Cours d Electronique de Puissance

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1 Ecole Africaine de l Aviation Civile et de la Météorologie (EAMAC) Cours d Electronique de Puissance Préparé et dispensé par: Monsieur ZOCKO THOMBOYO Tolio Sylvestre

2 CONTENU DU COURS Introduction à l Electronique de Puissance Les interrupteurs en Electronique de Puissance Conversion alternatif - continu Conversion continu - alternatif Conversion continu - continu Conversion alternatif - alternatif 2

3 Introduction à l Electronique de Puissance

4 Introduction à l Electronique de Puissance Conversion Alternatif - Continu (AC / DC) Il existe quatre types de conversion de l énergie électrique dont la conversion alternatif/continu. Les montages utilisés dans ce type de conversion sont les montages redresseurs. 4

5 Introduction à l Electronique de Puissance Conversion Alternatif - Continu (AC / DC) Montages redresseurs non commandés dans le cas ou les interrupteurs sont des diodes. Montages redresseurs commandés dans le cas ou les interrupteurs sont des thyristors. 5

6 Introduction à l Electronique de Puissance Conversion Alternatif - Continu (AC / DC) Applications Alimentation continue des circuits électroniques Alimentation des moteurs à courant continu Chargeurs de batteries 6

7 Introduction à l Electronique de Puissance Conversion Continu - Alternatif (DC / AC) Le deuxième type de conversion de l énergie électrique est la conversion continu/alternatif. Les montages utilisés dans ce type de conversion sont les onduleurs. 7

8 Introduction à l Electronique de Puissance Conversion Continu - Alternatif (DC / AC) Applications Alimentation de secours Variateurs de vitesse pour les moteurs asynchrones 8

9 Introduction à l Electronique de Puissance Conversion Continu - Continu (DC / DC) Le troisième type de conversion de l énergie électrique est la conversion continu/continu. Les montages utilisés dans ce type de conversion sont les hacheurs. 9

10 Introduction à l Electronique de Puissance Conversion Continu - Continu (DC / DC) Applications Montages hacheurs série dans Le cas d un abaisseur de tension Montages hacheurs parallèle dans Le cas d un élévateur de tension 10

11 Introduction à l Electronique de Puissance Conversion Alternatif - Alternatif (AC / AC) Le dernier type de conversion de l énergie électrique est la conversion alternatif/alternatif. Les montages utilisés dans ce type de conversion sont les gradateurs. 11

12 Introduction à l Electronique de Puissance Conversion Alternatif - Alternatif (AC / AC) Applications Variateurs de lampe halogène Variateurs de vitesse des moteurs universels 12

13 Les Interrupteurs en Electronique de Puissance

14 Les interrupteurs en Electronique de Puissance Les interrupteurs en électronique de puissance peuvent etre commandés ou non commandés et sont composés des semi-conducteurs de puissance qui peuvent etre: Des diodes rapides; Des transistors bipolaires de puissance; Des thyristors; Des triacs; 14

15 Les interrupteurs en Electronique de Puissance Diodes rapides La diode est un interrupteur en électronique de puissance qui fonctionne sur deux segments. Sa conduction et son blocage se font de façon spontanée. 15

16 Les interrupteurs en Electronique de Puissance Comportement dynamique d une 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. 16

17 Les interrupteurs en Electronique de Puissance Comportement dynamique d une diode *Deuxième cas: Blocage Quand K est fermé, le courant qui traverse la diode est négatif, la diode conduit en inverse pendant un bref instant avant de se bloquer. 17

18 Les interrupteurs en Electronique de Puissance Transistors bipolaires de puissance Le transistor bipolaire est aussi utilisé comme interrupteur en électronique de puissance et fonctionne en mode de saturation pour la tension collection-émetteur. Son fonctionnement se fait aussi sur deux segments. 18

19 Les interrupteurs en Electronique de Puissance Les transistors bipolaires utilisés en électronique de puissance sont : Comportement dynamique d un transistor bipolaire *Premier cas: Conduction La conduction du transistor bipolaire est commandé et conditionnée: 19

20 Les interrupteurs en Electronique de Puissance Comportement dynamique d un transistor bipolaire *Deuxième cas: Blocage Le blocage du transistor bipolaire est aussi commandé et avec les conditions contraires à celles de la conduction. Autres interrupteurs d électronique de puissance Thyristors Le thyristor est un interrupteur commandé qui à trois bornes.. 20

21 Les interrupteurs en Electronique de Puissance Comportement dynamique d un thyristor *Premier cas: Conduction L amorçage du thyristor se fait par la commande de la gâchette à travers une impulsion qui permet de le mettre en conduction. Après cela, il fonctionne comme une diode. Comportement dynamique d un thyristor *Deuxième cas: Blocage Le blocage du thyristor se fait de façon spontanée comme celui d une diode en inversant la tension à ses bornes. 21

22 Les interrupteurs en Electronique de Puissance Triacs Le triac est un interrupteur bidirectionnel commandé qui à trois bornes. Il fonctionne comme un thyristor mais à la seule différence qu il est l équivalent de deux thyristors montés à tête bêche (en opposition) et une seule impulsion de gâchette permet son amorçage pour les deux alternances (positive et négative). 22

23 Conversion alternatif - continu

24 Conversion alternatif - continu Montages redresseurs Redressement non commandé Dans ce type de montage ce sont des diodes de redressement qui sont utilisées. Redressement mono alternance non commandé (une diode) Le circuit alimenté par une source de tension alternative sinusoïdale de valeur instantanée et E 2 sin t débitant un courant dans une charge résistive «R». 24

25 Conversion alternatif - continu Analyse du fonctionnement 1 er cas: alternance positive de la tension d entrée La diode «D» est passante U D = 0 et la tension à ses bornes est nulle et U R = e. 2 eme cas: alternance négative de la tension d entrée La diode «D» est bloquée U D = e et U R = 0. 25

26 Conversion alternatif - continu 01/09/ Cours d'electronique de Puissance Quand la tension d entrée est négative, la diode est bloquée et le courant dans la charge est nul. Dès que la tension devient positive, la diode se met à conduire. Expressions des moyenne et efficace de la tension de sortie M RMoy E U 2 M REff E U 0 0 cos 2 2 sin 2 1 M RMoy E d E U 4 2 sin cos2 1 2 cos 1 2 sin M M M M REff E E d E d E d E U

27 Facteur de forme F U U REff Rmoy Conversion alternatif - continu EM 2 EM 2 Redressement mono alternance commandé (un thyristor) 27

28 Conversion alternatif - continu Le circuit alimenté par une source de tension alternative sinusoïdale de valeur instantanée et E 2 sin t débitant un courant dans une charge résistive «R». En plus, un générateur d impulsion synchronisé par la tension d alimentation permet de rendre passant le thyristor avec un retard «t 0» identique à chaque période. Analyse du fonctionnement 1 er cas: alternance positive de la tension d entrée Entre «0» et l instant (t 0 ) qui correspond à l instant d amorçage du thyristor, le thyristor «Th» est bloqué et U Th = e(t). La tension aux bornes de la charge est nulle. 2 eme cas: alternance positive de la tension d entrée Entre l instant (t 0 ) à l instant (T/2) qui correspond à la demi période, le thyristor «Th» est passant donc la tension à ses bornes U Th = 0 et la tension aux bornes de la charge est U R = e(t). 28

29 Conversion alternatif - continu 3 eme cas: alternance négative de la tension d entrée Entre l instant (T/2) et l instant (T) qui correspond à la fin de la période, le thyristor «Th» est bloqué donc la tension à ses bornes U Th = e(t) et la tension aux bornes de la charge est U R = 0. 29

30 Conversion alternatif - continu 01/09/ Cours d'electronique de Puissance Quand la tension d entrée est négative, le thyristor est bloqué et le courant dans la charge est nul. Pendant l alternance positive entre l instant (t0,t/2), le thyristor se met à conduire. D après les allures des signaux, on peut calculer la valeur moyenne et la valeur efficace de la tension redressée: 0 cos 1 2 cos 2 sin M M M Rmoy E E d E U 2 sin sin M REff M REff E U d E U

31 Conversion alternatif - continu Facteur de forme F U U REff RMoy 1 cos sin Redressement double alternance non commandé Dans cette partie du cours, nous allons nous intéresser au pont de Graëtz qui est un des montages les plus utilisés. 31

32 Conversion alternatif - continu Analyse du fonctionnement On suppose que la charge est une résistance «R». 1 er cas: alternance positive de la tension d entrée Les diodes D 1 et D 3 conduisent tandis que les diodes D 2 et D 4 sont bloquées et v = u. 2 eme cas: alternance négative de la tension d entrée Les diodes D 2 et D 4 conduisent tandis que les diodes D 1 et D 3 sont bloquées et v = -u. Application: alimentation continue alimentée par le secteur Le circuit se compose d un transformateur monophasé suivi d un pont de Graëtz monophasé non commandé. 32

33 Conversion alternatif - continu Le transformateur utilisé est supposé parfait: u 2 = m u 1 33

34 Conversion alternatif - continu Allures des signaux 34

35 Conversion alternatif - continu La valeur moyenne de la tension de la charge résistive est notée: 2U M v moy Apport du condensateur de découplage On ajoute un condensateur de forte capacité aux bornes de la charge résistive: Le condensateur de découplage permet de filtrer la tension aux bornes de la charge résistive. 35

36 Conversion alternatif - continu Pour un bon filtrage, il faut choisir la valeur de «C» de façon à ce que «RC >> T» et le taux d ondulation est: v V M 2 1 RCf 36

37 Conversion alternatif - continu Redresseur commandé: pont mixte symétrique La charge est un moteur à courant continu supposé constant: Le circuit de commande des thyristors permet de régler l angle d amorçage 37

38 Conversion alternatif - continu Allures des signaux Analyse du fonctionnement t 1 er cas: à l instant, on amorce Th 1 donc Th 1 et D 2 conduisent. 38

39 Conversion alternatif - continu 2 eme cas: après l instant «t», la tension d entrée «u» devient négative. D 2 se bloque et D 1 conduit (C est la phase de roue libre). 3 eme cas: à l instant «t», on amorce Th 2. Th 2 et D 1 conduisent. 39

40 Conversion alternatif - continu 4 eme cas: à l instant «t 2», la deuxième phase de roue libre. 40

41 Conversion continu - alternatif

42 Conversion continu - alternatif Onduleur de tension monophasé à deux interrupteurs «E» est une source de tension continue, réversible en courant. K 1 et K 2 sont deux interrupteurs électroniques, commandés de manière périodique: «0 < t < T/2» : K 1 est fermé et K 2 reste ouvert. On a: u c = +E «T/2 < t < T» : K 1 est ouvert et K 2 est fermé. On a: u c = -E La tension u c et le courant i c sont alternatifs. 42

43 Conversion continu - alternatif Allure de la tension u c La fréquence : f = 1/T = 50 La valeur efficace de la tension aux borne de la charge est : U U Ceff Ceff U E Cmoy 2 moy ( t) 2 U Ceff E 43

44 Conversion continu - alternatif Etude du fonctionnement Les interrupteurs électroniques «K i» doivent être commandables à la fermeture, commandables à l ouverture et bidirectionnels en courants (car courant alternatif). Pour cela, on utilise deux éléments en parallèle: C est la diode antiparallèle «D i» qui rend l interrupteur «K i» bidirectionnel en courant. 44

45 Conversion continu - alternatif «H i» est souvent un transistor bipolaire. 1 ere phase: u c = +E, D 1 conduit : i D1 (t) = - i c (t) 2 eme phase: u c = +E, T 1 conduit : i T1 (t) = i c (t) 45

46 Conversion continu - alternatif 3 eme phase: u c = -E, D 2 conduit : i D2 (t) = i c (t) 4 eme phase: u c = -E, T 2 conduit : i T2 (t) = - i c (t) Allures des signaux 46

47 Conversion continu - alternatif Onduleur de tension monophasé en pont ( commande symétrique) «0 < t < T/2»: K 1 et K 3 sont fermés et u c = +E «T/2 < t < T»: K 2 et K 4 sont fermés et u c = -E 47

48 Conversion continu - alternatif Allures de la tension aux bornes de la charge La fréquence est: f = 1/T = 50 Hz La valeur efficace de la tension aux bornes de la charge est: U Ceff E 48

49 Conversion continu - alternatif Etude du fonctionnement 1 ere phase: u c = +E, D 1 et D 3 conduisent: i D1 (t) = i D3 (t) = -i c (t) 2 eme phase: u c = +E, T 1 et T 3 conduisent: i T1 (t) = i T3 (t) = i c (t) 49

50 Conversion continu - alternatif 3 ere phase: u c = -E, D 2 et D 4 conduisent: i D2 (t) = i D4 (t) = i c (t) 4 eme phase: u c = -E, T 2 et T 4 conduisent: i T2 (t) = i T4 (t) = -i c (t) Allures des signaux 50

51 Conversion continu - continu

52 Introduction Conversion continu - continu Le procédé le plus simple pour transformer une tension continue de valeur fixe en tension continue réglable est le montage en potentiomètre. Malheureusement, ce montage ne permet pas de commander un moteur à courant continu pour des raisons de faible puissance et de mauvais rendement c est pourquoi on fait appel à un système électronique que l on appelle hacheur ou découpeur. Le hacheur (H) est un interrupteur que l on place en série ou parallèle avec la charge. Suivant le mode de branchement utilisé, il permet de fonctionner soit comme abaisseur de tension (montage série), soit comme élévateur de tension (montage parallèle). 52

53 Conversion continu - continu Alimentation d une résistance Etude de fonctionnement 1 ère phase: On se permet de fermer l interrupteur pendant 0 t αt U = E 2 ème phase: On se permet d ouvrir l interrupteur pendant αt t T U = 0 53

54 Conversion continu - continu De ce fait, nous pouvons déterminer la valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge : u moy 1 T u moy T 0 E u( t) dt 1 T T 0 1 Edt T 0 1 est appelé rapport cyclique. T T 0dt E T T E 54

55 Conversion continu - continu Alimentation continue d un récepteur avec f.c.é.m. Comme pour l étude du redressement à partir d une tension alternative, le fonctionnement d un hacheur peut être soit continu (ininterrompu) au cours d une demi période ou soit discontinu. Dans la pratique comme pour l alimentation avec redresseur, il est toujours souhaitable que la conduction soit continue. Pour arriver à ce résultat, avec des débits importants, on est amené, comme pour les montages à redresseur, à brancher en série avec le récepteur une inductance de lissage. Nous supposons que les données permettent que le fonctionnement soit continu en tension. Dans ces conditions la valeur de la tension de charge évolue entre une limite maximale et une limite minimale. 55

56 Hacheur série alimentant un récepteur avec f.c.é.m. H ih ic idrl uc L U D R E Etude de fonctionnement 1 ère phase: On se permet de fermer l interrupteur pendant 0 t αt u c = U 2 ème phase: On se permet d ouvrir l interrupteur pendant αt t T u c = E 56

57 U uc E icmax ic.t T t Ondulation icmin I = icmax-icmin icmax idrl ih icmin 57

58 U uc E icmax ic Hfermé.T T t icmin icmax idrl ih icmin 58

59 U uc E icmax ic Hfermé.T T t icmin icmax idrl ih icmin 59

60 U uc Hfermé Houvert t E icmax ic.t T icmin icmax idrl ih icmin 60

61 U uc Hfermé Houvert t E icmax ic.t T icmin icmax idrl ih icmin 61

62 U uc Hfermé Houvert t E icmax ic.t T icmin icmax idrl ih icmin 62

63 U uc Hfermé Houvert t E icmax ic.t T icmin icmax idrl ih icmin 63

64 U uc Hfermé Houvert t E icmax ic.t T icmin icmax idrl ih icmin 64

65 Conversion continu - continu Si u c désigne la tension la tension aux bornes de la charge, on a la relation suivante: u c Ri L Comme la conduction est continue, quand le régime permanent est atteint, l intensité dans la charge a forcément la même valeur maximale, au début et à la fin d une même demi période. u u cmoy cmoy 1 R T Ri moy T 0 idt 0 E L I M Im Ri di di dt moy E E E T 0 dt 65

66 Hacheur parallèle Conversion continu - continu Etant donné un générateur à courant continu de fém. E. Nous allons montrer que grâce au montage du hacheur parallèle, il est possible d élever cette tension afin de faire débiter ce générateur dans une charge continue. il ic ih U uh uc 66

67 Conversion continu - continu Le montage comporte un transistor branché en parallèle, une diode et une inductance suffisamment élevée pour que le courant débité par le générateur puisse être considéré comme sensiblement constant. Nous supposons que les éléments du montage permettent que la conduction soit continue et comme pour le hacheur série, nous aurons deux phases possibles. Etude de fonctionnement 1 ère phase: On se permet de fermer l interrupteur pendant 0 t αt u H = 0 2 ème phase: On se permet d ouvrir l interrupteur pendant αt t T u H = U 67

68 chronogrammes commande Hfermé Houvert t.t T ic,il,ih uc uh 68

69 chronogrammes command e Hfermé Houvert t.t T ic,il,ih uc uh 69

70 chronogrammes command e Hfermé Houvert t.t T ic,il,ih uc uh 70

71 Conversion continu - continu Le hacheur étant ouvert, le générateur est en communication directe avec la charge. L énergie électromagnétique accumulée par l inductance s ajoute à l énergie fournie par le générateur pour délivrer le courant dans la charge. u D après la loi des mailles, on a : di L dt u c u c u di L dt u udt Ldi u ut T LI I c c M m 71

72 Conversion alternatif - alternatif

73 GRADATEUR Les gradateurs sont des convertisseurs statiques qui assurent une modulation d énergie alternative fixe alternative variable PRINCIPE A l aide d un interrupteur électronique on hache la tension pour laisser passer : - Soit une partie des alternances - Soit une partie des périodes sur un cycle de n périodes 73

74 GRADATEUR STRUCTURE Les interrupteurs sont composés de : TRIAC THYRISTOR 74

75 GRADATEUR STRUCTURE INTERRUPTEUR ÉLECTRONIQUE Dans le cas de ce montage, on constate que le courant doit pouvoir passer dans les deux sens dans l'interrupteur. La solution consiste à mettre en parallèle 2 thyristors tête-bêche. Chacun des 2 thyristors conduira à tour de rôle en fonction des polarités du réseau. La technologie a mis au point un dispositif qui intègre les 2 thyristors dans le même boîtier avec une seule électrode de commande, ce dispositif est appelé TRIAC. 75

76 2 TYPES DE FONCTIONNEMENT GRADATEUR A ANGLE DE PHASE GRADATEUR A TRAIN D ONDE DOMAINE D APPLICATION DOMAINE D APPLICATION -Moteurs asynchrone -Éclairage -Electrothermie ( fours) 76

77 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 génère une tension qui comporte des fronts de montée. Une telle forme de tension comporte des harmoniques de rang élevé (hautes fréquences) qui peuvent "polluer" le réseau et perturber les réceptions radio et TV. Il est donc impératif d'interposer entre le réseau et le gradateur un filtre. Ce type de gradateur est réservé aux puissances faibles et moyennes (jusqu'à 10 kva environ). 77

78 Utilisé surtout en électrothermie. Gradateur à train d ondes. 78

79 Gradateur à train d ondes. On choisit un cycle comportant un certain nombre de périodes. La commande se fait au zéro de tension. On laissera passer plus ou moins de périodes entières par cycle. Ce type de commande présente l'avantage de ne pas générer de parasites puisque l'amorçage se fait près du 0 de tension. Ce type de réglage s applique pour les récepteurs à forte inertie (four industriels à résistance). 79

80 Gradateur à train d ondes. Permet le réglage de l énergie par train d onde entières = t1/ T Rapport cyclique Temps de conducti on du triac Période du gradateu r à train d onde T Pmoy = t1 80

81 Gradateur à train d ondes. Permet le réglage de l énergie par train d onde entières = t1/ T Rapport cyclique Temps de conducti on du triac Période du gradateu r à train d onde T Pmoy = Pmax. t1 81