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DC8 - E2 - Convertisseurs statiques et Variation de vitesse des MCC

CPGE ATS Lycée Eiffel Dijon Aublin / Dufour sur 19

SCIENCES INDUSTRIELLES POUR L’INGÉNIEUR

DC8 : Caractériser la conversion et la modulation d 'énergie

CONVERTISSEURS STATIQUES ET VARIATION DE VITESSE DES MCC

Objectifs et Compétences

• Comprendre la réversibilité de la chaîne d'énergie

• Modulation d'énergie pour MCC, variation de vitesse • Modéliser l'association convertisseur statique -convertisseur d'énergie

Savoirs Je connais:

• Modéliser une non-réversibilité dans une chaîne d’énergie

• Choisir un convertisseur statique en fonction des transferts énergétiques souhaités Savoir Faire Je sais faire:

• Dimensionner les constituants de la chaîne d’énergie • Identifier les pertes d’énergie dans un convertisseur statique d’énergie

Sommaire

I. LES CONVERTISSEURS STATIQUES ...................... ........................................ 2

II. LES INTERRUPTEURS STATIQUES : ..................... .......................................... 3

II.1. LA DIODE : ........................................................................................................................................................... 4

II.2. LE THYRISTOR : ................................................................................................................................................... 5

II.3. LE TRANSISTOR BIPOLAIRE : ................................................................................................................................. 5

II.4. LE TRIAC : ........................................................................................................................................................... 6

II.5. THYRISTORS GTO : ............................................................................................................................................. 6

II.6. TRANSISTORS MOS : ........................................................................................................................................... 7

II.7. TRANSISTORS IGBT : ( INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR =TRANSISTOR BIPOLAIRE À GRILLE ISOLÉE), ........... 7

II.8. COMPARAISON RAPIDE : ....................................................................................................................................... 7

III. LES REDRESSEURS : ................................. ...................................................... 8

III.1. PONT À DIODES PD2 : .......................................................................................................................................... 8

III.2. PONT MIXTE MONOPHASÉ : ................................................................................................................................... 9

III.3. PONT COMPLET MONOPHASÉ : ............................................................................................................................ 10

III.4. DOUBLE PONT COMPLET À THYRISTORS : ............................................................................................................ 11

III.5. FACTEUR DE FORME ET ONDULATION DE COURANT: ............................................................................................. 11

III.6. EXEMPLE D'ASSERVISSEMENT DE VITESSE : ........................................................................................................ 11

IV. LES HACHEURS : .................................... ........................................................ 13

IV.1. HACHEUR SÉRIE : .............................................................................................................................................. 13

IV.2. HACHEUR SÉRIE-PARALLÈLE: ............................................................................................................................. 15

IV.3. HACHEUR PONT EN H : ....................................................................................................................................... 16

V. GENERATION DES SIGNAUX DE COMMANDE : .............. ............................. 16

VI. PROTECTION DES INTERRUPTEURS STATIQUES ...................................... 17

VI.1. LE I²T OU CONTRAINTE THERMIQUE DE L’INTERRUPTEUR STATIQUE : ..................................................................... 17

VI.2. REFROIDISSEMENT DES INTERRUPTEURS STATIQUES : ......................................................................................... 17



I. LES CONVERTISSEURS STATIQUES L’éventail des convertisseurs permettant, dans la pratique, la transformation d’énergies diverses pour obtenir de l’énergie électrique est peu étendu, surtout dans le domaine des fortes puissances. On trouve principalement l’énergie sous forme - continue : batteries d’accumulateurs, génératrices continues - alternative : alternateurs synchrones à fréquence fixe ( 50 Hz en Europe ). Or, de nombreux dispositifs nécessitent l’utilisation de l’énergie électrique sous des formes plus diverses : - tension variable en continu ou alternatif; - fréquence variable en alternatif. Exemple : Transport ferroviaire : En traction urbaine ( trolleybus, tramways, métros ) les matériels sont en général alimentés sous une tension continue de 600 ou 750V. Mais en grande traction, les réseaux sont variés :continu 1500V aux Pays-Bas; continu 3000V en Belgique, Italie, Espagne; monophasé alternatif 25kV 50Hz ( réseau SNCF ); monophasé alternatif 15kV 16,6Hz (Allemagne, Suisse, Autriche ). Lorsque les matériels sont destinés à rouler sur plusieurs réseaux, cette diversité oblige à les concevoir en conséquence. Ainsi en France, tous les matériels SNCF récents ( TGV et motrices ) sont bicourants pour pouvoir circuler sur l’ensemble du réseau. Les TGV-SE qui passent en Suisse sont tricourants. Le TGV TransManche est tricourant pour circuler en France (25kV 50Hz), en Belgique(3000V cont) et en Angleterre (750Vcont). Cette nécessité de pouvoir fonctionner avec différentes énergies représente une contrainte importante pour le concepteur qui doit rechercher le meilleur compromis entre coût, masse et encombrement.

D’où la nécessité de convertisseurs d’énergie électrique. Il existe de nombreuses machines permettant d’apporter des solutions électromécaniques : groupes convertisseurs, commutatrices,... L’utilisation de convertisseurs statiques est la solution adoptée et est en plein essor grâce aux énormes progrès dans le domaine des composants électroniques et de leur utilisation ( diodes, thyristors, triacs et transistors ), permettant une réduction de masse et d'encombrement. Le rendement est très supérieur à celui obtenu avec des convertisseurs électromécaniques. Exemples de domaines d’utilisation des convertisseurs statiques : - chargeurs de batterie et alimentations sans coupure - variateurs de vitesse pour machines asynchrones et synchrones - variateurs de vitesse pour machines à courant continu - alimentations à découpage......

On différencie quatre types de convertisseurs : - Convertisseur alternatif-continu : redresseur ; - Convertisseur continu-continu : hacheur ; - Convertisseur continu-alternatif : onduleur ; - Convertisseur alternatif-alternatif : c'est un gradateur lorsque seule la valeur efficace de la tension alternative est modifiée, sinon c'est un cycloconvertisseur.



L’avantage de la variation électronique de vitesse est sa grande souplesse d’exploitation par rapport à un variateur de vitesse mécanique ( transmission directe par poulies et courroies, ou indirecte par friction ). En effet, il est facile d’intervenir sur les paramètres de régulation de vitesse et de courant. Il faut discerner : - la variation de vitesse, - la régulation de vitesse. Un variateur possède une commande ( consigne d’entrée ) mais pas de retour d’information de vitesse. Le système est donc en boucle ouverte. La vitesse peut évoluer en fonction des perturbations ( quand la charge est variable par exemple ). Un régulateur est un système asservi et la vitesse est asservie à la consigne. On est donc en boucle fermée.

II. LES INTERRUPTEURS STATIQUES : Le principe des convertisseurs consiste à faire commuter des courants entre mailles adjacentes, ce qui nécessite l'emploi de composants permettant de réaliser la fonction interrupteur.

Pour l'interrupteur fermé : U=0 et I≠0 donc P = 0 Pour l'interrupteur ouvert : I = 0 et U≠0 donc P = 0

Globalement, les pertes dans le composant seront donc nulles. C'est ce qui est très intéressant et a conduit à l'essor de ce type de composants. Nous utiliserons donc ces composants comme interrupteurs. On distinguera les actions (blocage ou amorçage) commandées (grâce à un signal électrique extérieur) des actions spontanées (suite à l'annulation ou au changement de signe d'une tension ou d'un courant par exemple). La diode est , par exemple, un composant à action spontanée. La catégorie des interrupteurs commandables inclut de nombreux types de composants :

• Transistors Bipolaires à Jonctions (Bipolar Junction Transistors - BJTs) ;

• Transistors à effet de champ Metal-Oxyde-Semiconducteur (MOSFETs) ;

• Thyristors commandés à l'ouverture (Gate-Turn-Off Thyristors - GTO Thyristors) ;

• Transistors bipolaires à grille isolée (Insulated Gate Bipolar Transistors - IGBTs)

•

• Thyristors MOS Commandés (MOS-Controlled Thyristors - MCTs). Le choix de l'un ou l'autre de ces interrupteurs électroniques dépend de la gamme de puissance nécessaire ainsi que de la fréquence de commutation nécessaire.



II.1. La diode : Il s'agit d'un composant à amorçage et blocage spontanés. Ce sont des éléments extérieurs ( source et charge) qui vont déterminer son état. Dans la pratique, pour expliquer le fonctionnement des convertisseurs statiques, nous travaillerons à partir d'une caractéristique idéalisée, sur laquelle on néglige la tension de seuil et la résistance dynamique, et nous supposerons que le diode n'est jamais polarisée en inverse au delà de VRRM. La caractéristique statique idéalisée est alors donnée par les courbes suivantes.



II.2. Le thyristor : Il s'agit d'un interrupteur commandé à l'amorçage mais à blocage naturel (quand le courant s'annule à ses bornes). La conduction est provoquée par l'envoi d'un courant sur une des entrées du composant appelée gâchette. Il est notamment utilisé dans les redresseurs commandés et les gradateurs. Le schéma et la caractéristique statique de ce composant sont les suivants :

Si le thyristor est bloqué en étant polarisé en direct (VAK>0), l'envoi, dans la gâchette, d'un courant iG adapté au composant, permet de déclencher le conduction (la tension VAK devient faible et le courant augmente en fonction des exigences de l'extérieur). Si le courant se met à décroître et s'annule, alors, le composant se bloque et il sera nécessaire d'appliquer une autre impulsion sur la gâchette, à un moment où VAK est positif pour que le thyristor conduise à nouveau. Il faut noter que, pour que le blocage soit effectif, il faut que le composant reste polarisé en inverse suffisamment longtemps, sinon, le thyristor se réamorce spontanément. Ce temps minimum, appelé tq est un facteur limitant, lorsque l'on veut réaliser des commutations à haute fréquence. On peut définir une caractéristique statique idéalisée

II.3. Le transistor bipolaire : Il s'agit d'interrupteurs commandés à l'amorçage et au blocage. On les trouve notamment dans les hacheurs. La mise en conduction et le blocage sont commandés par l'intermédiaire du courant de base. On utilise essentiellement des transistors NPN. Lorsqu'on l'utilise en commutation et qu’il est passant, le transistor fonctionne dans la zone de saturation.



Lorsque Ib est nul, le courant d'émetteur reste nul. En revanche, pour un courant de base Ib positif, on fait en sorte que le transistor fonctionne en zone saturée (cela dépend du courant que l'on cherche à imposer). Alors, la tension aux bornes de l'interrupteur est faible, ce qui est compatible avec ce type de fonctionnement ( Vce = 0,2V ) Pour simplifier, on utilise souvent une caractéristique statique idéalisée.

II.4. Le triac : Nous avons déjà étudié le fonctionnement d'un thyristor ( fermeture commandée par impulsion sur la gâchette et ouverture naturelle )

Le triac (TRIode for Alternative Current) est un semiconducteur de puissance conçu pour fonctionner en interrupteur commandé sur un réseau alternatif. Suivant le signe de VA1A2 et de IG, c'est l'un ou l'autre des deux thyristors équivalents tête-bêche qui sera passant. Applications du triac : contacteur statique ;circuit de démarrage de moteurs alternatifs ; variateurs de puissance (gradateurs de lumière ou variateurs simples de vitesse )

II.5. Thyristors GTO :

Comme le thyristor, le GTO peut être commandé de l'état off à l'état on par une impulsion de courant brève appliquée sur la gâchette. Le GTO peut en plus être commandé de l'état on à l'état off par application d'une tension Gâchette-Cathode négative, créant un fort courant négatif de gâchette. Ce fort courant négatif de gâchette doit seulement être maintenu pendant quelques microsecondes (durant le temps de commutation on-off). La chute de tension à l'état on (2 à 3V) aux bornes d'un GTO est supérieure à un thyristor classique. Les temps de commutation pour un GTO sont de l'ordre de quelques microsecondes. De par leur capacité à supporter des tensions importantes (supérieures à 4,5kV) et de forts courants (supérieurs à plusieurs kA), les GTOs sont utilisés dans les applications de très forte puissance à des fréquences allant de quelques centaines de Hz à 10kHz.



II.6. Transistors MOS :

Suivant le signe de VGS, le courant Id va pouvoir passer ( interrupteur fermé ) ou pas ( interrupteur ouvert ).

Pour VDS ≥ 0 : - si VGS ≤ 0, pas de courant qui circule entre drain et source car la jonction PN entre la zone N de drain et la zone P est polarisée en inverse donc ID = 0; - si VGS > 0, création du canal N induit à la surface de la zone P, ce canal relie le drain `a la source donc ID > 0.

Ces transistors se commandent en tension et permettent une fréquence de commutation élevée. Mais les pertes sont importantes car à l'état passant, le MOS est équivalent à une résistance RDSon.

II.7. Transistors IGBT : ( Insulated Gate Bipolar Transistor =Transistor b ipolaire à grille isolée),

L’IGBT combine les avantages du transistor bipolaire et du MOSFET :

• bipolaire → faibles pertes en conduction mais temps de commutation élevé ;

• MOSFET → temps de commutation faible mais pertes en conduction

plus élevées,

II.8. Comparaison rapide : Composant Puissance d'utilisation Rapidité de commutation BJT Moyen Moyen MOSFET Faible Rapide GTO Fort Lent IGBT Moyen Moyen MCT Moyen Moyen



Actuellement, le convertisseur statique le plus employé ( notamment dans les variateurs de vitesse ) est le transistor IGBT, qui combine les avantages du MOS en entrée ( commande en tension ) et du transistor bipolaire en sortie ( VCEsat presque nul ) et permet des plages d’utilisation en puissance et en fréquence élevées.

III. LES REDRESSEURS :

Le redresseur peut être de deux types : - non-commandé ( utilisation de diodes ) - commandé ( utilisation de thyristors ) L'alimentation peut être de type monophasée ou triphasée, on a alors soit 4 soit 6 interrupteurs statiques dans le redresseur.

III.1. Pont à diodes PD2 : On suppose que le courant dans la charge ( par exemple une MCC ) est parfaitement continu et noté I. Calculons la valeur moyenne en sortie du pont :

Cette valeur n'est pas modifiable, si on veut par exemple faire varier la vitesse du moteur, il faudra placer un second convertisseur statique ( de type continu-continu ) entre le pont redresseur et le moteur.



III.2. Pont mixte monophasé : On suppose que le courant dans la charge ( par exemple une MCC ) est parfaitement continu et noté I.

Calculons la valeur moyenne en sortie du pont :

On retrouve un fonctionnement dans un seul quadrant. Ceci convient si la charge n’est pas entraînante et s’il n’est pas nécessaire de contrôler la décélération de la charge. Dans le cas plus réel où le courant d'induit présente une ondulation, on obtient les courbes suivantes :

Si de plus, l'inductance de l'induit a une valeur trop faible pour assurer une conduction continue, on a alors des phases où le courant est nul, on parle alors de conduction discontinue. Quand I=0 on a alors U=E+RI=E



III.3. Pont complet monophasé : On suppose que le courant dans la charge ( par exemple une MCC ) est parfaitement continu et noté I.

On obtient les courbes suivantes :

Calculons la valeur moyenne en sortie du pont :

On peut donc travailler dans deux quadrants avec ce type de pont redresseur. Remarque : Il est toujours possible de fonctionner dans les autres quadrants , notamment dans les phases de freinage, en inversant les bornes de l'induit par l'intermédiaire de contacteurs par exemple ( mais le temps de commutation est de l'ordre de 100ms ). On peut alors renvoyer de l'énergie vesr le réseau.



III.4. Double pont complet à thyristors : Les deux ponts complets sont reliés tête-bêche d’où un fonctionnement possible dans les 4 quadrants. On peut donc inverser le couple très rapidement.

Attention : les deux ponts ne doivent pas être commandés en même temps ( risque de court-circuit ). La commande des deux ponts de puissance est associée à une logique de réversibilité qui assure la validation de la commande d’un seul des deux ponts selon le quadrant de fonctionnement désiré.

III.5. Facteur de forme et ondulation de courant:

facteur de forme : FIeff

oy=

Im avec I courant d’induit

Imoy produit le couple Ieff produit l’échauffement Imax affecte la commutation du moteur F dépend du type de redressement : Si le courant est parfaitement lissé : F = 1. Si le courant est ondulé : F > 1

En conduction continue : ∆IkU

Lf≅

donc pour diminuer l’ondulation de courant à vitesse donnée : il faut augmenter L en ajoutant une inductance de lissage en série avec l'induit.

III.6. Exemple d'asservissement de vitesse :



3-7 Ponts redresseurs triphasés :



IV. Les hacheurs : Les hacheurs de faible puissance seront réalisés avec des transistors, ceux pour la forte puissance ( MW ) avec des thyristors ( si f faible car temps de désamorçage non-négligeable ). Le dispositif hacheur comporte un interrupteur électronique unidirectionnel commandé ( transistor ou thyristor ), à fonctionnement périodique en commutation. Il « hache » le courant dans la charge. On découpe un signal continu en fonction d’un signal dont le rapport cyclique varie. Le hacheur permet d’obtenir une tension de valeur moyenne variable. La fréquence de travail est de quelques kHz. Ainsi le courant d’induit est peu ondulé et on n’a pas besoin d’ajouter d’inductance de lissage.

IV.1. Hacheur série :

On peut obtenir U à partir d’une batterie ( conversion directe ) ou bien à partir du réseau redressé non-contrôlé et filtré ( conversion indirecte ).

On définit le rapport cyclique T

ton=α .

Calculons la valeur moyenne en sortie du hacheur : Le hacheur série permet donc de travailler dans un seul quadrant.



Calculons Imin , Imax et l'ondulation de courant .I∆

De même que pour le redresseur, on peut avoir une condition discontinue sur une charge de type MCC.

Pour diminuer l'ondulation de courant, il faut augmenter la fréquence de commutation de l'interrupteur.



IV.2. Hacheur série-parallèle:

Le hacheur série est constitué de la diode D1 et de l’interrupteur I1. Le hacheur parallèle est constitué de la diode D2 et de l’interrupteur I2. La machine fonctionne en moteur lorsqu’elle est alimentée par le hacheur série (D2 reste toujours bloquée car U > Ud et I2 est maintenu ouvert). La machine fonctionne en génératrice (phase de freinage) et alimente la source U ( batterie par exemple ) lorsque le hacheur parallèle est utilisé (D1 est toujours bloquée car lorsque I2 est fermé VD1<0 et lorsque I2 est ouvert D2 est passante; I1 est maintenu ouvert). En phase moteur : En phase de freinage : On obtient ainsi un fonctionnement dans deux quadrants.



IV.3. Hacheur pont en H : Ce type de hacheur permet de fonctionner dans les 4 quadrants.

Cette structure est très utilisée actuellement : en effet , en modifiant la loi de commande des interrupteurs statiques, on peut aussi créer un onduleur comme nous le verrons plus tard à partir de ce même schéma.

V. GENERATION DES SIGNAUX DE COMMANDE : Pour commander correctement et choisir le rapport cyclique , on utilise le principe suivant : Un générateur de rampe de période T est comparé à une tension continue de référence variable. Leur intersection détermine la durée du rapport cyclique.

Dans le cas des thyristors, c'est à peu près la même chose , les rampes sont synchronisées sur la fréquence réseau et l'intersection des courbes définit les instants où un courant est envoyé sur la gâchette.



VI. PROTECTION DES INTERRUPTEURS STATIQUES Nous venons de nous intéresser à la partie "Silicium" des interrupteurs. Cependant, la fonction interrupteur est beaucoup plus complexe. En effet, elle regroupe le composant lui même, mais aussi la commande, les dispositifs de protection et de dissipation (indispensables à cause des pertes, surtout à fréquence élevée).

VI.1. Le I²t ou contrainte thermique de l’interrupt eur statique : C’est une valeur en A²s définissant la contrainte thermique de l’interrupteur statique. Si cette valeur est dépassée, le composant se détériore. Afin de protéger l’interrupteur statique ( exemple :triac ) notamment en cas de court-circuit, il est nécessaire d’utiliser un fusible ultra-rapide ayant un I²t inférieur à celui du composant : ainsi c’est bien le fusible qui fondra en premier.

VI.2. Refroidissement des interrupteurs statiques : Pourquoi un dissipateur thermique ? Les semi-conducteurs ont une température de jonction maximale qui est liée au matériau utilisé. Si la température augmente trop, les caractéristiques du composant changent et sa durée de vie diminue. Il est donc nécessaire de refroidir les semi-conducteurs. On utilise donc un dissipateur thermique souvent appelé radiateur.



Dimensionnement d’un radiateur : Il est important d’avoir une estimation des pertes dans le semi-conducteur ( au niveau de la jonction ) pour dimensionner correctement le dissipateur thermique, qui permettra d'évacuer l'énergie à l'extérieur du composant pour que sa température n'augmente pas trop. L'évacuation des pertes s'effectue par conduction, par convection et par rayonnement.

modèle thermique : ∆T = Rth.P avec P puissance transférée et Rth en °C/W On définit : Rth : résistance thermique Rthjc : résistance thermique jonction-boitier ( case en anglais ) qui ne dépend que du composant Rthcr : résistance thermique boitier-radiateur qui dépend du mode de fixation sur le radiateur ( peut être diminuée par utilisation de graisse aux silicones ) Rthra : résistance thermique radiateur-ambiant qui dépend de la forme du radiateur, du type de convection ( naturelle ou forcée )…

Le composant supporte une température de jonction maximale donc on peut déterminer :∆T maximum

Puis en appliquant : ∆T = ΣRth.P on trouve la résistance thermique globale maximale

Puis en utilisant : ΣRth = Rthjc + Rthcr + Rthra on trouve la résistance thermique maximale du radiateur. On choisit ensuite le radiateur dans un catalogue.



Quand on choisit un interrupteur statique, plusieurs critères sont donc à prendre en compte :

• son type ( lié à la puissance, à la fréquence de commutation nécessaire, à la commande disponible )

• critères électriques : courant moyen ( dépend de la charge ) et tension inverse ( lié au réseau )

• estimation des pertes : résistance dynamique, tension de seuil, tension à l'état passant…

• critères thermiques : Rth, température de jonction maximale pour dimensionner le radiateur.

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