CHAPITRE CP3 C Conversion électronique

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1 PS Brzex Ch. CP3: Converson électronqe 31 CHAPTR CP3 C Converson électronqe Contrarement ax convertssers électromécanqes, les convertssers électronqes, tlsés en électronqe de pssance, ont des granders d entrée et de sorte de même natre, électrqes. Ce q dfférence l électronqe étdée précédemment de l électronqe de pssance est l ntensté des corants ms en je : l électronqe de pssance s ntéresse ax corants de forte ntensté. Comme nos allons le vor, cela mplqe n mode de fonctonnement des convertssers essentellement basé sr les opératons de commtaton, ce q ler permet de transférer de la pssance en mnmsant les pertes. 1. L LCTRONQU D PUSSANC : UN LCTRONQU D COMMUTATON La noton de base assocée à tote transformaton est la noton de rendement η, rapport de la pssance tle délvrée à la charge à la pssance reçe de la sorce. sorce P e Ps P η = s avec P convertsser s + P p = P e P électrqe charge e où P e est la pssance reçe en entrée (par n générater), P s la pssance délvrée en sorte et P p la pssance perde (effet Jole c). La recherche de bons rendements est évdemment lée à celle d ne dmnton des pssances perdes. lle est ass ndspensable afn d évter n échaffement trop mportant de l apparellage. l est d allers à noter qe les volmes et coûts des systèmes de refrodssement des convertssers électronqes sont d même ordre de grander qe cex des convertssers ex-mêmes. Les pssances mses en je ax bornes des convertssers électronqes sont de l ordre de 100 W à qelqes 100 kw. Comme les corants sont mportants (10 3 A por ne locomotve ; 10 6 A por les alternaters de centrale ncléare), la mondre chte de tenson entre sorce et charge occasonne de lordes pertes. On ne pet pas travaller en régme permanent comme en électronqe (dont la foncton essentelle est le tratement d sgnal). On travalle en régme de commtaton, fonctonnement por leqel le composant de base est le sem-condcter de pssance fonctonnant en «nterrpter». Ce type de composant a les proprétés svantes : - lorsq l est soms à ne tenson, même élevée, les corants q le traversent sont néglgeables (por qe la pssance consommée sot mnme) : «l nterrpter» est alors overt ; - lorsq l est traversé par n corant, même d ntensté élevée, la chte de tenson à ses bornes est néglgeable : «l nterrpter» est alors fermé.

2 PS Brzex Ch. CP3: Converson électronqe 32 Ces nterrpters, overts et fermés de manère cyclqe, décopent (o «hachent») les corants o tenson d entrée à fréqence fxe ( généralement de l ordre de plsers klohertzs) La pssance sortant d n convertsser électronqe de pssance est donc, ax pertes près (mnmsées, comme on vent de la vor, par le fonctonnement en commtaton) égale à celle forne par la sorce relée à l entrée. Le convertsser, essentellement constté «d nterrpters», permet en fat de modfer la présentaton de cette pssance. Selon les cas, ces convertssers portent dfférents noms : sorce en contn sorce en alternatf charge en contn Hacher (1) Redresser (2) charge en alternatf Ondler(3) Gradater/conv. de fréq. (4) xemples d tlsaton : (1) varater de vtesse d n moter à corant contn almenté par ne sorce contne. (2) almentaton d n moter à corant contn almenté par le résea - Almentatons stablsées. (3) récpératon de pssance dans le cas d frenage d (2) (4) for à mcroondes. Le schéma de prncpe d n convertsser électronqe est donc le svant : sorce P e convertsser électrqe P s (de présentaton modfée) charge sgnax de commande (commandent éventellemnt l'overtre et/o la fermetre des composants à sem-condcters joant le rôle d'nterrpters) Les convertssers de pssance électronqe sont donc consttés «d nterrpters» et d éléments de stockage d énerge (bobnes o condensaters déax q n absorbent acne pssance moyenne, ler facter de pssance étant nl). Nos allons tot de ste vor la modélsaton de ces dfférents éléments. 2. MODLSATON DS COMPOSANTS D BAS D L LCTRONQU D PUSSANC 2.1 Sorces d entrée et de sorte Modélsaton par des sorces de corant et de tenson Un convertsser de pssance est placé entre n générater et ne charge appelés respectvement «sorces d entrée» et «sorce de sorte». L ntérêt de cette dénomnaton apparaîtra lorsq on envsagera la réversblté d convertsser, la sorce de sorte povant alors fornr de la pssance à

3 PS Brzex Ch. CP3: Converson électronqe 33 la sorce d entrée dans certanes phases de fonctonnement (a cors d frenage d n moter par exemple). Comme en électronqe, on rencontrera des sorces de tenson et de corant «classqes» dont on rappelle les caractérstqes déales : sorce déale de tenson sorce déale de corant Une sorce réelle comporte ne résstance nterne, représentée en sére sr la sorce de tenson et en parallèle sr la sorce de corant. On a c envsagé le cas de sorces réversbles psqe lers caractérstqes font apparaître des zones où la pssance reçe P = - pet être postve. Dans ces zones, les sorces se comportent comme des récepters. Les sorces por lesqelles ça n est pas possble sont dtes ndrectonnelles. La réversblté d ne chaîne de converson de pssance sppose la réversblté de chacn de ses éléments (d convertsser et de ses sorces d entrée et de sorte) xemple On pet tlser n convertsser électronqe dans le cas de l almentaton d ne machne à corant contn. Le convertsser permet de régler la pssance transférée à la machne. sorce de tenson convertsser moter Dans ce cas, la sorce d entrée est ne sorce de tenson contne, et la sorce de sorte ne sorce de corant, modélsant la machne à corant contn. Lors des phases de tracton (mse en movement et mantent à vtesse constante), la sorce d entrée fornt de la pssance électrqe a moter. Lors des phases de frenage, l est possble de récpérer ne parte de l énerge cnétqe d moter à condton qe la sorce d entrée et le convertsser soent réversbles. 2-2 Règles d assocaton des sorces A cors d fonctonnement d convertsser, des sorces vont être connectées entre elles pendant certanes phases de fonctonnement. Certanes règles sont à respecter :

4 PS Brzex Ch. CP3: Converson électronqe 34 - On pet nterconnecter ne sorce de tenson et ne sorce de corant : Le pont de fonctonnement d crct correspond alors à = et =. - On ne pet pas (et ne dot pas!) nterconnecter dex sorces de tenson dfférentes Le corant échangé devendrat alors très grand et l on abotrat à ne destrcton. ' n partcler, l ne fat donc jamas cort-crcter ne sorce de tenson. - On ne pet pas (et ne dot pas!) nterconnecter dex sorces de corant dfférentes La tenson à lers bornes devendrat alors très grande et l on abotrat à ne destrcton. ' n partcler, l ne fat donc jamas lasser ne sorce de corant en crct overt. 2.3 Améloraton des sorces l s agt d amélorer les sorces en fasant en sorte qe les srtensons o les srntenstés accdentelles soent atténées Améloraton d ne sorce de corant réelle. magnons le cas d ne sorce de corant réelle ax bornes de laqelle apparaît ne srtenson Δ entre 0 et t 0. Sans la bobne, cela prodt n sat proportonnel de l ntensté délvrée par la sorce. La bobne permet de dmner l ondlaton d corant : cela vent de la proprété de contnté d corant traversant ce composant. n otre, pls l ndctance est grande, pls l ondlaton est fable (lo de modératon : pls la fém d ndcton s opposant ax varatons de sos l effet des varatons de est grande). L r t 0 t

5 PS Brzex Ch. CP3: Converson électronqe Améloraton d ne sorce de tenson réelle. De façon analoge, on placera n condensater en parallèle sr ne sorce de tenson afn de mnmser l ondlaton de la tenson povant apparaître sos l effet d ns srntensté. On tlse dans ce cas la proprété de contnté de la charge et donc de la tenson ax bornes d n condensater. r t 0 t 2.4 Changement de natre des sorces en présence de commtatons Le comportement des dfférents composants est cel q ls ont en régme transtore : la fréqence de commtaton des nterrpters étant de plsers klohertzs, le régme permanent n est jamas attent et les notons de sorce de corant o de tenson sont à étendre. n présence de commtatons, ne sorce est dte sorce de tenson s elle ne s oppose pas ax varatons de corant q la traverse mas qe la tenson à ses bornes vare pe. Une sorce est dte sorce de corant s elle ne s oppose pas ax varatons de la tenson à ses bornes mas qe l ntensté q la traverse vare pe. Une sorce de tenson vot sa natre modfée s on la place en sére avec ne bobne : en présence de commtatons, l ensemble est éqvalent à ne sorce de corant. n effet, on sat q ne bobne s oppose ax varatons rapdes d corant la traversant. On a c : L d d = - + d où dt dt = 1 ( ) L S L est sffsamment grande, les varatons de avec sont fables, ce q correspond donc à la défnton qe nos avons donnée d ne sorce de corant. Une sorce de corant vot sa natre modfée s on la place en parallèle sr n condensater : en présence de commtatons, l ensemble est éqvalent à ne sorce de tenson.

6 PS Brzex Ch. CP3: Converson électronqe 36 n effet, on sat q n condensater s oppose ax varatons rapdes de la tenson à ses bornes. On a c : d dt = 1 C ( ) S C est sffsamment grande, les varatons de avec sont fables, ce q correspond donc à la défnton qe nos avons donnée d ne sorce de tenson. 2.5 nterrpters déax. nterrpters réels. Fonctons de commtaton Caractérstqes déales d n nterrpter Un nterrpter déal pet présenter dex états correspondants ax caractérstqes svantes : - état overt (o) caractérsé par la relaton = 0 ; - état fermé (f) caractérsé par la relaton = 0. état (o) état (f) Les opératons de commtaton sont les opératons de passage d n état vers l atre : - overtre (o blocage) : passage de (f) à (o) ; - fermetre (o amorçage) : passage de (o) à (f). Ces opératons pevent être sot commandées de l extérer, sot natrelles. et pevent prendre dans ce cas déal des valers postves o négatves. On parle d nterrpter 4 qadrants. nterrpter fermé commtaton nterrpter overt Les fonctons réelles. Les nterrpters sels Le fonctonnement dans les qatre qadrants ([>0 o <0] et [>0 o <0]) n est généralement pas nécessare et dans les dspostfs réels, les composants ne présentent q ne parte des caractérstqes déales : l nterrpter est alors dt ndrectonnel. Les fonctons de commtaton qe l on rencontrera le pls fréqemment sont les svantes :

7 PS Brzex Ch. CP3: Converson électronqe 37 Foncton dode D : La caractérstqe déale d ne dode est : On a donc, por cet élément, ndrectonnalté en corant et en tenson. n effet, qand la dode est bloqée, la tenson dot rester négatve, et qand la dode est passante, le corant dot rester postf. De pls, c est n composant à commtaton spontanée : le passage d n état vers l atre se fat par nverson d corant o de la tenson, sans nterventon d n dspostf annexe. Foncton transstor T : On ne s ntéressera pas dans ce cors à la technologe des composants (transstors et thyrstors) réalsant ce type de foncton de commtaton mas smplement à ler caractérstqe. La caractérstqe por ne foncton T est : On a donc ass, por cet élément, ndrectonnalté en corant et en tenson. De pls, c est n composant à commtaton commandée : des électrodes de commande, représentées par le doble trat oblqe, permettent de déclencher sot l amorçage (o f lorsqe la condton >0 est réalsée), sot le blocage (f o lorsqe la condton >0 est réalsée). Remarqe : en fat, le thyrstor est n nterrpter ndrectonnel en corant nqement, à fermetre commandée et à overtre spontanée (lorsqe la tenson à ses bornes devent négatve o qe l ntensté d corant q le traverse devent nlle). Le transstor est n nterrpter commandé à l overtre et à la fermetre, dont le fonctonnement est lmté à 0 et 0. Atres fonctons : On pet en obtenr par assocaton des dex fonctons prncpales présentées c-desss. n voc n exemple : Dans ce cas, l ndrectonnalté en corant a dspar. On pet remarqer qe dans l état passant avec <0, le blocage se fera par commtaton spontanée, alors qe dans l état passant avec >0, elle se fera par commtaton commandée.

8 PS Brzex Ch. CP3: Converson électronqe STRUCTUR GNRAL DS CONVRTSSURS 3.1 Convertssers drects ls ne sont formés qe d nterrpters. On ne pet les envsager qe s les sorces d entrée et de sorte sont de natres dfférentes xemple d ne strctre à dex nterrpters : almentaton d ne sorce de corant. K K K' K' 0 U K' On sohate qe la pssance transférée sot réglable par l ntermédare d dspostf de commande des nterrpters. Parm les confgratons (o ; f) envsageables des nterrpters, on remarqe qe : K(f) et K (f) est mpossble ( serat alors cort-crctée) ; K(o) et K (o) est mpossble ( 0 serat alors en crct en crct overt). Restent donc les confgratons {K(f) et K (o)} o {K(o) et K (f)}. On pet donc envsager n fonctonnement pérodqe de pérode T d type : Phase a : por 0 t αt : les sorces sont nterconnectées {K(f) et K (o)}. On a, dans cette phase échange de pssance entre les dex sorces. n effet, = 0 et U = : la pssance nstantanée débtée par la sorce d entrée est 0 = la pssance nstantanée absorbée par la sorce de sorte. Le fat q l n y at acne perte vent d fat qe l on a spposé les sorces et les nterrpters parfats. Phase b : por αt t T : {K(o) et K (f)} : dans cette phase, les sorces n échangent acne pssance nstantanée. n effet, dans ce cas, = 0 et U = 0 : les pssances nstantanées débtée par la sorce d entrée et absorbée par la sorce de sorte sont donc nlles. La pssance moyenne transférée par le convertsser entre les sorces d entrée et de sorte est : T " P = 1 T Udt =! 0 0 l est donc possble de régler le transfert de pssance va le dspostf de commande, en joant sr le cœffcent α. La tenson moyenne ax bornes de la sorce de sorte vat <U> = α avec α<1 : on appelle ass ce montage hacher dévolter. Chox des nterrpters dans le cas de sorces ndrectonnelles : dans ce cas, >0 et 0 >0.

9 PS Brzex Ch. CP3: Converson électronqe 39 Les chronogrammes de U et sont les svants : U 0!T T t!t T t Dans la phase a : K = 0 et K = 0 ; K = et K = 0. Dans la phase b : K = et K = 0 ; K = 0 et K = - 0. K K' K' Les ponts de fonctonnement des dex nterrpters sont donc tels q on dot envsager ne foncton T por l nterrpter K et ne foncton D nverse por K. K Le schéma fnal d convertsser est donc le svant : l est non réversble en tenson et en corant. 0 On parle de hacher sére, car l élément commandé (foncton T) est en sére avec le générater. L amorçage de la foncton T se fat en débt de chaqe pérode ; le blocage et l amorçage de la foncton D se fat spontanément. Remarqe : s on nverse le sens de 0, les ponts de fonctonnement sont tels q l fat chosr ne foncton D por K et ne foncton T por K. 0 commandé est en parallèle sr le générater. Ce montage permet le transfert de pssance de On parle de hacher parallèle, car l élément la sorce de corant vers la sorce de tenson Almentaton d n moter à corant contn. Un moter à corant contn est ben représenté par l assocaton en sére d ne f.é.m. et d ne bobne (vore en pls d ne résstance). l se comporte donc en régme de commtaton rapde (pérode de commtaton fable devant sa constante de temps) comme ne sorce de corant. l porra donc être almenté par ne sorce de tenson assocée à n hacher sére. Afn d avor n corant d almentaton d moter le pls stable possble, l est parfos nécessare de placer entre le hacher et le moter ne bobne spplémentare appelée bobne de lssage.

10 PS Brzex Ch. CP3: Converson électronqe Convertsser réversble en corant La réversblté des convertssers (à condton qe les sorces le permettent) mplqe des strctres à nterrpters pls complexes. Dans l exemple précédent, on pet envsager n fonctonnement réversble en corant ( 0 >0 o <0) en combnant les dex montages sére et parallèle. Ce montage permet donc n transfert de pssance réversble entre les sorces d entrée et de sorte. 0 On remarqe qe la valer moyenne de la tenson ax bornes de la sorce de sorte ne pet pas s nverser : on parle de convertsser dex qadrants ( 0 >0 o <0). 3.3 Convertssers à lason ndrecte Dans le cas où les sorces d entrée et de sorte sont de même natre, les phases d nterconnexon sont nterdtes. On pet totefos transférer de la pssance de l ne à l atre en tlsant dex méthodes : La premère consste à changer la natre de l ne des dex sorces à l ade, comme on l a v précédemment d n condensater o d ne bobne ; La seconde permet le transfert par l ntermédare d n élément de stockage d énerge (condensater o bobne) q stocke de l énerge provenant de la sorce d entrée dans certanes phases de fonctonnement et en restte à la sorce de sorte dans les atres phases : les convertssers fonctonnant sr ce prncpe sont appelés «hachers à accmlaton». Ans, les tros montages permettant le transfert de pssance entre dex sorces de tenson sont les svants : Le récepter est transformé en sorce de corant : ' on retrove le montage d hacher sére. ' Le générater est transformé en sorce de corant : on retrove le montage d hacher parallèle.

11 PS Brzex Ch. CP3: Converson électronqe 41 ' Le transfert d énerge entre les dex sorces de tenson s effecte par l ntermédare d ne bobne q joe le rôle d élément de stockage d énerge. La bobne (c spposée déale!) n absorbe acne pssance moyenne et permet dans ne premère phase de fonctonnement (nterrpter de gache fermé, nterrpter de drote overt) de stocker de l énerge provenant de la sorce de tenson. Dans la seconde phase (état nversé des nterrpters), la bobne restte cette énerge à la sorce de sorte. Le rapport cyclqe, rapport des drées des dex phases de fonctonnement, permet de régler la pssance transférée de la sorce d entrée vers la sorce de sorte. Por le transfert d énerge entre dex sorces de corant, l élément de stockage tlsé est le condensater. Les règles d nterconnexon données a débt d chaptre permettent de dédre la strctre de ce convertsser. 4. XMPL D APPLCATON Almentaton d ne machne à corant contn l pet paraître aberrant de volor almenter ne machne à corant contn par ne sorce de tenson va n dspostf à nterrpters délvrant des tensons o corants «hachés», donc non permanents. n fat, la fréqence de fonctonnement d hacher est grande devant la constante de temps caractérstqe de la machne por laqelle tot se passe alors comme s elle état almentée par la tenson moyenne délvrée par le hacher. On sppose donc q ne sorce de tenson contne déale almente ne sorce de corant (machne à corant contn), la pssance moyenne échangée devant être réglée par l opérater. Phase de tracton : 0 C est le montage hacher sére. Avec les phases de fonctonnement étdées précédemment, la pssance moyenne transférée est P = α 0 où α est le rapport cyclqe mposé par la commande des nterrpters. A démarrage, la pssance transférée a moter permet d accroître l énerge cnétqe de rotaton de l arbre jsq à l obtenton de la vtesse désrée. La montée en pssance dot être progressve afn d évter des efforts mécanqes excessfs a démarrage. Dans le cas d n manten à vtesse constante, cette pssance dot compenser les pertes par frottement et par effet Jole.

12 PS Brzex Ch. CP3: Converson électronqe 42 Le cœffcent α dot donc varer a cors de ces dfférentes opératons et être adapté en cas de pertrbatons extéreres venant dérégler la vtesse d moter : cec se fat par des montages à bocle de rétroacton q permettent d assrer ces fonctons de réglaton et d asservssement. Phase de frenage et de récpératon : 0 fonctonner en génératrce, ce q mplqe n sens d corant q s nverse dans l ndt d moter. On pet Lors des phases de frenage, la machne dot povor donc envsager le montage hacher parallèle. Por atorser les modes de fonctonnement on tlsera donc le montage complet, réversble en corant (cf 32).