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Cours dElectronique de Puissance

Prpar et dispens par: Monsieur ZOCKO THOMBOYO Tolio Sylvestre

Ecole Africaine de lAviation Civile et de la Mtorologie (EAMAC)

CONTENU DU COURS

Introduction lElectronique de Puissance

Les interrupteurs en Electronique de Puissance

Conversion alternatif - continu

Conversion continu - alternatif

Conversion continu - continu

Conversion alternatif - alternatif

01/09/2014 2 Cours d'Electronique de Puissance

Introduction lElectronique

de Puissance

Conversion Alternatif - Continu (AC / DC)



Il existe quatre types de conversion de lnergie

lectrique dont la conversion alternatif/continu.

Les montages utiliss dans ce type de conversion

sont les montages redresseurs.



Montages redresseurs non commands dans le cas

ou les interrupteurs sont des diodes.

Montages redresseurs commands dans le cas ou

les interrupteurs sont des thyristors.



Applications


Alimentation continue des circuits lectroniques

Alimentation des moteurs courant continu

Chargeurs de batteries


Conversion Continu - Alternatif (DC / AC)


Le deuxime type de conversion de lnergie

lectrique est la conversion continu/alternatif.


sont les onduleurs.


Conversion Continu - Alternatif (DC / AC)

Applications


Alimentation de secours

Variateurs de vitesse pour les moteurs asynchrones


Conversion Continu - Continu (DC / DC)


Le troisime type de conversion de lnergie

lectrique est la conversion continu/continu.


sont les hacheurs.


Conversion Continu - Continu (DC / DC)

Applications


Montages hacheurs srie dans Le cas dun

abaisseur de tension

Montages hacheurs parallle dans Le cas dun

lvateur de tension


Conversion Alternatif - Alternatif (AC / AC)


Le dernier type de conversion de lnergie

lectrique est la conversion alternatif/alternatif.


sont les gradateurs.


Conversion Alternatif - Alternatif (AC / AC)

Applications


Variateurs de lampe halogne

Variateurs de vitesse des moteurs universels


Les Interrupteurs en

Electronique de Puissance



Les interrupteurs en lectronique de puissance peuvent

etre commands ou non commands et sont composs

des semi-conducteurs de puissance qui peuvent etre:

Des diodes rapides;

Des transistors bipolaires de puissance;

Des thyristors;

Des triacs;



Diodes rapides

La diode est un interrupteur en lectronique de puissance qui

fonctionne sur deux segments. Sa conduction et son blocage

se font de faon spontane.



Comportement dynamique dune diode

*Premier cas: Conduction Quand K est ouvert: le

courant qui traverse la

diode est positif, la diode

devient passante et sa

tension de seuil est nulle.



Comportement dynamique dune diode

*Deuxime cas: Blocage

Quand K est ferm, le

courant qui traverse la

diode est ngatif, la diode

conduit en inverse pendant

un bref instant avant de se

bloquer.



Transistors bipolaires de puissance

Le transistor bipolaire est aussi utilis comme interrupteur en

lectronique de puissance et fonctionne en mode de saturation

pour la tension collection-metteur. Son fonctionnement se fait

aussi sur deux segments.



Les transistors bipolaires utiliss en lectronique de puissance

sont :

Comportement dynamique dun transistor bipolaire

*Premier cas: Conduction La conduction du transistor bipolaire est command et

conditionne:



Comportement dynamique dun transistor bipolaire


Le blocage du transistor bipolaire est aussi command et avec

les conditions contraires celles de la conduction.

Autres interrupteurs dlectronique de puissance Thyristors

Le thyristor est un interrupteur command qui trois bornes..



Comportement dynamique dun thyristor

*Premier cas: Conduction Lamorage du thyristor se fait par la commande de la gchette

travers une impulsion qui permet de le mettre en conduction.

Aprs cela, il fonctionne comme une diode.

Comportement dynamique dun thyristor


Le blocage du thyristor se fait de faon spontane comme

celui dune diode en inversant la tension ses bornes.



Triacs

Le triac est un interrupteur bidirectionnel command qui trois

bornes. Il fonctionne comme un thyristor mais la seule

diffrence quil est lquivalent de deux thyristors monts tte

bche (en opposition) et une seule impulsion de gchette

permet son amorage pour les deux alternances (positive et

ngative).

Montages redresseurs

Redressement non command

Dans ce type de montage ce sont des diodes de redressement qui

sont utilises.



Redressement mono alternance non command (une diode)

Le circuit aliment par une source de tension alternative sinusodale

de valeur instantane dbitant un courant dans

une charge rsistive R . tEte sin2



Analyse du fonctionnement

1er cas: alternance positive de la tension dentre

La diode D est passante UD = 0 et la tension ses bornes est nulle

et UR = e.

2eme cas: alternance ngative de la tension dentre

La diode D est bloque UD = e et UR = 0 .



Quand la tension dentre est ngative, la diode est bloque et le

courant dans la charge est nul. Ds que la tension devient positive, la

diode se met conduire.

Expressions des moyenne et efficace de la tension de sortie

M

RMoy

EU

2

MREff

EU

00

cos2

sin22

1 MRMoy

EdEU

42

2sin

42

2cos1

2

cos12

sin22

1

2

0

2

0

2

0

22

2

0

22

MMM

MREff

EEd

E

dE

dEU



Facteur de forme

2

2

M

M

Rmoy

REff

E

E

U

UF

Redressement mono alternance command (un thyristor)



Le circuit aliment par une source de tension alternative sinusodale

de valeur instantane dbitant un courant dans une

charge rsistive R .

tEte sin2

En plus, un gnrateur dimpulsion synchronis par la tension

dalimentation permet de rendre passant le thyristor avec un retard

t0 identique chaque priode.



Entre 0 et linstant (t0) qui correspond linstant damorage du

thyristor, le thyristor Th est bloqu et UTh = e(t). La tension aux

bornes de la charge est nulle.

2eme cas: alternance positive de la tension dentre

Entre linstant (t0) linstant (T/2) qui correspond la demi priode, le

thyristor Th est passant donc la tension ses bornes UTh = 0 et la

tension aux bornes de la charge est UR = e(t).




Entre linstant (T/2) et linstant (T) qui correspond la fin de la

priode, le thyristor Th est bloqu donc la tension ses bornes

UTh = e(t) et la tension aux bornes de la charge est UR = 0.



Quand la tension dentre est ngative, le thyristor est bloqu et le

courant dans la charge est nul. Pendant lalternance positive entre

linstant (t0,T/2), le thyristor se met conduire.

Daprs les allures des signaux, on peut calculer la valeur moyenne et

la valeur efficace de la tension redresse:

0cos12

cos2

sin2

10

0

MMMRmoy

EEdEU

2

2sin1

2

sin2

1

00

222

0

MREff

MREff

EU

dEU



Redressement double alternance non command

Dans cette partie du cours, nous allons nous intresser au pont de

Gratz qui est un des montages les plus utiliss.

Facteur de forme

2

2sin1

cos1

00

0RMoy

REff

U

UF




On suppose que la charge est une rsistance R .


Les diodes D1 et D3 conduisent tandis que les diodes D2 et D4 sont

bloques et v = u.


Les diodes D2 et D4 conduisent tandis que les diodes D1 et D3 sont

bloques et v = -u.

Application: alimentation continue alimente par le secteur

Le circuit se compose dun transformateur monophas suivi dun pont

de Gratz monophas non command.



Le transformateur utilis est suppos parfait: u2 = m u1



Allures des signaux



La valeur moyenne de la tension de la charge rsistive est note:

M

moy

Uv

2

Apport du condensateur de dcouplage

On ajoute un condensateur de forte capacit aux bornes de la

charge rsistive:

Le condensateur de dcouplage permet de

filtrer la tension aux bornes de la charge

rsistive.



Pour un bon filtrage, il faut choisir la valeur de C de faon ce

que RC >> T et le taux dondulation est:

RCfV

v

M 2

1



Redresseur command: pont mixte symtrique

La charge est un moteur courant continu suppos constant:

Le circuit de commande des thyristors permet de rgler langle

damorage



Allures des signaux


1er cas: linstant , on amorce

Th1 donc Th1 et D2 conduisent.

t



2eme cas: aprs linstant , la tension dentre u devient

ngative. D2 se bloque et D1 conduit (Cest la phase de roue libre).

t

3eme cas: linstant , on amorce Th2. Th2 et D1

conduisent.

t



4eme cas: linstant , la deuxime phase de roue libre. 2t



Onduleur de tension monophas deux interrupteurs

E est une source de tension continue, rversible en courant. K1

et K2 sont deux interrupteurs lectroniques, commands de manire

priodique:

0 < t < T/2 : K1 est ferm et K2 reste ouvert. On a: uc = +E

T/2 < t < T : K1 est ouvert et K2 est ferm. On a: uc = -E

La tension uc et le courant ic sont alternatifs.



Allure de la tension uc

La frquence : f = 1/T = 50

La valeur efficace de la tension aux borne de la charge est :

2

2)(

moyCeff

CmoyCeff

EU

tUU

EUCeff



Etude du fonctionnement

Les interrupteurs lectroniques Ki doivent tre commandables

la fermeture, commandables louverture et bidirectionnels en

courants (car courant alternatif).

Pour cela, on utilise deux lments en parallle:

Cest la diode antiparallle Di qui rend linterrupteur Ki

bidirectionnel en courant.



Hi est souvent un transistor bipolaire.

1ere phase:

uc = +E, D1 conduit : iD1(t) = - ic (t)

2eme phase:

uc = +E, T1 conduit : iT1(t) = ic (t)



3eme phase:

uc = -E, D2 conduit : iD2(t) = ic (t)

4eme phase:

uc = -E, T2 conduit : iT2(t) = - ic (t)

Allures des signaux



Onduleur de tension monophas en pont ( commande symtrique)

0 < t < T/2 : K1 et K3 sont ferms et uc = +E

T/2 < t < T : K2 et K4 sont ferms et uc = -E



Allures de la tension aux bornes de la charge

La frquence est: f = 1/T = 50 Hz

La valeur efficace de la tension aux bornes de la charge est:

EUCeff



Etude du fonctionnement

1ere phase:

uc = +E, D1 et D3 conduisent: iD1(t) = iD3 (t) = -ic(t)

2eme phase:

uc = +E, T1 et T3 conduisent: iT1(t) = iT3 (t) = ic(t)



3ere phase:

uc = -E, D2 et D4 conduisent:

iD2(t) = iD4 (t) = ic(t)

4eme phase:

uc = -E, T2 et T4 conduisent:

iT2(t) = iT4 (t) = -ic(t)

Allures des signaux



Introduction

Le procd le plus simple pour transformer une tension

continue de valeur fixe en tension continue rglable est le montage

en potentiomtre.

Malheureusement, ce montage ne permet pas de commander

un moteur courant continu pour des raisons de faible puissance et

de mauvais rendement cest pourquoi on fait appel un systme

lectronique que lon appelle hacheur ou dcoupeur.

Le hacheur (H) est un interrupteur que lon place en srie ou

parallle avec la charge.

Suivant le mode de branchement utilis, il permet de

fonctionner soit comme abaisseur de tension (montage srie), soit

comme lvateur de tension (montage parallle).



Alimentation dune rsistance

Etude de fonctionnement

1re phase: On se permet de fermer linterrupteur pendant 0 t T

U = E

2me phase: On se permet douvrir linterrupteur pendant T t T

U = 0



De ce fait, nous pouvons dterminer la valeur moyenne de la tension

aux bornes de la charge :

T T

T

T

moy ETT

Edt

TEdt

Tdttu

Tu

000

11)(

1

Eumoy

est appel rapport cyclique. 10



Alimentation continue dun rcepteur avec f.c..m.

Comme pour ltude du redressement partir dune tension

alternative , le fonctionnement dun hacheur peut tre soit continu

(ininterrompu) au cours dune demi priode ou soit discontinu .

Dans la pratique comme pour lalimentation avec redresseur, il

est toujours souhaitable que la conduction soit continue. Pour

arriver ce rsultat, avec des dbits importants, on est amen ,

comme pour les montages redresseur, brancher en srie avec le

rcepteur une inductance de lissage.

Nous supposons que les donnes permettent que le

fonctionnement soit continu en tension. Dans ces conditions la valeur

de la tension de charge volue entre une limite maximale et une limite

minimale.

H

E

D

uc

ic

U

iDRL

iH

L

R


Hacheur srie alimentant un rcepteur avec f.c..m.



uc = U


uc = E

uc

U

.T T

ic

iH

iDRL

icmax

icmax

icmin

icmin

t

Ondulation

I = icmax-icmin


E

uc

U

.T T

ic

iH

iDRL

icmax

icmax

icmin

icmin

Hferm t


E

uc

U

.T T

ic

iH

iDRL

icmax

icmax

icmin

icmin

Hferm Houvert t


E



Si uc dsigne la tension la tension aux bornes de la charge, on

a la relation suivante:

Comme la conduction est continue, quand le rgime

permanent est atteint, lintensit dans la charge a forcment la mme

valeur maximale, au dbut et la fin dune mme demi priode.

Edt

diLRiuc

ERiERiu

dtEdiLidtRT

u

moymoycmoy

TIT

cmoy

M

0

1

0Im0



Hacheur parallle

Etant donn un gnrateur courant continu de fm. E. Nous

allons montrer que grce au montage du hacheur parallle, il est

possible dlever cette tension afin de faire dbiter ce gnrateur

dans une charge continue.

U uH

ic

uc

iL

iH



Le montage comporte un transistor branch en parallle, une

diode et une inductance suffisamment leve pour que le courant

dbit par le gnrateur puisse tre considr comme sensiblement

constant.



uH = 0


uH = U

Nous supposons que les lments du montage permettent que

la conduction soit continue et comme pour le hacheur srie, nous

aurons deux phases possibles.

chronogrammes

Hferm Houvert

commande

t

.T T

uc

uH

ic,iL,iH


chronogrammes

Hferm Houvert

command

e t

.T T

uc

uH

ic,iL,iH




Le hacheur tant ouvert, le gnrateur est en communication

directe avec la charge. Lnergie lectromagntique accumule par

linductance sajoute lnergie fournie par le gnrateur pour

dlivrer le courant dans la charge.

Daprs la loi des mailles, on a :

dt

diLuuu

dt

diLu cc

mMcc IILTTuuLdidtuu

Conversion alternatif - alternatif

GRADATEUR

PRINCIPE

Les gradateurs sont des convertisseurs statiques qui assurent

une modulation dnergie alternative fixe alternative variable

A laide dun interrupteur lectronique on hache la tension pour

laisser passer :

- Soit une partie des alternances

- Soit une partie des priodes sur un cycle de n priodes


GRADATEUR

STRUCTURE

Les interrupteurs sont

composs de :

TRIAC THYRISTOR


GRADATEUR

STRUCTURE

INTERRUPTEUR LECTRONIQUE

Dans le cas de ce montage, on constate

que le courant doit pouvoir passer dans les

deux sens dans l'interrupteur.

La solution consiste mettre en parallle 2

thyristors tte-bche. Chacun des 2

thyristors conduira tour de rle en

fonction des polarits du rseau.

La technologie a mis au point un dispositif

qui intgre les 2 thyristors dans le mme

botier avec une seule lectrode de

commande, ce dispositif est appel TRIAC.


2 TYPES DE FONCTIONNEMENT

GRADATEUR A ANGLE DE

PHASE GRADATEUR A TRAIN

DONDE

DOMAINE D APPLICATION

-Moteurs asynchrone

-clairage

-Electrothermie ( fours)

DOMAINE D APPLICATION


GRADATEUR A ANGLE DE PHASE

Les impulsions de commande

provoquent la conduction des thyristors. Le

blocage interviendra naturellement en fin

d'alternance par annulation du courant.

On peut faire varier le temps de

conduction des thyristors, et par suite la valeur

de la tension efficace aux bornes de la charge.

Ce type de gradateur gnre une

tension qui comporte des fronts de monte. Une

telle forme de tension comporte des

harmoniques de rang lev (hautes frquences)

qui peuvent "polluer" le rseau et perturber les

rceptions radio et TV .

Il est donc impratif d'interposer entre le rseau

et le gradateur un filtre. Ce type de gradateur est

rserv aux puissances faibles et moyennes

(jusqu' 10 kVA environ).


Gradateur train dondes.

Utilis surtout en lectrothermie.


On choisit un cycle comportant un certain nombre de priodes. La commande

se fait au zro de tension. On laissera passer plus ou moins de priodes entires par

cycle.

Ce type de commande prsente l'avantage de ne pas gnrer de parasites

puisque l'amorage se fait prs du 0 de tension.

Ce type de rglage sapplique pour les rcepteurs forte inertie (four

industriels rsistance).

Gradateur train

dondes.



Permet le rglage de lnergie par train donde entires

= t1/ T

T

t1

Rapport

cyclique

Temps

de

conducti

on du

triac

Priode

du

gradateu

r train

donde

Pmoy =



Permet le rglage de lnergie par train donde entires

= t1/ T

T

t1

Rapport

cyclique

Temps

de

conducti

on du

triac

Priode

du

gradateu

r train

donde

Pmoy = Pmax .


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