Electronique de puissance EXERCICES ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE GEL Première Partie

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1 EXERCICES ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Première Partie Exercice 1: Pour quelle raison la largeur des trains d'impulsions d'amorçage des thyristors d'un redresseur en pont triphasé doit être supérieure ou égale à 60º électriques (2.78ms)? Justifier votre réponse et donner un exemple précis illustrant cette nécessité. Exercice 2: Sur les feuilles jointes, tracer les formes d'onde suivantes pour un redresseur en pont triphasé à six thyristors débitant sur une résistance R=1Ω. L'angle d'amorçage des thyristors du pont est θ = 90º. 1) ON SUPPOSE QUE LA COMMUTATION EST INSTANTANEE. sur les courbes du haut de la première feuille: - la tension aux bornes de la charge v(t) sur les courbes du bas de la première feuille: - la tension aux bornes du thyristor T1 soit Vak(T1) - le courant dans le thyristor T1 soit Iak(T1) Aucune erreur n'est tolérée dans le traçé d'une courbe sur une période de fonctionnement. 2) La valeur efficace de la tension ligne-ligne de l'alimentation triphasée est Us=208V. Calculer la valeur moyenne de la tension aux bornes de la résistance R et le courant moyen qui la traverse, pour le point de fonctionnement considéré. 3) Calculer la valeur moyenne du courant dans le thyristor T1 pour le point de fonctionnement considéré. Exercice 3: Sur les feuilles jointes, tracer les formes d onde suivantes pour un redresseur triphasé (voir Figure 1) comportant 2 diodes D 1 et D 2 et un thyristor débitant sur une résistance R=1Ω. Le thyristor est commandé avec un angle d amorçage θ 0 = 75 0 (l origine de θ 0 est le passage par zéro de la tension ligne-neutre v 3 ). 1) ON SUPPOSE QUE LA COMMUTATION EST INSTANTANEE. Sur les courbes du haut de la première feuille : - la tension aux bornes de la charge v(t) Sur les courbes du bas de la première feuille : - le courant dans le thyristor T 3 soit Iak(T 3 ) - la tension aux bornes du thyristor T3 soit Vak(T3)

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5 D1 V 1 D2 V 2 V 3 T3 v(t) R Figure 1 Exercice 4: On considère un pont triphasé formé de trois thyristors T 1 T 2 T 3 et de trois diodes D 1 D 2 D 3 (voir Figure 2). La charge est telle que pour tous les points de fonctionnement considérés dans ce problème, la conduction est continue. 1) Pour un angle d amorçage des thyristors T 1 T 2 T 3, θ = 45 0, - tracer sur les feuilles jointes la tension v AN (t) et la tension v BN (t) (cf Figure 1) sur les courbes du haut de la feuille. - En déduire le tracé de la tension de sortie du pont u(t) que l on représentera sur les courbes du bas de la feuille. Aucune erreur n est tolérée dans le tracé d une courbe sur une période de fonctionnement. 2) La valeur efficace de la tension ligne-ligne de l alimentation triphasée est Us=208V. Calculer pour le point de fonctionnement précédent, les valeurs moyennes respectives de v AN (t), v BN (t) et u(t).

6 v AN (t) A T1 T2 T3 N u(t) D1 D2 D3 v BN (t) Figure 2 B Exercice 5: On considère le montage de la figure 3 constitué d'un gradateur monophasé, d'un transformateur monophasé à secondaire à point milieu, et d'un redresseur à diodes. La valeur efficace de la tension d'alimentation est 120V (60Hz). Le pont de diodes alimente une résistance de charge R. Le gradateur monophasé est amorcé avec un angle d'amorçage θ = 90º. Les thyristors T1 et T2 sont amorcés par des impulsions courtes de largeur négligeable mais garantissant l'amorçage en tout temps, déphasées de 180. Le rapport de transformation a est égal à 1: a=v1/v2=1 (voir figure 3). On considère que les commutations sont instantanées. T1 D1 v1 v2 v3 v(t) R i(t) va(t) T2 D2 Figure 3

7 1) faire l'étude du fonctionnement en prenant comme séquence initiale: T1 et D1 conduisent, juste après l'amorçage de T1. Détailler l'es expressions de v(t) et i(t) pendant chaque séquence. Mettre en évidence dans chaque séquence les évènements possibles. En déduire le passage à la séquence suivante, et détailler le fonctionnement pendant la commutation. 2) Sur les feuilles jointes, tracer les formes d'onde suivantes du fonctionnement en régime permanent (θ = 90º): a) sur les courbes du haut : - la tension aux bornes de la charge v(t) b) sur les courbes suivantes: - la tension aux bornes du thyristor T1 soit Vak(T1) c) sur les courbes suivantes: - le courant dans la diode D1 3) On veut alimenter la résistance R avec une tension continue moyenne variable de 0 à 1kV. Quel doit être le rapport de transformation a du transformateur? Quel doit être le VRRM des diodes et des thyristors à choisir? Exercice 6: La figure 4 représente une partie de l'alimentation continue des klystrons (sources RF) de l'anneau de stockage "large electron-positron" (LEP) du Centre d'études et de Recherche Nucléaire à Genève. Il s'agit de deux unités formées chacune d'un gradateur triphasé à thyristors qui alimente un pont de Graëtz à diodes placé au secondaire d'un transformateur élévateur. Les ponts de diodes de chaque unité sont mis en série à la sortie pour fournir un étage élévateur de tension supplémentaire. Compte-tenu de la tension élevée dans l'étage de sortie, chaque diode des ponts est constituée par la mise en série de plusieurs diodes élémentaires. (voir figure 3) La valeur efficace de la tension ligne à ligne alternative de fréquence 50Hz à l'entrée est: Us1=18kV (voir figure 2) Le rapport de transformation des transformateurs TR1 et TR2 est a1=us1/us2=18/1 Le rapport de transformation des transformateurs TR3 et TR4 est a2=us2/us3=1/52 Le courant moyen nominal dans l'inductance L à la sortie est Id=40A (la conduction est toujours continue, l'ondulation de courant est négligée, les impédances des transformateurs sont négligées). 1) Déterminer la valeur maximale de la tension continue de sortie aux bornes de la capacité C. 2) Si on dispose de diodes élémentaires de VRRM=3000V, quel est le nombre minimal de diodes en série dans chaque branche des demi-ponts? (entre les points B et C de la figure 2). Quel est le courant moyen et le courant efficace de ces diodes? 3) Quelle est la puissance apparente des transformateurs TR3 et TR4? 4) Quelle est le VRRM et le VDRM des thyristors à utiliser? (pour simplifier, on n'adopte pas de coefficients de surdimensionnement) 5) Si on connecte les transformateurs TR1 et TR2 de manière à ce que leurs systèmes triphasés de tension de sortie soit déphasés de 30, quelle est la fréquence de l'ondulation de tension de sortie entre les points A et B, lorsque le gradateur au primaire fournit sa tension de sortie maximale? Quel est l'intérêt de cette méthode? 6) Quel est l'intérêt de la configuration de cette alimentation (mise en série d'un gradateur avec un redresseur à diodes) par rapport à une source plus simple formée de deux ponts redresseurs à thyristors dans l'étage de sortie?

8 L R Step down transformers B S Us1 Us2 T TR1 Thyristor control unit High voltage transformers TR3 C C TR2 TR4 A L Figure 4 Exercice 7: On veut réaliser une source de tension continue variable à partir du réseau triphasé 550V ligne à ligne 60 Hz, en utilisant un pont de Graëtz triphasé à 6 thyristors. Les caractéristiques nominales de sortie sont les suivantes: Vdn=300V Idn = 50A 1) Calculer le rapport de transformation du transformateur qui permettrait d'ajuster le facteur de puissance du pont à sa valeur optimale pour le point nominal d'opération de la source. 2) Calculer la valeur efficace nominale du courant au primaire du transformateur et sa puissance apparente nominale. 2) Calculer le courant moyen ITav et le courant efficace ITrms des thyristors à utiliser et leur tension de blocage minimale VDRM=VRRM. Exercice 8: On veut essayer d'utiliser pour réaliser cette source un des trois thyristors dont les spécifications sont données en annexe: Th1 2N5204 International Rectifier Rth(case-sink) est donnée dans les feuilles du composant. Th2 C46E General Electric Rth(case-sink) est donnée dans les feuilles des radiateurs Boitier Stud size 1/2-20

9 Th3 T AQ Powerex (*) Rth(case-sink) donnée dans les feuilles du composant. 1) Montrer que ces trois thyristors sont utilisables au niveau des tensions de blocage, même si on adopte sur la tension un facteur de sécurité de ) Déterminer pour chacun de ces thyristors la puissance moyenne dissipée Pav en utilisant les données fournies. 3) Déterminer le circuit équivalent thermique d'un thyristor et de son radiateur (cas du refroidissement par air en convection naturelle). Déterminer les diverses résistances thermiques qui y figurent à l'exception de celle des radiateurs, pour les trois thyristors considérés. 4) A partir des données fournies et sachant que la température ambiante maximale est Ta=40 C, déterminer dans chaque cas la faisabilité du refroidissement, les caractéristiques du radiateur à utiliser dans la liste fournie, les températures de jonction, de boîtier et de radiateur correspondantes. Utiliser pour chaque cas les deux méthodes de calcul du radiateur (celle utilisant la résistance thermique jonction-boîtier et celle utilisant les caractéristiques Température maximale de boîtier vs courant moyen et facteur de forme) 5) Discuter le choix le plus approprié.