorisation en continu. Les convertisseurs statiques nécessaires sont réalisés à l’aide de redresseurs à vapeur de mercure (ignitrons) ayant la même fonctionnalité que les thyristors. Les premières diodes de puissance au silicium apparaissent en 1956 et les thyristors en 1961. Dans les années 1970, thyristors et diodes sont utilisés dans des dispositifs auto-commutés comme les hacheurs et les onduleurs, les années qui suivent voient le développement de transistors bipolaires de puissance qui favorise le développement d'une électronique de conversion de faible et moyenne puissance. Au début des années 1980, les dispositifs à transistors poussent les dispositifs à thyristors vers des puissances accrues (élevées): vers 1990, les GTO (Gate turn-off) ne sont plus utilisés qu'en très fortes puissances ( > 1 MW) ou pour des tensions supérieures à 2 kV. L'IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) apparaît en 1985, d'abord dans le domaine des moyennes puissances (quelques dizaines de kilowatts), il supplante (élimine) les transistors Darlington. Il devient dans les 10 ans qui suivent un composant utilisable en forte puissance. L'avènement du thyristor IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) vers 1997 dans le domaine des tensions supérieures à 6 kV risque d'entraîner à moyen terme la disparition du thyristor GTO. Dans le domaine des faibles puissances, du fait de sa rapidité et de la simplicité de sa commande, le transistor MOSFET (Metal-Oxide Silicon Field-Effect Transistor) de puissance supplante le transistor bipolaire. Grâce aux techniques d'intégration planar et l'essor du marché du portable (téléphone, ordinateur, lecteur CD, etc.) nécessitant une électronique de conversion efficace et miniaturisée, il supplante même les diodes dans des applications comme le redressement (redresseur synchrone). Les composants à base de carbure de silicium (SiC) apparaissent en 2002. Ceux à base de diamant sont encore à l'étude en 2004. Leurs fortes énergies d'ionisation permettent un blocage de tension plus élevée et/ou des fonctionnements à haute température. L'EP est l'une des branches de l'électrotechnique, elle concerne les dispositifs (convertisseurs) permettant de changer la forme de l'énergie électrique. Elle comprend l'étude, la 3

réalisation, la maintenance des composants électroniques utilisés en forte puissance, des structures des convertisseurs, de la commande de ces convertisseurs, des applications industrielles de ces convertisseurs. L'EP que l'on devrait d'ailleurs nommer « électronique de conversion d'énergie » a moins de 50 ans. Elle a connu un tel essor qu'aujourd'hui près de 15 % de l'énergie électrique produite est convertie sous une forme ou une autre. Au cours de ces années la taille, le poids et le coût des convertisseurs n'ont fait que diminuer, en grande partie grâce aux progrès faits dans le domaine des interrupteurs électroniques. 1.2. Système de contrôle de puissance électrique Pour bien comprendre la fonctionnalité des circuits de puissance, le schéma synoptique global ci-dessous montre les liens entre les différents étages qui participent dans la conversion d’énergie électrique. Dans cette section, on va présenter brièvement le rôle de chaque circuit dont il traite un domaine de recherche particulier. Grandeurs électriques

Grandeurs non électriques

- Rotation - Lumière - Réaction - Température - …etc

Sources d’énergie électriques (AC & DC) - Alternateurs - Batteries - Batteries solaires - …etc

Récepteurs électriques (AC & DC) - Moteurs - Batteries - Réacteurs - Fours - …etc

Convertisseurs de puissance électriques - Redresseurs - Hacheurs - Gradateurs - Onduleurs

Circuits d’isolation (Transformateurs & opto-coupleurs, …)

Entrées/sorties Analogiques & numériques

Automates programmables

Circuits électroniques d’alimentations AC &DC

+ -

Grandeurs non électriques

Mesure des grandeurs électriques

Circuits de commande électroniques

- Rotation - Lumière - Réaction - Température - …etc

Mesure des grandeurs non électriques

Consignes

Consignes

Manuel Auto

Correcteurs analogiques & numériques (PID, logique floue, non linéaire …etc)

Mise à jour et affichage des données

Fig. 1. 1 Schéma bloc pour le contrôle du débit de puissance électrique dans un récepteur

4

a) Grandeurs non électriques : ce sont des phénomènes physiques qui causent la création des charges électriques continues (DC) ou alternatives (AC). b) Sources d’énergie électrique : ce sont des générateurs conçus pour la transformation d’une grandeur physique en une grandeur électrique AC ou DC. c) Convertisseurs de puissance électrique : Le circuit de puissance sert à convertir et contrôler la forme du signal d’entrée électrique AC ou DC vers une forme d’onde plus adaptée au récepteur ou à l’utilisation. d) Récepteurs électriques : Pour nos besoins éventuels, on exploite cette énergie électrique préparée à la sortie du circuit de puissance dans un récepteur qui peut être AC ou DC. e) Correcteurs analogiques & numériques : Afin de commander les grandeurs de sortie avec une grande fiabilité et sans intervention de l’être humain, des correcteurs automatiques ont été conçus qui peuvent agir sur l’erreur de commande. f) Circuits de commande électronique : Le signal de commande généré par les contrôleurs influe d’une manière automatique sur la génération des impulsions de commande pour la commutation des dispositifs de puissance. g) Circuits d’isolation galvanique : Pour éviter les courts-circuits dans le circuit de puissance et aussi pour protéger les circuits de commande, des circuits d’isolation galvaniques sont utilisés. h) Circuits électroniques d’alimentation : Les circuits de commande, régulation, automates, …etc nécessitent des sources d’alimentations AC ou DC pour leur fonctionnement normal. i) Automates programmables : C’est le cerveau du contrôle logique et séquentiel du système et qui assure ainsi le diagnostique, la réparation, la protection, l’affichage, …etc. 1.3. Domaines d’applications de l’EP L’EP a une place très importante dans les technologies modernes et elle est actuellement utilisée dans une large gamme de produits de puissance tels que le contrôle de température, contrôle de lumière, alimentation de puissance et système de traction. Il est très difficile de tracer les limites d’applications de l’EP à cause des développements des composants à semi-conducteurs et les microprocesseurs. Quelques applications réelles sont données ci-dessous : -

Alarmes 5

-

Amplificateurs audio

-

Chargeurs de batteries

-

Ventilateurs

-

Processus chimiques

-

Calculateurs

-

Véhicules électriques

-

Contrôle de températures

-

Contrôle de lumière

-

Contrôle des moteurs

-

Contrôle des réacteurs nucléaires

-

Forage

-

Alimentations de puissance

-

Radar et les sonars

-

Réfrigérateurs

-

Systèmes de sécurité

En plus des applications traditionnelles de l’EP comme la traction électrique et les entraînements industriels, il est apparu de nouveaux domaines d'application tels que : a) La gestion du réseau de distribution : -

FACTS : Systèmes de Transmission Flexible en Courant Alternatif,

-

Filtrage actif et amélioration du facteur de puissance,

-

HVDC : Transmission en courant continu HTA.

b) L'électroménager : -

Variateurs divers,

-

Alimentations à découpage,

-

Plaques de cuisson à induction.

c) Les appareils portables (caméscopes, ordinateurs, etc.) : -

Chargeurs d'accumulateurs intelligents,

-

Conversion CC / CC TBT.

d) L'automobile : très forte augmentation de l'utilisation de l'énergie électrique dans les automobiles actuelles et en perspective: il y aura un très gros marché au moment du passage prévu, (mais retardé ?) en 42 V, les véhicules hybrides, ... etc.

6

1.4. Exemples des dispositifs de puissance Certaines références des composants de puissance utilisés dans la conversion d’énergie sont citées ci-après (Tableaux 1.1-1.3). Référence

Photo

Description Double diode de puissance

1112723-01

1N3880

Diode redresseur de puissance

40HFR10

Diode de puissance : 100V/40A

85HFR20

Diode redresseur de puissance

Diode de puissance haute

BYT08PI200

Diodes redressement : 400V/160A

DS110-04A

Diodes de puissance silicium

GB4R

MA4PK3001

Diode pin haute tension

Table. 1. 1 Diodes de puissance Référence

Photo

Description

00564-506-251K

Thyristor

154-08

Triac

22RIA40

Triac-Thyristor-Diac

Table. 1. 2 Thyristors, Triac et Diac

7

Référence

Photo

Description Transistor de puissance silicium vcbo 60V,

2N1616

dissipation 85 W

2N3055

Transistor de puissance

6MBP20JB060

Transistor de puissance : 600V/20A

BLY14

Transistor de puissance radio fréquence Description : Si NPN Power HF BJT

Table. 1. 3 Transistors de puissance

1.5 Organisation du document Dans ce cours nous nous intéressons à étudier et analyser le fonctionnement des différents types de circuits de puissance. Réellement, il existe cinq fonctions principales de l’électronique de puissance. Ces fonctions trouvent leurs applications dans toutes les industries en particulier l’entraînement à vitesses variables des machines électriques. 

Chapitre 1 traite l’étude des redresseurs non commandés, semi commandés et totalement commandés (conversion AC/DC avec valeurs moyennes du signal de sortie réglable).



Chapitre 2 est consacré à l’analyse des circuits gradateurs monophasés et triphasés (conversion AC/AC avec valeurs efficaces du signal de sortie réglable et avec une fréquence de sortie fixe)



Chapitre 3 présente les divers circuits hacheurs (conversion DC/DC avec valeurs moyennes du signal de sortie réglable)



Chapitre 4 concerne à l’étude des circuits onduleurs autonomes monophasés et triphasés (conversion DC/AC avec fréquences et valeurs efficaces de sortie réglables)



Chapitre 5 s’oriente à l’étude des cyclo-convertisseurs monophasés et triphasés (conversion AC/AC avec fréquences et valeurs efficaces de sortie réglables).

8

Chapitre 2 Montages redresseurs (convertisseurs AC/DC) -Rectifiers-

2. 1 Introduction 2. 2 Caractéristiques des composants de redressement 2. 2.1 Diodes de puissance 2. 2.2 Thyristors 2. 3 Redresseurs monophasés 2. 3.1 Redresseur simple alternance non commandé 2. 3.2 Redresseur simple alternance totalement commandé 2. 3.3 Redresseur simple alternance semi commandé 2. 3.4 Redresseur double alternance non commandé 2. 3.5 Redresseur double alternance totalement commandé 2. 3.6 Redresseur double alternance semi commandé 2. 4 Redresseurs triphasés 2. 4.1 Redresseur simple alternance non commandé 2. 4.2 Redresseur simple alternance totalement commandé 2. 4.3 Redresseur simple alternance semi commandé 2. 4.4 Redresseur double alternance non commandé 2. 4.5 Redresseur double alternance totalement commandé 2. 4.6 Redresseur double alternance semi commandé 2. 5 Applications des redresseurs 2. 6 Conclusion

9

2. 1 Introduction - Les redresseurs se sont des convertisseurs statique qui transforment un courant alternatif à un courant continu constant ou réglable (Figure. 2. 1). + Tension continue

Tension alternative constante

Constante ou réglable -

Fig. 2. 1 Convertisseurs AC/DC

- Dans les circuits de redressement classiques, on utilise les diodes de puissance et les thyristors (SCR : Silicon controlled rectifier). Pour les redresseurs à commande MLI, on utilise les transistors de puissance. - On classe les divers redresseurs en trois catégories : Les redresseurs non commandés (tout diodes), les redresseurs totalement commandés (tout thyristors) et les redresseurs semi commandés (mixtes). Ils se divisent en deux grands groupes, les redresseurs simple et double alternance. - En pratique, les redresseurs sont utilisés beaucoup dans l’industrie et surtout dans l’entraînement à des vitesses variables des machines DC, alimentations fixes ainsi que les chargeurs de batteries. 2. 2 Caractéristiques des composants de redressement 2. 2.1 Diodes de puissance - La caractéristique de la diode de puissance ressemble à celle d’une diode normale utilisée dans les applications électroniques à faibles puissances (Figure 2. 2). La différence demeure seulement dans la technique du dopage et généralement la diode de puissance a une forme géométrique un peu importante par rapport à une diode simple. P

N ID K

A

Chute de tension directe Anode

Courant de fuite A

P D N

Kathode

Conduction en directe VD

Claquage en inverse Blocage en inverse

K

Fig. 2. 2 Caractéristiques de la diode

10

- Dans l’EP, on doit tenir compte les grandeurs nominales du courant direct efficace et la tension inverse afin d’éviter le claquage du semi conducteur. - Il existe plusieurs types de diodes de puissance chacune fonctionne dans des conditions bien déterminées. Effectivement, le fabricant indique les plages du fonctionnement normal des dispositifs telles que le courant direct, la tension inverse, la température, la pression, …etc. 2. 2.2 Thyristors (SCR) - Le thyristor est conçu pour le contrôle en commutation dans le but de faire passer une certaine quantité désirée d’énergie électrique vers le récepteur. - Un thyristor est un dispositif à quatre couches PNPN et il a une 3ème borne appelée gâchette. Il est constitué de trois diodes en série de sens tels qu’ils empêchent toute conduction. La caractéristique inverse est identique à celle de la diode. - La caractéristique directe du thyristor a plusieurs formes en fonction de la valeur de la tension appliquée à ses bornes (Figure. 2.3). Anode

IT

A

Chute de tension directe

Courant de maintient

P

Tension VT lorsque ig circule

Courant de fuite en inverse

T

VT

N Gâchette

P

G

Claquage en directe

K

Courant de fuite en directe Blocage en Courant inverse d’accrochage

Claquage en inverse

N

Cathode Fig. 2. 3 Caractéristiques du thyristor (SCR)

- Le schéma équivalent du thyristor peut être donné en fonction de deux transistors PNP et NPN connectés d’une façon comme montré dans la figure. 2. 4. A

A

P

G G

K

N

N

P

P N

K

11

Fig. 2. 4 Schéma équivalent du thyristor avec deux transistors

- Si le courant de gâchette est absent, le transistor NPN reste bloqué à cause de l’absence de son courant de base malgré que VAK>0. Lorsque on injecte un courant de gâchette, IG pendant un moment, ceci provoque un passage du courant de base du transistor NPN et le composant devient passant. - Maintenant si on élimine le courant IG, des charges stockées dans le transistor PNP excitent une circulation de son courant de collecteur vers la base du transistor NPN et le thyristor reste encore passant. - Pour désamorcer le thyristor, il faut ramener le courant d’anode au dessous du niveau de maintien. En outre, pour bloquer le thyristor, le circuit externe accepte un courant inverse d’anode. Le courant inverse crée des charges dans les couches PN et permet au deux jonctions extérieures de bloquer tout courant inverse supplémentaire. Un temps typique de 10 à100 s doit s’écouler avant de pouvoir de nouveau appliquer une tension directe sans désamorçage (Figure. 2. 5). IT

Temps Courant de fuite inverse Courant inverse de recouvrement de charge stockées Fig. 2. 5 Evolution du courant d’anode pendant la commutation

2. 3 Redresseurs monophasés - L’ordre d’ondulation d’un redresseur est égale le nombre de périodes de la tension redressée pendant une période de l’alimentation alternative. - L’étude des circuits redresseurs qui se suivent repose sur les hypothèses suivantes : * Les chutes de tension des diodes et les thyristors sont négligeables * Si VAK >0, la diode est considérée comme un interrupteur fermé * Si ID=0, la diode est considérée comme un interrupteur ouvert 2. 3.1 Redresseur monophasé simple alternance non commandé

12

- Les redresseurs non commandés ne comporte que des diodes. Ils fournissent une tension de sortie moyenne fixe pour une tension alternative d’alimentation donnée. En pratique, les redresseurs monophasés simples alternances ne sont pas employable mais ils sont théoriquement D il

considérables juste pour comprendre le principe de fonctionnement des redresseurs qui se suivent.

VD Ve

- Soit le montage (figure. 2.6) suivant du redresseur

VL

Charge

monophasé simple alternance qui alimente une charge générale inductive (R, L). - Le circuit est alimenté par une tension alternative Fig. 2. 6 Redresseur non commandé sans DL

donnée par :

Ve

Ve  Vm sin(t )

100

50

- L’inductance retarde la variation du courant, le courant de charge

0

existe encore à la fin de l’alternance et la diode reste à l’état passant. - Alors, la charge voit la tension d’alimentation négative jusqu’à

-50

-100

VL,iL

l’annulation du courant.

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0

0.005

0.01

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0

0.005

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0.03

0.035

0.04

100

50

- La tension de charge instantanée permet de déterminer la forme

0

-50

d’onde du courant iL(t).

-100

- Les formes d’ondes des tensions et des courant dans le circuit sont VD représentés ci-contre (figure. 2.7).

100

50

0

- La tension moyenne dans ce cas est

-50



VLmoy

-100

1  Vm . sin( )d 2 0

Fig. 2. 7 Formes d’ondes

Où  est obtenu on met l’équation il(t)=0

Ve

- Pour une charge résistive, V Lmoy devient

100

50

0



VLmoy 

V 1 Vm . sin( )d  m  2 0 

-50

-100

VL, iL

- Pour empêcher l’inversion de la tension de charge, on met une

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0

0.005

0.01

0.015

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0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0

-50

(figure. 2.8). Alors, V Lmoy s »exprime comme suit

-100

IDL

il

0.005

50

Diode aux bornes de la charge appelée diode de roue libre DL

D

0

100

100

50

0

Charge

VD Ve

-50

DL

VL

-100

VD

100

50

13

0

-50

Fig. 2. 8 Redresseur non commandé avec DL

-100

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04



VLmoy 

1 V Vm .sin( )d  m  2 0 

- Le tracé des courbes des tensions et des courant est montré par la figure. 2. 9. On remarque que la forme du courant de charge est lissée à celui du montage précèdent sans DL . - Le rôle de DL est de commuter ou de transmettre le courant de charge hors du redresseur chaque fois que VL tend à s’inverser et donc permettre à tous les thyristors de reprendre leur état bloqué.2. 3.2 Redresseur monophasé simple alternance totalement commandé - On règle la tension moyenne de charge en grandeur et en signe en contrôlant l’angle de retard (amorçage). Ce type de convertisseurs est souvent appelé iG

des convertisseurs bidirectionnels car la puissance peut circuler dans les deux sens entre l’alimentation

Circuit de commande extérieur

T

et la charge. il

- Le montage redresseur totalement commandé est représenté ci-contre (figure. 2. 10).

VT Ve VL

Charge

- Le thyristor ne conduit que si VT>0 et si la gâchette a reçue une impulsion d’amorçage iG par un circuit externe de commande. L’angle d’amorçage  est compté par rapport aux instants de commutation Fig. 2. 10 Redresseur totalement commandé naturelle. L’équation RiL  L

diL  VL régit la forme du courant de charge durant l’état passant du dt

thyristor. - Quand l’impulsion arrive, elle trouve que VT>0 et le thyristor

Ve, iG

100

50

change sans état où il devient passant. Le courant d’anode croît

0

d’une manière non linéaire et décroît à partir de t   jusqu’à la valeur zéro à l’instant t   le thyristor cesse à conduire.

-50

-100

VL, iL

- Les formes d’ondes peuvent être tracées comme montré par la

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

100

50

figure. 2. 11.

0

-50

- La tension moyenne vaut -100



VLmoy 

1 Vm . sin()d 2 

avec 0     / 2

VT, iT

100

50

0

-50

14

-100 0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

Fig. 2. 11 Formes d’ondes

0.04

2. 3.3 Redresseur monophasé simple alternance semi commandé - Ce genre de redresseurs comporte des thyristors et des diodes (figure. 2. 12) - Ils empêchent la tension de charge de s’inverser. Ils règlent

Ve iG

- la tension moyenne continue. Ils sont appelés des convertisseurs

100

50

unidirectionnels car la puissance ne peut s’écouler que de

0

l’alimentation vers le récepteur.

-50

-100

T

VL, iL

Il

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0

0.005

0.01

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0.04

0.005

0.01

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0.04

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

100

50

0

Charge

VT

-50

Ve

DL

VL

-100

iDL 100

50

0

-50

Fig. 2. 12 Redresseur semi commandé

-100

- Si Ve0 & V1-V3>0  , VD1>0  Vl=V1

V1

Si la tension V2-V1>0 & V2-V3>0  , VD2>0  Vl=V2 Si la tension V3-V1>0 & V3-V2>0  , V=>0  Vl=V3

V2

i1

D1

i2

D2

i3 V3

D3

iL

Charge

VL

19

- La tension redressée aux bornes du récepteur Tensions simples est composées

varie entre l’amplitude d’une tension simple et

2 1.5

et la moitié de cette valeur et elle se répète trois

1 0.5

fois par période.

0 -0.5 -1

- Les allures correspondantes à ce convertisseur sont

-1.5 -2

tracées comme montré dans la figure. 2. 22.

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

VL iL

200

V1

150

- La tension obtenue a une forme un peu ondulée et sa

V2

V3

V1

V2

V3

100 50

valeur moyenne est exprimée comme suit

0 -50

5 / 6

-100

1 3 Vmoy  Vm sin(  )d = 3 Vm  2 2 / 3  / 6

-150 -200 0.04

iD1

- Le courant de charge est bien lissé par rapport aux

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

200 150 100 50

montages monophasés.

0 -50 -100

- La tension inverse maximale aux bornes de chaque

-150 -200 0.04

diode est

3Vm .

VD1

200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 0.04

Fig. 2. 22 Formes d’ondes

2. 4.2 Redresseurs triphasés mono alternance totalement commandé - Pour que la circulation de puissance électrique se fait dans les deux sens, le montage redresseur totalement commandé est schématisé comme montré dans la Figure 23 - L’angle de retard  est compté à partir des instants des commutations naturelles (i.e., les points d’intersection des tensions simples). V1 V2

T1

i1 i2

T2

i3 V3

T3

il

Charge

VL

20

- La forme d’onde de la tension redressée est

 2

représentée dans la figure. 2. 24.

1.5

- La valeur moyenne s’écrit comme suit :

1 0.5

5 / 6 

Vmoy 

1 Vm sin(  )d 2 / 3  / 6

0 -0.5 -1 -1.5



3 3Vm cos(  ) 2

-2

ig1

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0 0.04

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

2

1.5

avec 0     / 2

1

0.5

- Les impulsions de commande sont déphasées entre

ig2

elle avec un angle de 2 / 3

2

1.5

1

0.5

- La tension inverse maximale aux bornes de chaque thyristor est

0 0.04

ig3

2

1.5

3Vm .

1

0.5

0 0.04

VL, iL

200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 0.04

VT1, iT1

200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 0.04

Fig. 2. 24 Formes d’ondes

2. 4.3 Redresseurs triphasés mono alternance semi commandé - Si on n’a pas besoin d’utiliser le circuit comme onduleur non autonome, on met une diode de roue libre en parallèle avec la charge (voir figure 2. 25). V1 V2

i1

T1

i2

T2

i3 V3

T3 DL

il VL Charge

21 Fig. 2. 25 Redresseur triphasé semi commandé

- Dans ce cas, l’inversion de la tension de sortie

2 1.5

est impossible et l’énergie électrique circule uniquement

1 0.5

de la source vers la charge.

0

- La tension moyenne a deux expressions en fonction

-0.5 -1

de  .

Vmoy

-1.5 -2

 1 5 / 6   Vm sin( )d si 0    /6  2 / 3  / 6    1  2 / 3  Vm sin( )d si /6    5/6  / 6  

ig1

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0 0.04

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

2

1.5

1

0.5

ig2

2

1.5

1

Vmoy

 3 3Vm cos( )  2    3Vm cos(  /6)  1  2

0.5

si 0    /6

0 0.04

ig3

2

1.5

1

si /6    5/6

0.5

0 0.04

VL, iL

- Les formes d’ondes des grandeurs de sortie sont tracées

200 150 100 50

dans la figure. 2. 26.

0 -50

* Si T1 conduit, VT1=0

-100 -150 -200 0.04

* Si T2 conduit, VT1=V12 * Si T3 conduit, VT1=V13

VT1, iT1

200 150 100 50

* Si DL conduit, VT1=V1

0 -50 -100 -150 -200 0.04

iDL

200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 0.04

Fig. 2. 26 Formes d’ondes

2. 4.4 Redresseurs triphasés double alternance non commandé - Selon le schéma représenté à la figure. 2. 27, le redresseur alimente la charge par la tension composée (entre phase) et le courant revient à l’une des trois lignes d’alimentation via un autre redresseur simple alternance.

22

- L’ordre d’ondulation de La tension de charge est supérieur par rapport au redresseur simple alternance triphasé. - La tension VL est la différence entre deux tensions simples par rapport au neutre d’alimentation, la valeur crête de la tension redressée égale celle de la tension composée. - Deux diodes qui conduisent à un instant donné où celles reliées aux deux lignes de plus grande tension entre elles. * Si V1>V2, V1>V3 et V2V2, V1>V3 et V2>V3  D1 et D2 conduisent  VL=V13 * Si V2>V1, V2>V3 et V1>V3  D3 et D2 conduisent  VL=V23 * Si V2>V1, V2>V3 et V1V1, V3>V2 et V1>V2  D5 et D4 conduisent  VL=V31 * Si V3>V1, V3>V2 et V10) et (VL>0,iL0,iL>0), on hache par T1 * Si T1 est fermé (D1, T2 et D2 sont bloqués) VT1=0, iT1=iL>0,VL= VT2=Ve, iT2=0. * Si D2 est fermé (D1, T1 et T2 sont bloqués) VL=0, VT1=Ve, iT1=0, VD2=0, iD2= iL>0. - Quand (VL>0,iL0), tracer en régime permanent l’allure de il en fonction des commandes de T1 et T2. 3) Pour le fonctionnement en séquence de freinage (génératrice) de la machine (ilmoy0 ILmoy0 ILmoy>0 Moteur sens direct

iL

-

VL VT’1

VD’1 VT’2

VD’2

III f.e.m0 Moteur sens invers

IV ILmoy f.e.m0 Génératrice sens invers

Modes de fonctionnement à quatre quadrants

56

Chapitre 4

Gradateurs (convertisseurs AC/AC) -AC voltage controllers-

4. 1 Introduction 4. 2 Caractéristique du Triac 4. 3 Gradateurs monophasés 4. 3. 1. Gradateur on-off 4. 3. 2. Gradateur unidirectionnel 4. 3. 3. Gradateur bidirectionnel 4. 4 Gradateurs triphasés 4. 4.1 Gradateur unidirectionnel 4. 4.2 Gradateur bidirectionnel 4. 4.3 Gradateur bidirectionnel groupé en triangle 4. 5 Applications des gradateurs 5.1 Four électrique 5.1 Variateur de vitesse du moteur AC 5.3 Eclairage 4. 6 Résumé 4. 7 Conclusion

57

4. 1 Introduction Un gradateur est un convertisseur statique qui permet de contrôler la puissance électrique absorbée par un récepteur en régime alternatif. Un gradateur est un dispositif de l'électronique de puissance destiné à modifier un signal électrique dans le but de faire varier sa tension et son intensité efficace de sortie et de modifier ainsi la puissance dans la charge (figure.4.1). Ce dispositif est utilisé sur des tensions alternatives (souvent sinusoïdales) : c'est un convertisseur direct AC/AC. Ce convertisseur se comporte alors comme un interrupteur commandé, il établit ou interrompt la liaison entre la source et la charge. Il est alimenté sous une tension sinusoïdale de valeur efficace constante, fournit à la charge un courant alternatif non sinusoïdal de même fréquence que la tension d’alimentation, mais de valeur efficace réglable. Tension alternative réglable

Tension alternative constante

Fig. 4. 1 Convertisseurs AC/AC

- Le gradateur utilise un triac pour faire varier la tension efficace en sortie du montage. Pour les équipements de forte puissance, les gradateurs peuvent être réalisés par des groupes de thyristors montés en anti-parallèle (tête-bêche), ou bien éventuellement, par des associations thyristors/diodes. On classe deux types de gradateurs: les gradateurs monophasé et les gradateurs triphasé. Les allures et les expressions de la tension efficace de charge sont données en terme de l’angle de retard. - En ce qui concerne le domaine d’utilisation des gradateurs, on peut citer * Chauffage (contrôle de température) * Eclairage (contrôle de lumière) * Variation de vitesse des moteurs alternatifs de faibles puissances (perceuse, aspirateurs de quelques centaines de Watts). * En règle générale, ils sont utilisés sur des systèmes ne présentant pas ou peu d’inertie thermique ou mécanique. - Les gradateurs disposent quelques inconvénients suivants: * La tension aux bornes de la charge est alternative non sinusoïdale, donc le courant absorbé sera aussi alternatif non sinusoïdal. La présence d’harmonique de courant absorbés sur le réseau sera donc importante. * La relation entre la puissance moyenne dissipée dans la charge et le signal de commande n’est pas linéaire. 58

- Deux types de commande peuvent être utilisées pour le transfert de puissance étectrique : * Commande en interrupteur (on-off control) * Contrôle de phase (phase-angle control). 4. 2 Caractéristique du Triac - Le Triac est un composant électronique équivalent à la mise en parallèle de deux thyristors montés tête-bêche, l'anode de l'un serait reliée à la cathode de l'autre, les gâchettes respectives étant, par exemple, commandées simultanément(figure. 4. 2).

T1

T1

G

G

T1 G

G2

N

P N G

P N

G

G1

N T2

T2

T2

Fig. 4. 2 Triac

- Un triac est un dispositif à cinq couches et à chaîne PNPN dans chaque sens entre les bornes T1 et T2. C’est donc un dispositif bidirectionnel comme son symbole l’indique clairement. Une fois il est enclenché par une impulsion sur la gâchette, le triac laisse passer le courant jusqu'au moment où ce courant redevient inférieur à un seuil critique (courant de maintien). Il est plus sensible au courant positif injecté lorsque la borne T1 est positive et au courant négatif si la borne T2 est positive. D’après cette structure, le triac est utilisé pour contrôler le passage des deux alternances d'un courant alternatif alors que le thyristor ne conduit que pendant une alternance. La figure ci-dessous donne la caractéristique du Triac.

59

IT Chute de tension directe IT

Courant de maintient

Tension VT lorsque ig circule

G

iG=0

Claquage en directe

Claquage en directe

VT

T G VT

Courant de fuite en directe Courant d’accrochage

iG=0

Fig. 4. 3 Caractéristique du Triac

4. 3 Gradateurs monophasés - Trois types de gradateurs monophasé sont considérés dans ce cours : 4. 3.1 Gradateur marche en interrupteur (on-off) - Le montage gradateur est montré dans la figure. 4. 4. Les deux thyristors T1 et T2 permettent d’établir ou de couper la liaison source-récepteur. T1 et T2 connectent Ve et la charge pendant tn=nT (pendant n cycles de l’alimentation) et coupe la liaison entre Ve et la charge pendant tm=mT (m cycle de Ve).

Ve,iG

- Les formes d’ondes de Ve, VL et iL sont montrées dans

100

50

0

la figure. 4.5 pour une charge résistive et inductive.

-50

-100

T1

VL, iL

il

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.15

0.2

0.25

100

50

0

Ve

T2

-50

VL

-100

Charge VL, iL

(a) 100

50

0

-50

Fig. 4. 4 Gradateur bidirectionnel monophasé on-off

-100

0

0.05

0.1

(b) Fig. 4. 5 Formes d’ondes (a) charge R, (b) charge R,L

60

- Ce type de commande est appliqué pour les entraînements à vitesses variables des moteurs AC à grand couple ainsi que les fours à grande température. - Pour Ve  Vm sin(t ) avec Vm  2Veff , la tension efficace de VL peut être calculée à partir de la figure. 4. 5 comme : 2n

VLeff 



1 2Veff2 sin 2 d  2 n  m  0 n2Veff

2

1  cos 2 d 2 0

2 n  m  

VLeff  Veff

n nm

4. 3.2 Gradateur unidirectionnel - Durant la première demi-période, la puissance débitée par la source est contrôlée en agissant sur l’angle d’amorçage de T1, (figure. 4.6) - L’existence de D1 permet de limiter le taux de commande pour que la valeur efficace de VL varie entre 70.7% et 100%

Ve, iG

100

- La tension de sortie VL contient la composante continue

50

(i.e., elle a une valeur moyenne), figure. 4.7.

0

-50

T1

-100

il

VL, iL

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.065

0.07

0.075

0.08

100

50

Ve

0

D1 VL Charge

-50

-100

(a) VL, iL

100

50

0

Fig. 4. 6 Gradateur unidirectionnel monophasé -50

-100 0.04

- Ce type de gradateur est utilisé pour la commande des charges résistives telles que les fours et l’éclairage.

0.045

0.05

0.055

0.06

(b) Fig. 4. 7 Formes d’ondes (a) Charge R, (b) charge R,L

- Pour une charge résistive et inductive, les formes d’indes sont tracées par la Figure. 7. - La valeur efficace de la tension aux bornes de charge est calculée comme suit VLeff 

2    1  2 2 2 2 V sin  d   2Veff sin 2 d   eff  2    

61

1  sin 2   2     2  2 

 Veff

pour une charge R si   0 , VLeff  Veff

si    , VLeff  Veff / 2 =0.7Veff VLeff  Veff

1  sin 2  sin 2       pour une charge R,L si   0 , VLeff  Veff 2  2 

si    min , VLeff  Veff si    , VLeff  Veff / 2 =0.7Veff 4. 3.3 Gradateur bidirectionnel - D’après la figure. 4. 8, la puissance débitée par la source est contrôlée par T1 en agissant sur l’angle d’amorçage,  durant la première demi-période. Durant la deuxième demi-période, l’angle d’amorçage de T2 fait commander la puissance débitée vers la charge.  varie de 0 jusqu’à  . - Les ondes du courant et de la tension de charge sont tracées comme montrées dans la figure. 4.9.

Ve

100

T1

iG2

iG1

50

0

il

-50

-100 0.04

T2

Ve

0.045

0.05

0.055

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08

0.065

0.07

0.075

0.08

VL, iL

100

VL

50

Charge 0

-50

-100 0.04

VL, iL

(a)

100



50

Fig. 4. 8 Gradateur bidirectionnel monophasé 0

- Pour une charge purement résistive, VLeff s’écrit comme 

VLeff 

2 2Veff2 sin 2 d  2 

-50

-100 0.04

VL, iL

0.045

0.05

0.055

0.045

0.05

0.055

(b)

100

50

0

 Veff

1 sin 2        2 

- En pratique la plus part des charges sont des charges

-50

-100 0.04

VL, iL

(c)

100

50

inductives par exemple le cas des moteurs AC. Il est évident que l’inductance retarde la variation du courant. Donc

i L ( )  0 . Alors l’argument  du récepteur réduit la variation de  qui assure le passage de iL de son maximum à zéro. - On a quatre possibilités de fonctionnement:

0

-50

-100 0.04

0.045

0.05

0.055

0.06

(d) Fig. 4. 9 Formes d’ondes (a) Gradateur charge R (b) Gradateur charge R, L (c) Redresseur charge R, L (d) Liaison directe charge R, L

62

a) Fonctionnement à        : * A l’instant   t , le thyristor T1 est bloqué pour   t , à partir de cet instant L

di L  Ri L  Vm sin(t ) dt

Le courant iL(t) a pour expression i L (t ) 

Vm sint     sin   exp  t   /   /   Z

Où

Z  R 2  L2 2 et tg   

L R

- La Figure. 9. montre ce cas de conduction * A l’instant     t , le thyristor T2 ayant à ses bornes VT2>0, reçoit un courant de gâchette, il devient conducteur et écoule une alternance négative de iL identique. * Pour    , les thyristor sont toujours bloqués puisque VAK>0 * Pour      , le courant est sinusoïdale et identique à celui qu’on aurait en réunissant directement la source au récepteur. b) Fonctionnement à      : Le fonctionnement dans ce cas dépend de la nature des signaux appliqués aux gâchette de T1 et T2. * Cas d’impulsion de courte durée : T1 entre en conduction dés que une impulsion arrive à t   , la forme de iL est comme précédemment. L’impulsion envoyée sur T2 pour      trouve VT20 pour t   , il n’y a plus de courant sur la gâchette de T2. Le montage fonctionne en redresseur simple alternance avec un courant de charge unidirectionnel, donc de façon anormale. Pour éviter ce problème de fonctionnement, on applique des signaux de largeur suffisante. Pour t   , VT2>0, l’impulsion iG2 reste encore et T2 entre en conduction. Le gradateur fonctionne alors en interrupteur fermé en permanence comme pour      . On retrouve la conduction indiquée dans la marche en interrupteur surtout si  varie, comme c’est le cas lorsque la charge est un moteur. Pour être assuré de ne pas passé brutalement en fonctionnement redresseur, il faut donner aux signaux de gâchette une largeur suffisante. -

On peut avoir plusieurs circuits gradateurs comme montré dans la figure. 4. 10.

63

D1

D2

il

D1

D3

il

T D4 T2

T1

Ve

VL

Charge

D2

Ve

VL

Charge

Fig. 4. 10 Gradateurs bidirectionnels monophasés

4. 4 Gradateurs triphasés

En triphasé, on considère trois montages de gradateurs: Gradateur unidirectionnel (mixte), gradateur bidirectionnel (tout thyristor) et gradateur bidirectionnel formé en triangle. 4. 4.1 Gradateur unidirectionnel - Ce type de gradateur mixte est schématisé dans la figure. 4.11 qui alimente une charge résistive triphasé. Le courant débité dans le récepteur est contrôlé par les thyristors T1, T3 et T5. Les diodes permettent d’avoir des chemins de retour des courants. - Si on désigne par V1  Vm sin(t ) , V2  Vm sin(t  2 / 3) et V3  Vm sin(t  4 / 3) , le thyristor T1 est déclenché à t   , T3 est déclenché à t    2 / 3 et T5 est déclenché à t    4 / 3 . - On a trois possibilités de conduction en fonction de l’angle de retard  : * Conduction de deux thyristors et une diode * Conduction d’un thyristor et une diode

V1

T1

V2

D4 T3

ia a

* Conduction d’un thyristor et deux diodes

R

- Si trois composants sont passants, ia , ib et ic  0 Van  V1

ia

ib b

R n

a

V1

Van

V2

Van

ib b a i c

D6 T5

V3 c a

ic c

R

D2 Fig. 4. 11 Gradateur unidirectionnel triphasé

V3

- Si deux composants sont passants, on applique le diviseur de tension, Van peut prendre deux valeurs : Van  V12 / 2 ou Van  V13 / 2 V1

ia

a

ou

Van

V2 V3

ib b a

ic

ia

V1

c a

a Van

V2 V3

ib b a

c a

64

ic=0

ib=0 ia

a

V1

Van

- Si a est déconnecté, ia=0 et Van=0 V2

ib b a i c

c a

V3

- Les courants ia, ib et ic sont identiques à un tiers de période près. - Trois modes de fonctionnement se succèdent quand  va de 0 à 7 / 6 . a) Marche de 3 ou 2 semi-conducteurs ( 0     / 2 ) - En suivant le principe de fonctionnement ci-dessus

IT1



2

1.5

1

du gradateur en fonction des signaux de commande,

0.5

0

IT3

les formes d’ondes des tensions d’entrées, de

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.03

0.035

0.04

2

1.5

1

0.5

0

IT5

commande et de charge par exemple Van sont tracées

2

1.5

1

0.5

dans la figure. 4.12.

0

- On peut déterminer l’expression de la tension efficace par exemple Vaneff dont Vbneff =Vcneff. D’où

2 1.5 1 0.5

2

Vaneff  

1 2

 

4 /3

-0.5 -1

  2 / 3 4 / 3  2 / 3 2 V132   V1 d   d   V12 d   4 2 / 3   2 / 3  

  4 / 3



0

1 Van2 dt  2 0

2  V122 d   V12 d  4   4 / 3 

-1.5 -2

Van

0

200

V1 V /2 13

150 100 50

Vaneff  3Veff

Vaneff

1    sin 2      3 4 8 

 Veff   0.79Veff

si   0 si   /2

0 -50

V1

-100

V1

-150 -200

V12/2 0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

Fig. 4. 12 Formes d’ondes    / 3

- D’après la Figure. 12 avec    / 3 , les séquences de conduction sont : * (T5,D6)  Van=0 (déconnexion) * Si t   , D6,T1,D2 conduisent  Van=V1 (3 composants sont passants) * T1, D2 conduisent  Van=V13/2 (2 composants passants) * Si t    2 / 3 , D2,T3,D4 conduisent  Van=V1 (3 composants sont passants) 65

* T3, D4 conduisent  Van=V12/2 (2 composants sont passants) * Si t    4 / 3 , D6,T5,D4 conduisent  Van=V1 (3 composants sont passants) * (T5,D6)  Van=0 (déconnexion) b) Marche de 3, 2 ou 0 semi-conducteurs (  / 2    3 / 2 ) - Dans cette intervalle de  , il y a des instants où aucune conduction dans le circuit gradateur. - Pour   5 / 9 , les séquences de conduction sont : * Si t   , D6,T1,D2 conduisent  Van=V1 (3 composants sont passants) * T1, D2 conduisent  Van=V13/2 (2 composants passants) * Les composants se bloquent  Van=0 * Si t    2 / 3 , D2,T3,D4 conduisent  Van=V1 (3 composants sont passants) * T3, D4 conduisent  Van=V12/2 (2 composants

IT1

sont passants).

2



1.5

1

0.5

0

* Les composants se bloquent  Van=0 * Si t    4 / 3 , D6,T5,D4 conduisent

IT3

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.025

0.03

0.035

0.04

2

1.5

1

0.5

0

IT5

2

1.5

 Van=V1 (3 composants sont passants).

1

0.5

0

2

- Les tracées sont montrés dans la figure. 4.13.

1.5

- L’expression de la tension efficace Vaneff vaut

1 0.5

2

Vaneff 

1 Van2 dt  2 0

0 -0.5 -1



1 2

   

2 / 3

V 

2 1

d 

7 / 6

2

2 13

4 / 3

V d   V12 d 4 /3   2 / 3

 

11 / 3

2  V122   d   V12 d  4 4 / 3   4 / 3 

Vaneff  3Veff

1  11        24 2 

-1.5 -2

Van

0

200

V1 V /2 13

150 100 50 0

V1

-50 -100

Vaneff

 0.79Veff   0.61Veff

si   /2 si   2/3

V12/2

-150 -200

0

0.005

0.01

0.015

0.02

Fig. 4. 13 Formes d’ondes   5 / 9

c) Marche de 2 ou 0 semi-conducteurs ( 3 / 2    7 / 6 ) - Dans cette intervalle de  , il y a aussi des instants où aucune conduction dans le circuit gradateur. - Pour   5 / 6 , les séquences de conduction sont : * Si t   , T1, D2 conduisent  Van=V13/2 (2 composants passants) * Après, les composants se bloquent car V13/2