Les adaptateurs d énergie

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1 1- Adapter l énergie électrique Afin d adapter l énergie électrique aux besoins, il existe plusieurs solutions suivant la nature de la charge. Nous nous intéresserons ici au problème de l adaptation de l énergie électrique pour le raccordement au réseau de distribution et de transport, au problème de la variation de vitesse des moteurs à courant continu et à la variation de puissance pour des systèmes fonctionnant en tension alternative. 1-1 Le transformateur Le rôle principal d un transformateur est d augmenter la tension à la sortie d une centrale de production pour pouvoir transporter l électricité en diminuant les pertes, puis de l abaisser pour effectuer sa distribution. Exemple : 1/14

2 La figure ci-contre représente le type de transformateur utilisé sur l île de EL Hierro pour l alimentation de la partie commande des pompes. Il s agit d un transformateur monophasé dont le schéma de principe est représenté ci dessous. Il est composé d un circuit magnétique sur lequel sont enroulés deux bobines (primaire et secondaire). La convention utilisée généralement est récepteur au primaire et générateur au secondaire. L enroulement du primaire comporte N1 spires et l enroulement du secondaire en comporte N2. Avec les conventions de la figure ci-dessus, il est possible d obtenir le rapport de transformation grâce à la formule suivante : i 1 / i 2 = U 2 / U 1 = N 2 / N 1 = -m La figure ci-dessus représente le schéma équivalent d un transformateur réel. R1 et R2 sont les résistances des enroulements au primaire et au secondaire, L1 et L2 sont les inductances dite de «fuite», Rf et L représentent le comportement de la bobine à noyau de fer. Un transformateur réel est le siège de pertes : les pertes cuivre et les pertes Fer. Les pertes cuivre sont les pertes par effet Joule. Pj = R 1 (I 1 ) 2 + R 2 (I 2 ) 2 Les pertes Fer dépendent de la fréquence du courant électrique. Elles ont dues à des phénomènes d hystérésis ou à l existence de courants de Foucault. Elles se notent P F. 2/14

3 Les transformateurs utilisés lors du transport de l électricité sont des transformateurs triphasés. Afin de brancher un transformateur, il faut réaliser son couplage. Le couplage est l interconnexion des enroulements entre eux. Ils sont choisis en fonction de la tension du primaire et celle du secondaire. Les enroulements du primaire peuvent être couplés en étoile ou triangle. Les enroulements du secondaire peuvent être couplés en étoile ou triangle. Dans le cas d un transformateur triphasé, le rapport de transformation s exprime comme le rapport entre la tension du secondaire à vide et la tension primaire. 1-2 Convertisseur continu /continu Pour tout véhicule à motorisation électrique, le problème de la variation de vitesse se pose. Exemple : Le CYCAB Le CYCAB fonctionne avec 4 moteurs électriques à courant continu d une puissance de 1kW alimenté par des batteries de 48V continu. Ces moteurs doivent pouvoir fonctionner dans les deux sens de marche ( avant et arrière). La solution retenue par le constructeur pour faire varier la vitesse est un convertisseur continu/continu appelé hacheur. Hacheur 1 quadrant Le hacheur le plus simple est le hacheur 1 quadrant, T1 représente l interrupteur commandé. 3/14

4 Les hacheurs convertissent une tension continue fixe en une tension continue variable. Evolution temporelle des signaux d un hacheur 1 quadrant Le calcul de la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur se fait en utilisant la formule suivante : U moteur = V max où U moteur est la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur, est le rapport cyclique du signal de commande et V max est la tension de la batterie. Rappel : Le rapport cyclique pour un signal rectangulaire, noté α, est défini comme étant le rapport existant entre la durée du temps haut (t H ) du signal et sa période (T). Quand on utilise un voltmètre pour mesurer une tension alternative sinusoïdale, il ne nous affiche pas la tension maxi. Le voltmètre nous affiche la tension efficace. 4/14

5 Dans le cas du Cycab, le moteur doit pouvoir tourner dans les deux sens de rotation, par conséquent, la tension d alimentation du moteur doit pouvoir être négative. Ce qui n est pas possible avec un hacheur 1 quadrant. Nous utilisons alors un hacheur 4 quadrants. La figure ci-dessus présente le schéma de principe d un hacheur 4 quadrants également appelé pont en H de par sa forme. Sur ce schéma, T1, T2, T 3 et T4 sont des interrupteurs commandés. Pour éviter les courts-circuits sur la batterie, les interrupteurs T1 et T2 ne sont pas fermés en même temps. Il en est de même pour les interrupteurs T2 et T4. La figure ci-contre explique la logique de fonctionnement du pont en H. On voit apparaître le sens du courant et sens de la tension pour les deux sens de marche. La figure ci-contre représente l évolution temporelle du signal de commande des interrupteurs T1/T4 et T2/T3, l état des interrupteurs ainsi que la tension aux bornes du moteur. Les interrupteurs T1 et T4 sont actionnés au même moment ainsi que les interrupteurs T2 et T3. T1 (TR7), T2 (TR5), T3 (TR8) et T4 (TR6) Le calcul de la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur se fait en utilisant la formule suivante : U mot = (2-1) V Max où U mot est la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur, est le rapport cyclique du signal de commande et V Max est la tension de la batterie. 5/14

6 A la différence du hacheur 1 quadrant, le hacheur 4 quadrants permet ainsi le fonctionnement du moteur dans les deux sens de marche. Si = 100% alors U mot = V max et le moteur tourne dans le premier sens de marche. Si = 50% alors U mot = 0 et le moteur est a l arrêt. Si = 0% alors U mot = -V max et le moteur tourne dans le deuxième sens de marche. Le schéma ci-dessous représente le schéma électrique de l alimentation des moteurs du Cycab. Les interrupteurs commandés sont ici réalisés à l aide de transistors MOSFET (1). Le schéma précédent est alors équivalent au schéma de principe simplifié précédent, en remplaçant T1, T2, T3 et T4 par TR7, TR5, TR8 et TR6. TR7 TR5 TR8 TR6 Exercice d application : variation de puissance du moteur du Cycab 1- A partir du tracé ci-contre des signaux de commande TR5, TR6, TR7 et TR8, indiquez les interrupteurs fermés et ouverts à chaque instant. Tracer l évolution de la tension aux bornes du moteur. 2- Calculez la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur dans la situation donnée par les tracés. 3- Représentez la tension moyenne sur le tracé de la tension aux bornes du moteur. 6/14

7 1-3 Convertisseur alternatif / alternatif Le schéma de principe de ce convertisseur est représenté ci-dessous. Il s agit d un interrupteur commandé qui laisse passer ou non le courant. L objectif est de faire varier la valeur efficace de la tension aux bornes de la charge. L élément couramment utilisé pour réaliser cet interrupteur commandé est le triac. Schéma de principe d un gradateur Les gradateurs permettent d'obtenir une tension alternative variable à partir d'une tension alternative fixe. Triac (schéma et photo) Exemple : variateur de lumière Deux techniques sont le plus souvent utilisées pour la commande de l interrupteur T : la commande par angle de phase ou la commande par train d ondes Commande par angle de phase La valeur efficace V de la tension v(t) est réglable en réglant le retard à l'amorçage α des thyristors (voir suite redresseur commandé) 7/14

8 α = 0 : la lampe est éclairée au maximum V = 230v α entre 0 et 180 : variation de l'éclairage de la lampe. α = 180 : la lampe est éteinte Formule de calcul de la valeur efficace V de la charge : avec en degré Inconvénient : La tension aux bornes de la charge est alternative non sinusoïdale, donc le courant absorbé sera aussi alternatif non sinusoïdal. La présence d harmonique de courant absorbés sur le réseau sera donc importante Commande par train d ondes Quand l'inertie (le temps de réaction de la charge) est lent, on utilise le gradateur à train d'ondes La commande de K permet de laisser passer un certain nombres d'alternances complètes de la tension u(t) dans la charge pendant tc (temps de conduction). La mise sous tension du four étant cyclique, en réglant le temps tc on règle la puissance fournie à la résistance électrique donc la température dans l'enceinte du four. 8/14

9 La puissance moyenne fournie à la charge peut se calculer : tc : temps de conduction en secondes T : période du cycle en secondes Attention :ne pas confondre avec T= 20ms qui est la période de la tension du réseau 50 Hz. Avantage : la tension aux bornes de la charge est alternative sinusoïdale, donc le courant absorbé sera aussi alternatif sinusoïdal. La présence d harmonique de courant sera donc nulle. 1-4 Convertisseurs alternatif / continu Problème à résoudre : dans le cas de la production d électricité, la centrale de production doit être capable de s adapter à la demande d énergie en temps réel. Quand il s agit d éoliennes, le principal problème est la variabilité de la vitesse du vent. Il faut en permanence contrôler la fréquence du signal électrique créé afin de raccorder l installation sur le réseau de transport et de distribution. L idée principale est de transformer le courant alternatif à fréquence variable crée par le générateur en un courant continu (c est le redresseur) puis de transformer ce courant continu en courant alternatif dont on maitrise la fréquence (c est l onduleur) Conversion du courant alternatif en courant continu : le redresseur Un redresseur simple alternance monophasé est un redresseur supprimant les alternances négatives et conservant les alternances positives d'une entrée monophasée. La fréquence en sortie du redresseur est alors égale à la fréquence d'entrée. Cas d une charge résistive 9/14

10 Un redresseur double alternance monophasé est un redresseur redressant les alternances négatives et conservant les alternances positives du courant à l'entrée. La fréquence en sortie du redresseur est alors le double de la fréquence d'entrée. Un redresseur simple alternance triphasé est un redresseur permettant de redresser une source triphasée. Le signal redressé a alors une fréquence trois fois supérieure au signal d'entrée Le redresseur commandé Les redresseurs commandés convertissent une tension alternative en une tension continue variable. Exemple : Variateur DC pour moteur courant continu 10/14

11 Le redressement commandé est obtenu avec des thyristors. Dans le redressement commandé d'une tension alternative, la diode est remplacée par le thyristor qui possède la particularité de pouvoir contrôler le moment ou il deviendra "passant" dans l'alternance positive. C'est la troisième électrode, appelée "gâchette", qui, lorsqu'elle est alimentée sur commande par la régulation du redresseur, devient conductrice. Tout comme la diode, le thyristor est "bloquant" durant l'alternance "négative". On voit tout de suite l'intérêt du thyristor par rapport à la diode : on peut faire varier la valeur de la tension moyenne de sortie en contrôlant le moment où l'impulsion sera donnée sur la gâchette pour rendre le thyristor "passant". Dans un redresseur triphasé commandé, le pont de thyristors permet, comme le montre la figure ci-dessous : De générer une tension continue en redressant l'alternance négative de chacune des trois tensions composées. On voit que la tension de sortie n'est pas tout à fait continue et comporte une ondulation résiduelle. De faire varier le niveau de tension moyenne à la sortie du redresseur. 11/14

12 1-5 Convertisseur continu / alternatif l onduleur Les onduleurs convertissent une tension continue fixe en une tension alternative de fréquence fixe ou variable. exemple :onduleur pour camping car ( source : batterie récepteur : réfrigérateur 230v f = 50 hz) Le schéma est identique à celui du hacheur 4Q mais la commande des interrupteurs H1 à H4 est différente. schéma de principe Pour obtenir une vitesse variable pour un moteur à courant continu, le hacheur 4Q fait varier le rapport cyclique α de la tension v (la fréquence f est fixe) Schémas ci-contre 12/14

13 Afin d obtenir une vitesse variable pour un moteur alternatif, l'onduleur fait varier la fréquence ( la période T ) de la tension v Si le rapport cyclique α = 0,5, la valeur moyenne est nulle. La tension v est rectangulaire. Pour obtenir une tension sinusoïdale, il est nécessaire de filtrer cette tension. On peut utiliser une commande spécifique des interrupteurs appelée MLI : (modulation de la largeur d'impulsion) Commande MLI de l'onduleur : La commande MLI permet d'obtenir une valeur moyenne de la tension v sinusoïdale ce qui permet une rotation régulière et sans à coups, y compris aux très basses vitesses, grâce à une forme de courant proche de la sinusoïde. La commande des interrupteurs par MLI signifie que les interrupteurs sont commandés de façon électronique afin d obtenir un signal le plus sinusoïdal possible. Pour avoir ce résultat, la largeur du signal de commande n est pas constante sur une période du signal de sortie. La figure ci-dessous illustre ce principe. Cas d un onduleur triphasé Tension simple et composée à la sortie d un onduleur triphasé. 13/14

14 Synthèse Principales solutions pour adapter et transmettre l énergie électrique 14/14