Chapitre I Introduction - INTRODUCTION

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1 Chapire I Inroducion - INTRODUCTION I- Présenaion : Les sysèmes uilisés en Élecroechnique permeen de ransformer la naure de l énergie élecrique e de converir l énergie élecrique en une aure forme d énergie (mécanique, hermique, chimique, lumineuse, ). L élecronique, l auomaique e l informaique s inéressen esseniellemen au raiemen du signal (ou de l informaion). Energie Sysème Elecroechnique Energie Commande, Conrôle Informaion Signal Sysème Elecronique (Auom., Info.) Alimenaion Informaion Signal Figure 1 : Complémenarié de l'élecroechnique par rappor à l'élecronique, l Auomaique e l Informaique. Pour les sysèmes de l'élecroechnique, la noion principale dans le raiemen de l énergie es celle du rendemen (peres). Les sysèmes de l élecroechnique radiionnelle (machines ournanes, éclairage, chauffage, climaisaion, ) permean la conversion de l énergie élecrique, ne peuven pas oujours êre reliés direcemen à une source élecrique. Il fau alors avoir recours à un disposiif, jouan le rôle d inerface, permean d adaper (de ransformer) les caracérisiques de la source afin d assurer le bon foncionnemen (e d inroduire des moyens de réglage de ransfer d énergie). Ce disposiif es un converisseur élecrique. Source Elecrique Converisseur Elecrique- Charge Sysème Elecroechnique Figure 2: Inerface Source-Charge. A l origine, cee foncion a pu êre réalisée par l associaion de deux converisseurs élecromagnéiques, par exemple un moeur asynchrone enraînan une générarice à couran coninu : conversion AC / DC. Un aure converisseur fai appel à des procédés élecromagnéiques : le ransformaeur : conversion AC / AC. Lorsque l inerface es réalisée par des moyens puremen élecroniques (semi-conduceurs), elle es alors appelée converisseur saique. Ces converisseurs saiques peuven se rouver aussi bien devan une charge consomman quelques was, que quelques cenaines de mégawas (10 6 W). La Fai sous Linux e OpenOffice/SarOffice Page 1/11

2 Chapire I Inroducion - discipline echnologique associée à ces réalisaions es appelée Élecronique de Puissance. Elle perme : Une uilisaion plus souple e plus adapée de l énergie élecrique, Une amélioraion de la gesion, du ranspor e de la disribuion de l énergie élecrique, Une réducion des masses e des volumes, mais aussi du brui. Un converisseur saique es un disposiif, à base de semi-conduceurs, qui ransforme de l énergie élecrique disponible, en une forme appropriée pour alimener une charge. II- Foncions de base e erminologie des converisseurs saiques : L énergie élecrique es disponible soi sous forme alernaive (réseau de disribuion élecrique, alernaeurs, ) soi sous forme coninue (baerie d accumulaeurs, générarice à couran coninu, cellules phoovolaïques, pile à combusible, ). La charge peu nécessier une alimenaion en alernaif ou en coninu. Il exise donc 4 foncions de base des converisseurs saiques. Ces converisseurs ransformen direcemen l énergie élecrique, son appelés mono-éages. A- Réversibilié des converisseurs saiques : Un converisseur saique es di réversible lorsque l énergie, peu ransier (en général, êre conrôlée) de manière bidirecionnelle, c es à dire aussi bien dans un sens que dans l aure. Les noions d enrée e de sorie ne son alors plus évidenes. Un converisseur non-réversible ransfère l énergie d une source vers une charge uilisarice. L énergie ne peu pas ransier dans l aure sens. Enrée Converisseur non réversible Sorie Enrée Converisseur réversible Sorie Énergie Énergie Figure 3 : Réversibilié (e non-réversibilié) des converisseurs saiques. B- Conversion Alernaif Coninu (AC/DC) : Le converisseur jouan le rôle d inerface enre une source alernaive e une charge alimenée en coninu, es appelé : Redresseur (Recifier). Source Alernaive REDRESSEUR Charge à alimener en coninu Figure 4 : Converisseur Alernaif-Coninu. Le plus souven, il es alimené par le réseau à fréquence indusrielle. Mais il peu égalemen êre alimené en haue fréquence. La ension (ou le couran) de sorie peu êre, ou non, réglable par rappor à la grandeur d enrée (ension ou couran). Lorsqu il n es composé que de diodes ou de diodes e de hyrisors, il es non réversible. Les redresseurs réversibles ne son composés que de hyrisors (ou de composans commandables, IGBT par exemple ). Fai sous Linux e OpenOffice/SarOffice Page 2/11

3 Chapire I Inroducion - Enrée Sorie Valeur moyenne fixe Diode Valeur moyenne réglable Thyrisor Figure 5 : Formes d'onde d'une conversion AC/DC. C- Conversion Coninu Coninu (DC/DC) : Le converisseur jouan le rôle d inerface enre une source coninue e une charge alimenée en coninu, es appelé : Hacheur (Chopper). Source Coninue HACHEUR Charge à alimener en coninu Figure 6 : Converisseur coninu-coninu. Le hacheur règle la ension ou le couran appliqué à la charge. Il peu êre réversible ou non suivan sa opologie. Enrée Sorie Valeur moyenne réglable α T 2T 3T 4T Figure 7 : Formes d'onde d'une conversion DC/DC. D- Conversion Coninu Alernaif (DC/AC) : Le converisseur jouan le rôle d inerface enre une source coninue e une charge alimenée Fai sous Linux e OpenOffice/SarOffice Page 3/11

4 Chapire I Inroducion - en alernaif, es appelé : Onduleur (Inverer). Source Coninue ONDULEUR Charge à alimener en alernaif Figure 8 : Converisseur coninu-alernaif. Suivan le ype de charge, ce converisseur es appelé onduleur auonome ou assisé. Dans le dernier cas, le converisseur es composé de hyrisors, sa srucure es la même que le redresseur réversible (AC-DC / DC-AC). Ces converisseurs son oujours réversibles. Enrée Sorie Figure 9 : Formes d'onde des converisseurs DC/AC. Remarque : Ne pas confondre le erme onduleur (converisseur DC / AC) avec le disposiif de sauvegarde informaique Ce dernier es appelé ASI pour Alimenaion Saique Ininerrupible (UPS : Uninerrupible Power Supply). E- Conversion Alernaif Alernaif (AC/AC) : La conversion de l énergie élecrique délivrée sous forme alernaive pour alimener une charge en alernaif peu se faire avec ou sans changemen de fréquence. Dans le premier cas, le erme employé es celui de cycloconverisseur, dans le second, celui de gradaeur. Source Alernaive GRADATEUR Charge à alimener en alernaif CYCLOCONVERTISSEUR Figure 10 : Converisseur alernaif-alernaif. Le schéma d un cycloconverisseur riphasé-riphasé comprend 36 hyrisors. Il n es uilisé que pour des puissances rès imporanes (> 1 MVA). L une de ses applicaions es l alimenaion de machines synchrones foncionnan à faible viesse e devan fournir un couple imporan dans les applicaions de propulsion marine (rès grande puissance). Fai sous Linux e OpenOffice/SarOffice Page 4/11

5 Chapire I Inroducion - Le gradaeur es un converisseur de srucure exrêmemen simple. Il es principalemen uilisé en éclairage e pour l alimenaion des moeurs élecriques uilisés dans le domaine de l élecroménager (moeur universel). Ces converisseurs son réversibles. Il exise 4 foncions de base pour les converisseurs saiques : AC/DC, DC/DC, DC/AC e AC/AC. Quand l énergie élecrique peu ransier de l enrée vers la sorie ou de la sorie vers l enrée, le converisseur es di réversible. Cee réversibilié dépend des composans semi-conduceurs uilisés, ainsi que de la opologie du converisseur. III- Associaions de foncions de base Cascade de converisseurs : La ransformaion de l énergie élecrique peu aussi se faire par une associaion en cascade de plusieurs converisseurs monoéages. L inconvénien es la présence de peres dans chaque converisseur (diminuion du rendemen par rappor aux srucures précédenes), mais ces srucures peuven apporer plusieurs avanages. Nous décrivons dans les paragraphes suivans deux cas ypiques. A- Alimenaion à découpage (ordinaeur, TV, ) : A parir du réseau de disribuion, l alimenaion doi assurer, pour une puissance de l ordre de quelques cenaine de was, les foncions suivanes : redresser, abaisser, isoler, délivrer plusieurs sories, filrer, réguler les ensions de sorie. La foncion isoler impose l uilisaion d un ransformaeur. Ce ransformaeur perme d assurer aussi la foncion "abaisser" e fourni aisémen plusieurs sories. La soluion ancienne (Figure 11), oujours uilisée pour quelques was, uilise un ransformaeur 50 Hz. Chaque secondaire es suivi d un redresseur e, évenuellemen, d un régulaeur linéaire. La réalisaion es alors lourde e d un rendemen peu élevé. 230 V 50 Hz ~ = Régulaeur Coninu Figure 11 : Disposiif ancien ou à faible puissance permean d obenir une ension coninue à parir du réseau. Pour diminuer la aille du ransformaeur, il fau réussir à l alimener à des fréquences plus haues. Il es alors nécessaire d uiliser la cascade redresseur-onduleur-redresseur. La régulaion se fai simplemen par conrôle de l onduleur qui foncionne en découpage e donc, avec un bon rendemen. Il es même possible de réaliser une absorpion de couran sinusoïdale sur le réseau (faceur de puissance endan vers 1), propriéé impossible à obenir avec une srucure sans élecronique de puissance. Fai sous Linux e OpenOffice/SarOffice Page 5/11

6 Chapire I Inroducion V 50 Hz ~ = ~ = ~ = Coninu Opocoupleur Figure 12: Disposiif mean en oeuvre différens converisseurs saiques mono-éages. B- Variaeur de viesse pour machine asynchrone : Pour pouvoir faire varier la viesse d une machine asynchrone, il fau réaliser un sysème qui puisse l alimener sous ension e fréquence variables. A parir du réseau de disribuion élecrique à fréquence e ension fixes, une soluion es d uiliser une cascade redresseur-onduleur. Les signaux de commande des inerrupeurs de l onduleur, son générés en uilisan la echnique de la modulaion de largeur d impulsions (MLI -PWM-), pour permere de conrôler la ension e la fréquence de sorie. 230 V 400 V 50 Hz Moeur ~ = = Asynchrone ~ Figure 13 : Associaion de converisseurs saiques permean le réglage de la viesse de roaion d une machine asynchrone. C- Applicaions des converisseurs saiques : 1- Applicaions domesiques : Alimenaion des appareils élecroniques (TV, PC, magnéoscopes, ). Élecroménager (aspiraeur, réfrigéraeur, lave-linge, lave-vaisselle, robos culinaires, ). Éclairage. Chauffage. Appareil élecroporaif (perceuse, ). Acionneurs domoiques (voles roulans, sores élecriques, ). L uilisaion de l élecronique de puissance prend de plus en plus d imporance pour deux raisons principales : Les coûs de fabricaion diminuen (faceur primordial dans les domaines de la grande série), les conraines sur les niveaux de perurbaions (normes sur la compaibilié élecromagnéique) e le rendemen augmenen. Ainsi, seules les soluions incluan des sysèmes de l élecronique de puissance, son capables de répondre à ces normes. 2- Applicaions indusrielles : Pompes, compresseurs. Variaion de viesse. Charios élecriques. Tension réglable Fréquence réglable Fai sous Linux e OpenOffice/SarOffice Page 6/11

7 Chapire I Inroducion - Chauffage par inducion. Grues. Fours (à arcs, à résisance, à plasmas). Appareils de soudage. Élecrolyse. Onduleurs de secours. 3- Transpor : Réseaux de bord d avion, commande élecrique. Tracion élecrique (rains, méros, voiures élecriques, ). Propulsion élecrique des navires, généraion d élecricié à bord des navires. Généraion de l énergie élecrique par des cellules phoovolaïques pour les saellies, les saions spaiales. 4- Producion e Disribuion de l élecricié : Compensaeur de puissance réacive e filrage acif (augmener le faceur de puissance d une insallaion e limier les harmoniques de couran sur le réseau). Disposiif de sockage de l énergie. Les applicaions les plus puissanes des converisseurs saiques concernen le ranspor couran coninu - haue ension (CC-HT). Exemple de l Inerconnexion France Angleerre (IFA 2000) qui permeen une puissance de MW. IV- Consiuion des converisseurs saiques : Une conversion d énergie doi êre faie avec le meilleur rendemen, pour les raisons suivanes : difficulé d évacuer (dissiper) les peres si elles son rop imporanes, le coû des disposiifs dissipaeur de chaleur es imporan, la fiabilié d un composan (d un sysème) diminue quand sa empérarure augmene, il fau assurer une auonomie suffisane des appareils foncionnan sur piles ou baeries, il es nécessaire de conserver un bilan économique saisfaisan. Pour obenir ce rendemen maximum, il ne fau uiliser que des composans pas ou peu dissipaifs. La puisssance insananée "p()" vau : p() = v().i() Pour que ce dipôle ne présene aucune pere, la puissance moyenne qu il dissipe doi êre nulle : P= 1 T T 0 p.d=0w Deux condiions peuven respecer la dernière équaion : soi p() es nulle à ou insan, soi P sur 1 période de foncionnemen es nulle. Fai sous Linux e OpenOffice/SarOffice Page 7/11

8 Chapire I Inroducion - i() v() Figure 14 : Dipôle parcouru par un couran i() e ayan à ses bornes une ension v(). Dans le premier cas, il suffi que i() ou v() soi nul à ou insan : c es la foncion inerrupeur parfai. i() i() v() v() Quand l inerrupeur es fermé, la chue de ension à ses bornes es négligeable. Ainsi, quelque soi i (), p() = 0 W. -Figure 16- v() Figure 15 : Inerrupeur parfai. i() p() Figure 16 : Calcul de la puissance Sur le racé i() = f(v()), l éa de l inerrupeur fermé es représené par un rai en poinillé. Quand l inerrupeur es ouver, le couran qui le raverse es nul. Ainsi, quelque soi v(), p()= 0W. Sur le racé i() = f(v()), l éa de l inerrupeur ouver es représené par un rai coninu e horizonal. Remarque : Fermé = Passan = ON = 1 Ouver = Bloqué = OFF = 0 Fai sous Linux e OpenOffice/SarOffice Page 8/11

9 Chapire I Inroducion - En praique, les inerrupeurs seron réalisés à parir de semi-conduceurs foncionnan en commuaion (= ouver ou fermé ; différen du régime linéaire). Ces composans ne présenen pas les caracérisiques présenées précédemmen : ils laissen passer un faible couran, appelé couran de fuie, e a ses bornes une ension imporane pendan son blocage, v() i() p() Figure 17 ils présenen une faible ension pendan qu'il laisse passer un couran qui peu avoir une valeur rès élevée, v() i() p() Figure 18 la commuaion n'es jamais insananée. Fai sous Linux e OpenOffice/SarOffice Page 9/11

10 Chapire I Inroducion - v() i() p() Figure 19 La puissance insananée n'es donc jamais nulle. Ces composans ravaillan en général à de rès haues fréquences, l'énergie qui es par la suie ransformée en chaleur peu êre rès élevée. Pour résoudre le problème on peu soi : évacuer la chaleur produie par un radiaeur, e/ou un fluide caloporeur, rearder le monée en ension an plaçan un condensaeur en parallèle avec l'inerrupeur, e/ou rearder la monée du couran en plaçan dans le sysème une inducance en série. Ce ensemble de composan pore le nom de snubber ou CALC -Circui d'aide à la Commuaion- en français. Dans le second cas, le produi v(). i() peu êre anô posiif, anô négaif, mais sa valeur moyenne doi êre nulle (P = 0 W). Les composans qui réponden à cee définiion son les composans réacifs (inducances e condensaeurs). Ils ne ransformen pas l énergie élecrique, ils se conenen de la socker (e de la resiuer). Ils peuven êre considérés comme des réservoirs énergéique. W C = 1 2 C.V 2 W L = 1 2 L.I 2 Remarques : La noion de puissance dissipée nulle, perme égalemen l uilisaion de ransformaeur, La foncion "ransformaion de l énergie élecrique" dans un converisseur saique, ne doi pas faire inervenir de résisance. Les élémens consiuan un converisseur saique son représenés sur la Figure 20. Energie Energie Figure 20 : Élémens consiuan un converisseur saique. Le foncionnemen d un converisseur saique es basé sur les modificaions séquenielles des Fai sous Linux e OpenOffice/SarOffice Page 10/11

11 Chapire I Inroducion - liaisons enre la source d enrée e la charge. Ces liaisons dépenden de l éa des inerrupeurs. Pour l éude des converisseurs saiques, il fau déerminer les équaions différenielles de foncionnemen correspondan à chaque phase de foncionnemen (les inerrupeurs ne varien pas). Il fau dans ce cas là, éablir les schémas pariels de foncionnemen (inerrupeur = ON = fil ; inerrupeur = OFF = circui ouver). Un converisseur saique es consiué d élémens à dissipaion minimale : principalemen des semiconduceurs foncionnan en inerrupeur, des inducances, des condensaeurs e des ransformaeurs. Il es donc mainenan inéressan de définir le foncionnemen des différens inerrupeurs semiconduceurs, inervenan dans un converisseur saique. Fai sous Linux e OpenOffice/SarOffice Page 11/11

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