Synthese Des Convertisseurs Statiques Denergie [PDF]

Zitiervorschau

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

Synthèse des convertisseurs statiques

Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1

Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Objectifs de la synthèse Pe

pertes

Ps

CVS

Composants jouant le rôle d’interrupteurs électroniques Objectifs de la synthèse des convertisseurs statiques d’énergie :

- Déterminer la structure du convertisseur statique Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1

- Déterminer les caractéristiques des interrupteurs.

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie NATURE DES SOURCES NATURE DES SOURCES : - Sources de tension ou courant continu; - Sources de tension ou courant alternatif.

Source d’entrée

CVS

Source de sortie

REVERSIBILITE DES SOURCES : - Une source est dite réversible si la puissance fournie peut être positive ou négative. Exemple de réversibilité d’une source : Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1

Batterie d’accumulateur : générateur en décharge et récepteur en charge

Machine à courant continu : récepteur en fonctionnement normal et générateur en mode freinage.

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Nature des sources REVERSIBILITE DES CONVERTISSEURS STATIQUES : - Un convertisseur statique est dit réversible si le transfert de puissance peut se réaliser dans les 2 sens.

Source d’entrée

CVS

Sens de transfert de puissance

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Source de sortie

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Structures des convertisseurs La structure des convertisseurs dépend de : - La nature des sources d’entrée et de sortie (tension ou courant); - Le type de sources d’entrée et de sortie (polyphasé). On parle alors de : - convertisseurs statiques directs; Tension → Courant ou Courant → Tension - convertisseurs statiques indirects Tension → Tension ou Courant → Courant

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Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Convertisseurs directs Convertisseur statique DIRECT Tension / Courant : Possibilité d’interconnexion de ces sources :

K1=K4=1

K2=K3=1

P=Ve.Is

P= -Ve.Is

K1=K3=1 ou K2=K4=1 P=0

Structure du convertisseur direct tension courant :

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Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Convertisseurs directs Convertisseur statique DIRECT Courant / Tension : Possibilité d’interconnexion de ces sources :

K1=K4=1

K2=K3=1

P=Ve.Is

P= -Ve.Is

K1=K2=1 ou K3=K4=1 P=0

Structure du convertisseur direct Courant Tension :

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Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Convertisseurs indirects Convertisseurs statiques INDIRECT 3 solutions envisageables :

- En modifiant la nature des sources et utilisant des convertisseurs statiques DIRECT; - Par utilisation d’un étage tampon; - En utilisant des convertisseurs statiques INDIRECT. Pour la première solution, il faut utiliser un composant supplémentaire qui ne dissipe pas de puissance active. Soit donc, des inductances ou des condensateurs. Leur rôle est de modifier la nature des sources d’entrée ou de sortie. Il est donc possible d’utiliser les structures des convertisseurs statiques DIRECT. Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Convertisseurs indirects SOURCE DE TENSION VS SOURCE DE COURANT L

i

uL=L.di/dt=E-v v

E

di/dt=(E-v)/L Si L grand alors : di/dt=0 soit i = constante

i

I

iC

dv/dt=(I-i)/C v

C Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1

iC=C.dv/dt=I-i

Si C grand alors :

dv/dt=0 soit v= constante

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Convertisseurs indirects Convertisseur statique INDIRECT par modification de la nature des sources Structure du CVS indirect Tension / Tension

Structure du CVS indirect Courant / Courant

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Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Convertisseurs indirects Pour la seconde solution, il faut aussi utiliser un composant supplémentaire qui ne dissipe pas de puissance active.

Leur rôle est de créer un étage tampon. On utilisera alors 2 convertisseurs statiques DIRECT.

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TRES PEU UTILISE, EN RAISON DU RENDEMENT FAIBLE, ET DU NOMBRE DE COMPOSANTS.

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Convertisseurs indirects Convertisseur statique INDIRECT Pour la troisième solution, il faut aussi utiliser un composant supplémentaire qui ne dissipe pas de puissance active.

Leur rôle est de créer un étage d’accumulation d’énergie. On stockera de l’énergie électrique dans une inductance ou dans un condensateur. Après une phase de stockage de l’énergie électrique dans l’inductance ou le condensateur, cette énergie sera fournie à la source de sortie. Convertisseur statique INDIRECT TENSION / TENSION : - Stockage dans une INDUCTANCE Convertisseur statique INDIRECT COURANT / COURANT : Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1

- Stockage dans un CONDENSATEUR

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Convertisseurs indirects Convertisseur statique INDIRECT Tension / Tension Possibilité d’interconnexion de ces sources :

K5=1

K5=0

K5=0

K1=K2=K3=K4=0

K1=K4=1

K2=K3=1

Structure des CVS INDIRECT Tension / Tension :

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Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Convertisseurs indirects Convertisseur statique INDIRECT Courant / Courant Possibilité d’interconnexion de ces sources :

K1=K2=K3=1

K5=K1=K4=1

K5=K2=K3=1

K4=K5=0

K2=K3=0

K1=K4=0

Structure des CVS INDIRECT Courant / Courant :

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Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Etude des interrupteurs Modèle et convention d’un interrupteur idéal vK iK fermé

iK

Caractéristiques statiques IK(VK) iK

vK

vK On distingue les interrupteurs en fonction de leur caractéristique statique IK(VK) : - 2 segments; Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1

vK

iK

ouvert

- 3 segments; - 4 segments.

0

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Etude des interrupteurs Caractéristiques statiques IK(VK) à 2 segments :

vK vK iK

vK

vK iK

iK

Transistor IGBT Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1

Uni directionnalité en tension et en courant.

Diodes

iK

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Etude des interrupteurs Caractéristiques statiques IK(VK) à 3 segments : Bidirectionnel en tension :

vK

vK

iK

iK Thyristor Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1

Bidirectionnalité en tension. Unidirectionnalité en courant.

iK

vK

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Etude des interrupteurs Caractéristiques statiques IK(VK) à 3 segments : Bidirectionnel en courant :

vK

vK iK

iK Transistor MOS

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Bidirectionnalité en courant. Unidirectionnalité en tension.

vK iK

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Etude des interrupteurs Caractéristiques statiques IK(VK) à 4 segments : Bidirectionnalité en courant et en tension.

vK iK

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Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Mode de commutations

Caractéristiques dynamiques - Passage de l’état ouvert à l’état fermé  amorçage

iK

W>0

W0

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W0  Commutation commandée W=0  Commutation naturelle

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Interrupteurs existants

iK

vK iK

vK

iK

vK 0

0

IGBT

DIODE Plus au programme

iK

vK iK

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THYRISTOR

iK

vK vK

iK

vK 0

0 Sébastien

iK

vK

MOS

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Hacheur série

Vélo à assistance au pédalage

i>0 E

v>0

CVS batterie

MCC

Structure

Choix des interrupteurs iK2

iK1

K1

E K2

Sébastien GERGADIER

Commande des interrupteurs K1

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aT

K2 T

vK2

vK1

I

0

0

v

IGBT

DIODE

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie Onduleur

Barrière

CVS Tension redressée filtrée Structure

Commande des interrupteurs

Courant alternatif

K1

K3

MAS

K1

K5

K2

K4 K5

E

K6

2p/3

K2

K4

K6

i< >0 iK

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0

K5 2p

Choix des interrupteurs

vK Sébastien

K4

K3

IGBT + DIODE

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie METHODE DE SYNTHESE

Etape 1 : Identifier la nature des sources d’entrée et de sortie. En déduire la structure de base du convertisseur statique. Etape 2 : Déduire du cahier des charges les réversibilités en tension et en courant des sources d’entrée et de sortie.

Etape 3 : Identifier sur la structure de base, les séquences de fonctionnement nécessaires, compte tenu des réversibilités souhaitées et des contrôles d’énergie souhaitée. Effectuer les simplifications si nécessaire. En déduire le montage de base du convertisseur statique. Etape 4 : Pour les différentes séquences déterminées à l’étape 3, observer le sens du courant dans les interrupteurs passants, et le signe de la tension à leurs bornes lorsque ceux-ci sont bloqués. En déduire la caractéristique iK=f(vK) de chaque interrupteur. Etape 5 : Déduire d’une étude approfondie du cahier des charges, l’enchaînement des séquences déterminées à l’étape 3 afin d’obtenir les formes d’ondes des signaux de sortie désirées. En déduire le type de commutation dynamique. (commandée ou spontanée) Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1

Etape 6 : Connaissant les caractéristiques statiques et dynamiques des interrupteurs, on peut déterminer les types d’interrupteurs à utiliser.

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie EXEMPLE DE SYNTHESE

CAHIER DES CHARGES : On désire alimenter à partir d’une batterie d’accumulateurs, une machine à courant continu fonctionnant en moteur sans aucune réversibilité. Ce moteur devra être alimenté sous tension variable, afin de faire varier sa vitesse, pour cela, on utilisera un convertisseur statique. Dans le but de faire varier la vitesse de rotation du moteur à courant continu, la valeur moyenne de la tension de sortie devra être variable de 0 à E. Umoteur E

αT Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1

T

temps

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie EXEMPLE DE SYNTHESE Étape 1 : Caractérisation des sources d’entrée – sortie L’entrée est une source de tension continue (résistance interne négligée), et la sortie est une source de courant continue(présence d’une inductance (bobinage)).

Étape 2 : Réversibilité des sources d’entrée – sortie L’entrée est une source de tension réversible en courant (I positif=décharge; I négatif=recharge) et la sortie est une source de courant réversible en courant et en tension. Cependant, aucune réversibilité n’est nécessaire d’après le cahier des charges. Étape 3 : Structure de base du CVS Convertisseur statique direct tension / courant

E Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1

K1

K3

K2

K4

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie EXEMPLE DE SYNTHESE Combinaisons possibles d’interconnexion des sources

Transfert de puissance

Phase de roue libre

Modification et simplification de la structure de base du CVS

K1

E K2 Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1

K4

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie EXEMPLE DE SYNTHESE Étape 4 : Détermination des caractéristiques statiques des interrupteurs

K1

E

vK1

iK1

vK2

K2

I

E K4

vK4

iK2

iK4

vK1

vK2

iK1

I

K2 iK2

vK4

K4 iK4

iK4

iK2

iK1

K1

vK2

vK1 Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1

vK4

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie EXEMPLE DE SYNTHESE Étape 5 : Détermination des caractéristiques dynamiques des interrupteurs

K1

E

vK1

iK1

vK2

K2

I

E K4

vK4

iK2

vK1

vK2

iK4

K1 iK1

I

K2

vK4

iK2

K4 iK4

2) 1) Enchaînement 1) 2) 1) 2) ..pour moduler le transfert de puissance, et donc la vitesse

iK2

iK1

iK4

1) vK2

1)

1)

2)

2) Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1

vK1 2)

vK4

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie EXEMPLE DE SYNTHESE Étape 6 : Détermination des interrupteurs

iK2

iK1

iK4

1) vK2

1)

1)

2)

2) vK4

vK1 2) Interrupteur statique à 2 segments

Interrupteur statique à 2 segments

Amorçage et blocage commandés

Amorçage et blocage spontanés (naturels)

TRANSISTOR IGBT

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vK2

vK1

Sébastien GERGADIER

DIODES EN INVERSE

iK1

iK2

Interrupteur statique à 1 segments

FIL

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie EXEMPLE DE SYNTHESE

Structure du convertisseur statique nécessaire

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Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie CLASSIFICATION DES INTERRUPTEURS

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