Structures, fonctions de base, principales applications...

Guy SguierPhilippe DelarueFrancis Labrique

mathmatiques

physique

chimie

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informatique

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sciences de la terre

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lectronique de puissance

Structures, fonctions de base, principales applications

9e dition

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Guy Sguier

professeur mrite de luniversit des sciences et technologies de lille.

Philippe Delarue

matre de confrences luniversit des sciences et technologies de lille.

Francis Labrique

professeur luniversit catholique de louvain.

sciences sup

) master ) coles dingnieurs

Cours et exercices corrigs

9e

9e dition

Guy Sguier Philippe Delarue Francis Labrique

lectronique de puissanceStructures, fonctions de base, principales applications

Llectronique de puissance est la branche de la physique appli-que qui traite de lutilisation des semi-conducteurs de puissance pour modifier la prsentation de lnergie lectrique.

Cet ouvrage donne une dfinition de llectronique de puissance, de son vocabulaire, de ses mthodes de calcul et de raison-nement. Les principaux types de convertisseurs, redresseurs, gradateurs, hacheurs et ondulateurs autonomes, font lobjet dune tude quantitative, les diverses structures tant compares et les applications prcises.

Rgulirement remis jour au cours des ditions successives, ce livre reste irremplaable pour les tudiants (Master et coles dingnieurs) et les praticiens. Cette nouvelle dition tient compte des volutions des composants lectroniques depuis la dernire dition (nouvelles valeurs numriques, nouveaux composants) et les exercices de fin de chapitre ont t renouvels.

6929038ISBN 978-2-10-056701-0

Chapitre 1

Introduction

Entre llectrotechnique et llectronique sest dveloppe, au cours de ladeuxime moiti du 20e sicle, une nouvelle technique, llectronique de puis-sance, parfois appele ses dbuts llectronique des courants forts.

La mise au point de semiconducteurs, diodes, thyristors et transistors ausilicium, permettant le contrle de courants et de tensions importants a donnun essor considrable cette nouvelle technique, au point den faire aujour-dhui une des disciplines de base du gnie lectrique.

Avant daborder ltude de llectronique de puissance, il importe dendgager la principale caractristique, de montrer les particularits qui en rsul-tent et de situer le domaine de ses applications.

1.1. LLECTRONIQUE DE PUISSANCE NE PEUT TREQU'UNE LECTRONIQUE DE COMMUTATION

Le domaine de llectronique concerne toutes les applications lies lutili-sation des composants actifs , semi-conducteurs ou tubes vive.

Llectronique analogique permet de gnrer ou de traiter une grandeur lec-trique, courant ou tension, dont les caractristiques (amplitude, phase, fr-quence...) sont porteuses dune information.

9782100567010-seguier-C01.qxd 7/06/11 13:17 Page 1

2 1 Introduction

Elle utilise les composants dans leur zone de fonctionnement linaire enmodulant leur chute de tension. Cette chute de tension est lorigine de pertesimportantes fournies par une alimentation auxiliaire.

Llectronique numrique, qui a permis lessor de linformatique, est, commela prcdente, une lectronique du signal. Elle utilise des composants semi-conducteurs pour raliser la fonction interrupteur ; elle traite des grandeurslectriques deux niveaux (gnralement zro et la tension dalimentation) cor-respondant aux deux tats dune variable boolenne ; linformation est code enbinaire. Le grand nombre de composants utiliss, les tensions et les courantsrsiduels ainsi que les frquences de commutation leves sont ici encore lori-gine de pertes fournies par une alimentation auxiliaire.

Llectronique de puissance permet la conversion statique de lnergie lectriqueentre une source et un rcepteur qui nont pas des caractristiques adaptes. Parexemple, lorsquon dsire alimenter les moteurs synchrones triphass de trac-tion dun mtro partir du rail aliment en continu, on doit convertir la tensioncontinue du rail en un systme triphas de tensions alternatives damplitude etde frquence variables. Cette modification est assure par un convertisseur sta-tique.

Comme les puissances en jeu peuvent tre importantes, la notion de rende-ment est essentielle car plus les pertes sont grandes plus elles sont difficiles vacuer et plus elles sont onreuses. Pour limiter les pertes il faut travailler encommutation : le composant de base est le semi-conducteur travaillant en commuta-tion.

Statiquement, le semi-conducteur de puissance joue un rle analogue celui dun interrupteur mcanique : ferm ou passant, il laisse passer le courant en provoquant le moins de chutes

de tension possibles ; ouvert ou bloqu, il ne laisse passer quun courant de fuite ngligeable mal-

gr la tension applique ses bornes.On prsente dailleurs souvent le principe des convertisseurs statiques avec

des schmas interrupteurs mcaniques.Dans un convertisseur statique, pour obtenir les grandeurs de sorties sou-

haites, on agit laide des interrupteurs semi-conducteurs sur les connexionsentre la source dnergie lectrique et le rcepteur, on provoque ainsi unhachage des grandeurs leurs accs, grandeurs ncessitant dordinaire un fil-trage.


142 5 Les onduleurs

On a dsign par Vm lamplitude des tensions simples de sortie vA , vB , v

C ,

par Um =

3Vm lamplitude des tensions composes.

5.3.3 Proprits des onduleurs de courant

a) Caractristiques

Tensions dentre

La tension dentre u est forme de deux arches de sinusodes par priodedans le cas de londuleur monophas, de six arches par priode pour londuleurtriphas.

Sa valeur moyenne est :

U =2Um, en monophas

U =3

3 V

m, en triphas

La tension dentre comporte en plus du fondamental de pulsation 2 pourlonduleur monophas, 6 pour londuleur triphas, les termes de pulsation4, 6, ...k2 pour le premier, de pulsation 6, 12, ...k6 pour le second.

Ces termes ont pour amplitude

Ukm = U|cos |2

4k2 1

1 + 4k2 tan2, en monophas

Ukm = U|cos |2

36k2 1

1 + 36k2 tan2 , en triphas

Courant de sortie

Le ou les courants de sortie sont des courants en crneaux damplitude I ;Dans le cas de londuleur monophas, le courant i a une valeur efficace

gale I, une composante fondamentale de valeur efficace et des harmoniquesde pulsation 3, 5, ... (2k + 1) . La valeur de lharmonique de rang 2k + 1 rap-porte celle du fondamental est gale 1/(2k + 1).

Dans le cas de londuleur triphas, les courants iA, iB et i

C ont une valeur

efficace gale I

2/3, un fondamental de valeur efficace

6I/, des harmo-niques de pulsation 5, 7, 11 , 13, ... (6k 1) .

Lharmonique de rang 6k 1 a une valeur rapporte au fondamental gale 1/(6k 1).


260 6 Les redresseurs

6.8 NOTES SUR LES REDRESSEURS A DIODES DEBITANT SUR UNE SOURCE DE TENSION

Pour de nombreuses applications o on a besoin dune tension redresse, onse contente dun redresseur diodes dbitant sur une capacit. On branche lercepteur aux bornes de celle-ci.

La capacit peut-tre considre comme une source de tension. Le rseaualimentant le redresseur tant lui aussi considr comme une source de tension,on demande au convertisseur de relier deux sources de tension. Ce nest paspossible mme avec des diodes si ces deux sources sont parfaites. On doit utili-ser limperfection des sources ou, si cette imperfection est insuffisante, laug-menter.

Ce mode de conversion conduit une valeur moyenne de la tension redres-se variable avec le dbit. Ce nest pas gnant lorsque le redresseur alimente unautre convertisseur, hacheur ou onduleur, pour lequel la constance de la tensioncontinue dalimentation nest pas indispensable.

6.8.1 Redresseur aliment en monophas

On a vu (chapitre 2, 3.1.2d et 3.1.2e) le fonctionnement du redresseurmonophas simple alternance dbitant sur une capacit. Le montage nest uti-lisable quen trs, trs faible puissance car il injecte une composante continuedans le rseau alternatif.

Montage de base

En monophas, on utilise un pont quatre diodes redressant la tension sinu-sodale u, dbitant sur la capacit C aux bornes de laquelle la tension u alimenteun rcepteur (figure 6.46). Ce montage ne peut fonctionner que parce que la ten-sion u varie, autrement dit que la source de tension la sortie est imparfaite.

Pour t = t1, quand la tension u devient suprieure u, les diodes D1 et D2entrent en conduction rendant u gal u (figure 6.46). Cette conduction durejusqu linstant t = t2 o le courant i sannule. Ensuite u dcrot car la capacitse dcharge dans le rcepteur. Pour t = t1 + T/2 la tension u devient sup-rieure u, les diodes D2 et D1 entrent en conduction ...

La valeur moyenne de la tension u de sortie du redresseur dpend beau-coup de celle du courant iR fourni la charge. Quand iR est constamment nul,i lest galement, la capacit reste charge la valeur de crte Um de la tensionu. Au fur et mesure que iR augmente, la dcharge de C, pendant les intervalleso les diodes sont bloques, est plus rapide ; la dure des intervalles de chargeaugmente : la valeur moyenne de u diminue.


6.8 Notes sur les redresseurs diodes dbitant sur une source de tension 261

Si pour rduire londulation de la tension aux bornes de la capacit C onaugmente la valeur de celle-ci, le courant i est pris au rseau pendant des inter-valles plus brefs mais son amplitude augmente.

Changement de la nature de la source de sortie

Afin de donner la capacit une valeur suffisante pour que la tension u ses bornes ait une ondulation ngligeable, sans contredire la rgle dalter-nance des sources, il faut transformer la source dentre ou celle de sortie ensource de courant.

On peut pour cela ajouter une inductance L entre le pont de diodes et lacapacit (figure 6.47).

vide (iR nul), la tension u est encore constamment gale Um. Mais aufur et mesure que iR crot, la dure de conduction de diode augmente. Quandcette dure atteint T/2, la tension ud est forme de deux semi-sinusodes com-pltes ; sa valeur moyenne gale (2/)Um. La valeur moyenne de la tension desortie u, gale celle de ud puisque Ldi/dt a une valeur moyenne nulle, estconstante ds que le dbit est suffisant.

Pour une tude simplifie, on nglige londulation du courant i et onretrouve les rsultats tablis lors de ltude classique des redresseurs (cf. 6.2)

Changement de la nature de la source dentre

Quand on donne la capacit C une valeur telle que les fluctuations de latension de sortie u soient minimes, on peut remplacer linductance L la sor-

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D 1

D 1

D 2

D 2

Rc

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u u

iR

C

i' u'

v'i'

t

t

0

0 t2t1

Vm

T

T

i

T2

D'2D1 D'2D1D2 D'1

Figure 6.46


2.2 Commutations 23

Cette caractrisation des sources et des convertisseurs conduit la RGLEDALTERNANCE DES SOURCES :

Un convertisseur direct entirement commandable ne peut relier que deux sourcesde nature diffrente, lune de tension, lautre de courant.

Lorsquil doit relier deux sources de mme nature, un convertisseur enti-rement commandable doit tre indirect, cest--dire comporter un lment destockage de lnergie qui joue le rle de source intermdiaire ; on obtient ainsilquivalent de deux convertisseurs directs en cascade. Pour respecter lalter-nance des sources, llment de stockage doit tre une inductance lorsquilsagit de relier deux sources de tension, une capacit lorsquil sagit de relierdeux sources de courant.

La fonction quon demande un convertisseur de remplir guide ou imposeson schma de principe reprsent avec des interrupteurs mcaniques et lasquence suivant laquelle ces interrupteurs doivent tre actionns.

Compte tenu des rversibilits possibles des sources, les rversibilits quondemande au convertisseur dassurer imposent les types dinterrupteurs semiconduc-teurs quon doit employer. Pour cela on utilise les caractristiques tension-courantdes divers interrupteurs prsentes aux paragraphes 2.1.1 et 2.1.2.

2.2.3 Cellule lmentaire de commutation

Dans un convertisseur direct respectant la rgle de lalternance des sources,les interrupteurs relient les bornes dune source de tension celles dune sourcede courant (figure 2.18a).

Pour respecter les rgles de base des circuits lectriques rappeles au para-graphe 2.2, il faut qu chaque instant parmi les interrupteurs relis une mmeborne de la source de courant, il y en ait un et un seul ferm. En effet : si tous les interrupteurs aboutissant cette borne taient ouverts, la source de

courant serait en circuit ouvert ; si plusieurs interrupteurs aboutissant cette borne taient ferms, ils tabli-

raient un court-circuit entre les bornes de la source laquelle ils sont relis.Lors dune commutation, on demande donc deux interrupteurs relis

une mme borne de la source de courant de transfrer le courant cette bornedune borne de la source de tension une autre borne de cette source. Pour cela,il faut ouvrir linterrupteur prcdemment ferm et fermer linterrupteur pr-cdemment ouvert.

Pour suivre le droulement de ce transfert, on peut se limiter lexamen dela partie de lensemble du circuit concerne : lassociation en srie de deuxinterrupteurs sous la tension u assurant laiguillage du courant i (figure 2.18b) ;cest la cellule lmentaire de commutation .

D

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344 8 Les variateurs de vitesse

N

Ns

0C

Cnom

E' = 0

E'1 E'2 > E'1E'3 > E'2

Figure 8.35

Redresseur Onduleur

Rs

eau

Stator RotorMoteur

Id

E'

Figure 8.36

Rs

eau

Moteur

Figure 8.37


8.3 Variateurs pour moteurs asynchrones 345

Avec ce procd on obtient une vraie rgulation de vitesse puisque lavitesse vide correspond la valeur du glissement qui rend, courant nul, latension redresse gale E.

Le rendement est proche de celui quon obtient avec rotor en court-circuitpuisque lnergie prleve au rotor est renvoye au rseau.

d) Double alimentation

Si sur le schma de la figure 8.36 on remplace le redresseur diodes et lon-duleur de courant thyristors par un redresseur MLI de courant et un onduleurMLI de tension (figure 8.37) on obtient une machine double alimentation. Onpeut prlever ou injecter de la puissance entre les bornes du rotor pour fairetourner le moteur une vitesse infrieure ou suprieure la vitesse synchrone.

Cette solution est largement utilise dans les gnrateurs oliens pour extra-ire le maximum de puissance du vent quelle que soit la vitesse de celui-ci.

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48 3 Rappels sur les signaux de llectronique de puissance

Remarques

Plus lintervalle de charge [t0 , t1 ] est bref, plus le courant i prsente desvaleurs instantanes leves par rapport celles de iR (figure 3.7).En effet, iR = u/R tout au long de la priode,

iC = u/R pendant le blocage de la diode,iC a une valeur moyenne nulle,

les deux surfaces hachures sont gales.

Si, la place de la rsistance R , on mettait une inductance L, la charge ducondensateur serait rgie par une quation diffrentielle du second ordre :

v = Ldidt

+ u avec i =uR

+ Cdudt

donnerait :

LCd2udt2

+LR

dudt

+ u = Vm sin t .

Si la constante de temps du circuit RC est grande devant la priode T, onne commet pas une erreur importante en supposant que la tension auxbornes de C varie peu autour de sa valeur moyenne et en assimilant cettetension u umoy.Dans ce cas, la diode entre en conduction linstant t = t0 o la tension vdevient gale umoy

Vm sin t0 = umoy

La diode conduit jusqu linstant t = t1 o le courant i sannule. On trouvela valeur de t1 en notant que puisque i(t0) gale i(t1) lintgrale de t0 t1 dela tension applique linductance a une valeur nulle. Cette tension Ldi/dttant gale, pendant cet intervalle, v umoy , on obtient

Vm (cos t0 cos t1)Vm(sin t0)(t1 t0) = 0

i = iC + iR

t0

t10

T + t0

t

iC

iR

Figure 3.7


3.1 Rappels sur les rgimes transitoires 49

3.1.3 Circuits du second ordre. Rgles gnrales

Un circuit est du second ordre sil contient deux lments ractifs (uneinductance et une capacit ou deux inductances si elles ne sont pas en srie oudeux capacits si elles ne sont pas en parallle).

Pour dterminer lvolution des tensions et des courants, il faut rsoudreune quation diffrentielle du deuxime ordre de la forme :

ad2xdt2

+ bdxdt

+ cx = f (t) ,

o x est la variable associe un lment ractif.Si r1 et r2 sont les racines de lquation caractristique (ar2 + br + c = 0)

r1 , r2 = b2a

b2

4a2 c

a,

leur nature fixe la forme de la rponse.Dordinaire on pose :

= b2a

, 0 =

ca

.

dsignant le coefficient damortissement,0 la pseudo-pulsation du circuit si tait nul.

Daprs les valeurs relatives de et de 0 , la nature de r1 et r2 diffre. Ilconvient de distinguer trois cas :

. > 0 , amortissement fort : racines relles, rgime libre apriodique amorti ;

. = 0 , amortissement critique : racine double, rgime libre apriodique amorti ;

. < 0 , amortissement faible : racines complexes, rgime libre pseudo-priodique.

Pour chaque cas, il existe une prsentation commode de xl facilitant ladtermination des constantes dintgration.

Dun

od. L

a ph

otoc

opie

non

aut

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st u

n d

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.



3.2 RAPPELS SUR LES GRANDEURS PRIODIQUES NON SINUSODALES

Une grandeur, un courant i, par exemple, est priodique si elle est telle que

i = f (t) = f (t + T) ,

o T est la priode. La frquence est f gale 1/T ; sa pulsation fondamentale est gale 2f.

3.2.1 Valeurs dune grandeur priodique

Normalement, on caractrise une grandeur priodique par sa valeur efficace,cest la racine carre de son carr moyen :

I =

(i2)moy =

1T

T0

i2 dt

On utilise parfois aussi : la valeur moyenne :

imoy =1T

T0

i dt

ou la valeur redresse moyenne :

imoy =1T

T0| i | dt

ou la valeur maximale ou de crte.

3.2.2 Puissance

La puissance P, absorbe par un rcepteur parcouru par un courant i sousleffet dune tension aux bornes u, est la valeur moyenne de la puissance ins-tantane ui :

P = (ui)moy =1T

T0

ui dt (unit : le watt).

Il ne faut pas confondre la puissance avec la puissance apparente S, produitdes valeurs efficaces de la tension et du courant :

S = UI (unit : le volt-ampre).

On appelle facteur de puissance le quotient de la puissance par la puissanceapparente :


3 Exercices 63

EXERCICES

3.1 Influence de la forme donde du courant sur le courant direct moyen tolrable par une diode

Le courant moyen nominal indiqu pour une diode est de 20 A ; cettevaleur est tablie dans le cas du redressement dune alternance sinu-sodale par priode (figure 3.16a).a) Sachant que la chute de tension directe dans la diode est gale :

u0 + ri avec u0 = 0, 7 V et r = 0, 02 calculer les pertes dans ce semiconducteur lors du fonctionnementayant servi la dfinition du courant nominal.

D

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Figure 3.16

b) On fait passer dans cette diode un courant form de crneaux rec-tangulaires de largeur relative gale x (figure 3.16b). galit de pertes donc dchauffement calculer pour les valeursusuelles de x (1, 1/2, 1/3, 1/6 et 1/9) le courant direct moyen tolrable.

a) 33,74 W.

3.2 Rgulation par un hacheur du courant dans un rcepteur L-E

On considre le montage de la figure 3.17 dans lequel la tension E vautune fraction de la tension continue dentre Us :

E = Us, avec 0 < < 1

On utilise une commande dite en mode de commande du courant :

.x 1 1/2 1/3 1/6 1/9

imoy A 27,1 21,6 18,6 14,1 11,9

b)



on ferme linterrupteur K aux instant 0, T, 2T, ... kT, (k + 1)T... ; on lemaintient ferm jusqu linstant t gal kT + tk o le courant i atteintune valeur de rfrence iref ; puis K reste ouvert jusqu t = (k + 1)T(figure 3.18).On demande

a) de calculer la valeur i0, k+1 du courant i la fin dune priode de

fonctionnement en fonction de sa valeur i0, k au dbut de celle-ci ;

b) de dterminer la valeur i0, k quaura le courant i au dbut de chaquepriode en rgime permanent ;c) de dterminer si le rgime permanent est stable (Pour cela on consi-dre un cart i0, k de i par rapport i

0, k au dbut de la priode et on

vrifie si, la fin de celle-ci, lcart i0, k+1 entre i et i0, k a diminu).

i

uU S

K

D

L

E

iryi

u

t

i0, R i0, R + 1

(R + 1)TKT + tR

U S

RT

a) Entre t = kT et t = kT + tk , K conduit :

i = i0, k +Us(1 )

L(t kT)

Pour t = kT + tk , i atteint iref

iref = i0, k +

Us(1 )L

tk

On en dduit

tk =L(iref i0, k)

Us(1 )Entre t = kT + tk et t = (k + 1)T, D conduit :

i = iref Us

L[t (kT + tk)]

Pour t = (k + 1)T, i atteint i0, k+1

i0, k+1 = iref

UsL

(T tk)

Figure 3.18Figure 3.17


84 4 Les hacheurs

Pour les trois autres interrupteurs on trouverait exactement la mme chose.Chaque interrupteur doit donc tre ralis avec un semiconducteur fer-

meture et ouverture commandes du type transistor et une diode monte enparallle inverse. Do le schma de la figure 4.10.

i

K1 K2

T1 D1 T2D2

T'1 T'2D'1

I'

D'2

K'1 K'20

u'

UvK1

iK'1

iK1

iK1

Figure 4.10

b) Commande

Durant chaque priode T, on ferme K1 pendant 1T, K1 pendant le reste dela priode, K2 pendant 2T, K2 pendant le reste de la priode.

La tension de sortie u , gale k1 , K2 a pour valeur moyenne

U = U(1 2) ,

avec 0 < 1 < 1 et 0 < 2 < 1

Commande discontinueSi lon veut rduire le nombre de commutations, on peut ne commander

la frquence de hachage quun seul interrupteur :

un interrupteur, ferm en permanence joue le rle dinterrupteur dai-guillage ;

un autre, ferm et ouvert la frquence de fonctionnement assure le hachage ;

mais il faut changer de loi de commande pour inverser le signe de la tension U.

Pour obtenir une tension de sortie U positive, on peut, par exemple, com-mander en permanence la fermeture de K2 et hacher en fermant K1 pendant1T chaque priode :

2 = 0 ; U = 1U


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