1 Présentation du cours Dans tous les domaines de l industrie on fait aujourdhui appel à l...

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Présentation du cours

Dans tous les domaines de l ’industrie on fait aujourd’hui appel à l ’électronique de puissance(alimentation à découpage, variateurs de vitesse, alimentation sans interruption)

Sans être forcément spécialiste, il est souvent indispensable de connaître au moins les fonctions réalisables, les principes et les contraintes qui en découlent pour effectuer les bons choix.

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Objectifs

Acquérir les connaissances de base en électronique de puissance, qui vous permettent d ’approfondir un domaine particulier de cette discipline, ainsi que de participer efficacement aux choix des techniques et technologiques du matériel à utiliser.

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INTRODUCTION A LA CONVERSION DE L ’ENERGIE ELECTRIQUE

1. La Diode

2. Le Thyristor

3. Le Transistor bipolaire

8. Étude des systèmes

4. Redressement non commandé

5. Onduleur

Introduction

7. Gradateur

6. Hacheur série

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INTRODUCTION A L’ELECTRONIQUE DE PUISSANCE

L’électronique de puissance est l’utilisation en électrotechniquedes semi-conducteurs de puissance dont les trois principaux sont ladiode, le thyristor et le transistor.

Les signaux de commande sont aujourd'hui générés par des systèmes àmicroprocesseurs en logique programmée qui remplacent de plus en plus souvent la commande analogique par amplificateurs opérationnels.

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LES GROUPES CONVERTISSEURS

INTRODUCTION A L’ELECTRONIQUE DE PUISSANCE

- le redresseur à diodes est équivalent à la commutatrice ;- les redresseurs contrôlés sont analogues à un groupe moteur asynchrone génératrice à courant continu

- les gradateurs remplacent les autotransformateurs à prise variable ou à curseur

- l' onduleur autonome était réalisé par l'ensemble moteur à courant continu couplé à un alternateur

le hacheur, exécuté en petite puissance avec des relais vibreurs peut maintenant être exécuté en très forte puissance avec des thyristors

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1. La Diode

La diode est un composant électronique présentant deux bornes ou électrodes : l’anode A et la cathode K et qui laisse passer le courant dans un sens (sens de conduction ) et le bloque dans l’autre sens ( sens inverse ).

A k

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1. La Diode

Utilisation typique des diodes :

Convertisseurs AC/DC non commandés

Convertisseurs AC/DC semi – contrôlés (ponts mixtes)

Diodes de roue libre

8

2. Le ThyristorSous tension inverse ( sens cathode - anode), le thyristor, comme la diode, est bloquant, c’est à dire qu’il présente une très grande résistance.

A k

G

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2. Le Thyristor

Utilisation typique des thyristors :

Convertisseurs AC/DC commandés

Convertisseurs AC/DC semi – contrôlés (ponts mixtes)

Convertisseurs DC/AC onduleurs autonomes

Convertisseurs DC/DC Hacheurs

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Le transistor bipolaire (Bipolar Junction Transistor) est un dispositif à semi-conducteur présentant trois couches à dopages alternés NPN ou PNP

C

E

B

C

E

B

Transistor NPN Transistor PNP

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Les transistors bipolaire sont utilisés suivant trois usage

Usage général Amplification Commutation

Usage audio amplificateur

Classe A ou classe B Usage en puissance

Faible gain Darlington

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5 Redressement non commandé

I. Redresseur simple alternance

ciPi

cvvPv

1n 2n

* *

AKv

Page 9

Un redresseur est convertisseur statique de puissance quitransforme le courant alternatif d’un réseau en courantcontinu

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4. Redressement non commandéII Redresseur avec un transformateur à point milieu

On dispose un réseau monophasé. Une pseudo phase est crée grâce à untransformateur à deux secondaires connectés via les deux diodes de façonsuccessive à la charge.

2n

Pi

Pv

1n

*

* cicv1v

AKv

AKv

2v

Page 10

14

4. Redressement non commandéIII Redresseur en pont à 4 diodes (PD2)

Le montage utilise 2q diodes pour redresser q tensions alternatives.,connectées via les quatre diodes de façon successive à la charge.

1D2D

1'D 2

'D

siPi

ci

1Di

1'Di 2'Di

2Di

cvvPv

1n2n

* *

Page 11

15


Page 11

siPi

ci

cvvPv

1n 2n

* *

Four

16

4. Redressement non commandéIV Redresseur parallèle à 3 diodes (P3)

La source en étoile, est constituée de trois sources de tension en parallèle,connectées via les trois diodes de façon successive à la charge.

1D

2D

3D

1si

2si

3si

1v

2v

3v

1Pi

2Pi

3Pi

1n 2ncv

ci

L R

Page 12

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4. Redressement non commandéVRedresseur parallèle double à 6 diodes (PD3)

Le montage utilise 2q diodes pour redresser q tensions alternatives.,connectées via les quatre diodes de façon successive à la charge.

1D 2D 3D

'1D

'2D

'3D

L Rci

cv

1Pi

2Pi

3Pi

1n

1si

2si

3si

1v

Page 13

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5. Onduleur autonomeLe rôle d’un onduleur est d’obtenir une tension alternativeaux bornes de la charge à partir d’une source de tension(ou courant) continue

On distingue deux types de commandes desinterrupteurs :commandes non décalées et commandesdécalées (le signal de la tension se rapproche de l’allured’une sinusoide.

On distingue deux types d’onduleur autonome :Onduleur à commutation forcée et les onduleurs pilotéspar la charge ou à résonance. Dans le premier cas, lesthyristors principaux son éteints par la commutation del’énergie d’un circuit annexe, dans le second cas l’énergied’extinction est prélevée sur la charge qui est un circuitoscillant.

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5. Onduleur autonomeIl s’agit d’actionner alternativement les interrupteurs K1 et K2 durant des intervalles de temps réguliers.

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6. Hacheur sériePage 14

Le hacheur permet d’obtenir une tensionunidirectionnelle de valeur moyenne variableLe hacheur est un convertisseur continu/continu

il réalise en courant continu la même fonction que letransformateur en courant alternatif, c'est-à-dire unchangement de tension avec un rendement voisin de 1

ce qui n'est pas le cas avec un montage en rhéostat oupotentiomètre %16 .

On distingue deux types de hacheur :Hacheur dévolteur ou sérieHacheur survolteur

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6. Hacheur sériePage 14

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6. Hacheur série

Pour un bon fonctionnement du moteur, il est préférable que le courant soit le plus régulier possible, d’où la présence d’une bobine de lissage. Si son inductance est suffisamment grande, on pourra considérer le courant comme constant (i 0)

Application au moteur

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7. Gradateur

Un gradateur est un convertisseur alternatif - alternatif.

Alimenté par une tension alternative v, il donne à sa

sortie une tension alternative vc à valeur variable de

même fréquence que la tension d’entrée,1

Th

2ThV cV

ci

On distingue deux types de gradateur :

Gradateur à découpage de phase : domaine d’utilisation(réglage d’une intensité lumineuse.)

Gradateur à train d’ondes : domine d’utilisation(chauffage d’un volume solide….)

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7. Gradateur

Un gradateur est un convertisseur alternatif - alternatif.

Alimenté par une tension alternative v, il donne à sa

sortie une tension alternative vc à valeur variable de

même fréquence que la tension d’entrée,

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I. Quadrants de fonctionnement

vitesse

couple

Frein avec vitesse positive

Frein avec vitesse négative

Moteur avec vitesse négative

Moteur avec vitesse positive

Page 16

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8. Étude des systèmesII. Alimentation à fréquence statorique variable

Énergie de freinage dissipée

Énergie de freinage restituée au réseau

Page 17

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LES APPLICATIONS

Dans tous les domaines industriels, de l'électroménager à la traction électrique, on rencontre des applications de l'électronique de puissance; c'est notamment le cas dans les réalisations de :

- variateurs de vitesse pour les moteurs à courant continu;- variateurs de vitesse pour les moteurs à courant alternatif;- alimentations sans coupure.

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Les signaux de commande sont aujourd'hui générés par des systèmes àmicroprocesseurs en logique programmée qui remplacent de plus en plus souvent la commande analogique par amplificateurs opérationnels.

Dans tous ces cas, le rendement en énergie a été considérablement augmenté avec l'électronique de puissance, qui condamne les groupes convertisseurs.

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exercice11) Quelle est la caractéristique i = f(u) d'une diode idéale en convention récepteur ?

u (en V)

i (en A)

u (en V)

i (en A)

u (en V)

i (en A)

)a )b )c

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Exercice1.2

1) Pour amorcer un thyristor, il faut: uAK<0 et une impulsion ig. uAK>0 et une impulsion ig. uAK<0 uAK>0

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Exercice1.3

1) La tension u est la tension de sortie d'un hacheur:Le rapport cyclique est : = t0/T

= (T-t0)/T

= U0/u

0U

)(tu

t

T

0t

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Exercice1. 4

1) La valeur moyenne de la tension u (question 5) vaut:

 = U0 t0 / T = U0

 = U0 2 / = U0 / 2

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Exercice 1.5

1) Faire correspondre chaque convertisseur, à son nom

hacheur gradateur redresseur onduleur

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Exercice 1.6

1) Un onduleur sert à: régler la vitesse d'une Machine à Courant Continu régler la vitesse d'un moteur asynchrone alimentation de secours modifier la fréquence de la tension d'entrée

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Exercice 1.7

1) Quel(s) dispositif(s) ne permet pas de faire varier la vitesse de rotation d'uneMachine à Courant Continu: pont mixte pont à quatre diodes (pont de Graëtz) hacheur onduleur

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Exercice 1.8

1) Dans un pont mixte, quel paramètre permet de faire varier la valeur moyennede la tension de sortie: le rapport cyclique l'angle de retard à l'amorçage la fréquence de la tension d'alimentation

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Exercice 1.9

1) Que faut il faire, pour lisser le courant dans une charge (M.C.C. par exemple), àla sortie d'un pont redresseur ? placer un condensateur de capacité suffisante en parallèle avec la charge. placer une bobine d'inductance suffisante en série avec la charge. placer un résistor de résistance élevé en série avec la charge. placer un résistor de faible résistance en série avec la charge.

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Exercice 1.10

1) Un hacheur alimente une charge inductive quel est le rôle de la diode de "rouelibre" ? (deux réponses possibles.) redresser la tension éviter les surtensions lisser le courant permettre une conduction ininterrompue

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Exercice 1.11

1) On alimente une M.C.C. à l'aide d'un pont mixte. Si l'on augmente le retard àl'amorçage des thyristors le moteur tourne: plus vite a la même vitesse moins vite le thyristor explose

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Exercice 1.12

1) Quel est le rôle d'un pont de diodes ? redresser la tension effectuer un redressement double alternance régler la vitesse d'un M.C.C. effectuer un redressement simple alternance.

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Redresseur PD2 Exercices page11

Enoncé :On a réalisé une alimentation à partir dusecteur destinée à faire fonctionner un moteurà courant continu. Un oscilloscope double voiesa permis, après deux connexions différentes,d'obtenir les oscillogrammes suivants.

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Redresseur PD2 Exercices page11

Secteur EDF220V/50Hz

MCC

L

r =1

D1 D2

D4 D3

T

iC

uC

uD3

YA

YB

YC

INV

Schéma électrique

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Redresseur PD2 Exercices Oscillogramme

Vitesse de balayage : .....5 ms.. /cm XY X = voie .......Sensibilités YA :...... 5 V........ /cm ( tension : )

YB : .....0.5 V.......... /cm ( tension : ) YC :...... 5 V........ /cm ( tension : )

0 V

YB

YA

YC

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Redresseur PD2 Exercices

Indiquer les réponses qui vous semblent correctes.

1. Le transformateur T est un transformateur :a. abaisseur de tension ;b. élévateur de tension.

1. Le transformateur T est un transformateur :a. abaisseur de tension.



0 V

YB

YA

YCEn effet au primaire du transformateur :

VU 3112*220max1

alors qu’au secondaire du transformateur :VvoieYUU

Ac155*3)(

maxmax2 .

Donc U2MAX< U1MAX, le transformateur est abaisseur detension.

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2. Le rapport de transformation m du transformateur T estégal à :

a. 20 ;b. 10 ;c. 1 ;d. 0,1 ;e. 0,05 ;f. 0,01.

2 . L e r a p p o r t d e t r a n s f o r m a t io n m d u t r a n s f o r m a t e u r T e s té g a l à :

e . 0 , 0 5 .L e r a p p o r t d e t r a n s f o r m a t io n d ’u n t r a n s f o r m a t e u r e s t d é f in ip a r :

0,05311

15

U

U

U

Um

1MAX

CMAX

1MAX

2MAX



0 V

YB

YA

YC

46


3. La tension uC aux bornes de la charge est :a. continue ;b. unidirectionnelle ;c. bidirectionnelle ;d. sinusoïdale.

3. La tension uC aux bornes de la charge est :b. unidirectionnelle.

La tension uC est relevée sur la voie YA. On constate surl’oscillogramme que la tension uC est continuellementpositive, donc unidirectionnelle.



0 V

YB

YA

YC

47


4. La fréquence de la tension uC est égale à :a. 200 Hz ;b. 100 Hz ;c. 50 Hz ;d. 25 Hz.

Sur l’oscillogramme on relève :

Tuc = 25.10 -3 = 10.10 -3 s donc

Hz10010.10

1

T

1f

3

Uc

Uc

4. La fréquence de la tension uC est égale à :b. 100 Hz.



0 V

YB

YA

YC

48


5. Le courant iC est :a. continu ;b. alternatif ;c. bidirectionnel ;d. sinusoïdale.

ur = 1iC .On constate que le courant iC ne varie pas au cours dutemps donc iC est un courant continu.

5. Le courant iC est :a. continu

Le courant iC est relevé sur la voie YB. En effet sur lavoie B on visualise la tension aux bornes d’unerésistance r = 1 donc :


MCC

L

r =1

D1 D2

D4 D3

T

iC

uC

uD3

YA

YB

YC

INV

49


6. L'intensité du courant iC est égale à :a. 0,25 A ;b. 0,5 A ;c. 4 A ;d. 1 A ;e. 2 A.

6.L'intensité du courant iC est égale à :d. 1 A.

En effet : iC = 20,5 = 1 A



0 V

YB

YA

YC

50


7. La fréquence de la tension uD3 , tension aux bornes dela diode D3 est :

a. 200 Hz ;b. 100 Hz ;c. 50 Hz ;d. 25 Hz.

7. La fréquence de la tension uD3, tension aux bornes de ladiode D3 est :

c. 50 Hz.

Sur l’oscillogramme YC, on relève :

TuD3 = 45.10-3 = 20.10-3 s donc

Hz5020.10

1

T

1f

3

UD3

UD3



0 V

YB

YA

YC

51


8. La tension aux bornes d'une des trois autres diodes estidentique à la tension aux bornes de la diode D3, c'est :

a. la tension aux bornes de la diode D1 ;b. la tension aux bornes de la diode D2 ;c. la tension aux bornes de la diode D4.

8. La tension aux bornes d'une des trois autres diodes estidentique à la tension aux bornes de la diode D3, c'est :

a. la tension aux bornes de la diode D1.

La diode D3 conduit en même temps que la diode D1 lorsde l’alternance positive de la tension sinusoïdale fourniepar le secondaire du transformateur


MCC

L

r =1

D1 D2

D4 D3

T

iC

uC

uD3

YA

YB

YC

INV

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9. Parmi les diodes dont les caractéristiques vous sontdonnées ci-dessous, laquelle faut-il choisir ?

a. 1N 4148 (IF (courant direct continu) = 150 mA ; VRRM

(tension de pointe inverse répétitive) = 75 V) ;b. BAV 19 (IF = 200 mA ; VRRM = 100 V) ;c. 1N 4001 (IF = 1 A ; VRRM = 50 V).

9. Parmi les diodes dont les caractéristiques vous sontdonnées ci-dessous, laquelle vous utilisez :

c. 1N 4001 (IF = 1 A ; VRRM = 50 V).

L’intensité maximale du courant traversant les diodes estiC donc 1 A. De plus sur l’oscillogramme de uD3, onconstate que :UD3min= - 35 = - 15 V.

Seule la diode 1N 4001 peut convenir.



0 V

YB

YA

YC

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10. La bobine L, montée en série avec le moteur à courantcontinu, permet de :

a. filtrer la tension uC et la rendre proche d'une tensioncontinue ;b. limiter l'intensité du courant iC ;c. lisser le courant iC et le rendre proche d'un courantcontinu ;d. limiter la tension inverse supportée par les diodes.

10. La bobine L, montée en série avec le moteur à courantcontinu, permet de :

c. lisser le courant iC et le rendre proche d'un courantcontinu.

Le rôle d’une bobine montée en série avec la charge d’unmontage redresseur est de lisser le courant iC, nécessitéqui peut être imposée par le moteur à courant continu.


MCC

L

r =1

D1 D2

D4 D3

T

iC

uC

uD3

YA

YB

YC

INV

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