ELECTRONIQUE DE PUISSANCE

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1 ELECTRONQE DE PSSANCE - Nicolas BERNARD - Janier Les conerisseurs saiques d énergie 2.1 Généraliés Les différenes familles de conersion Principe de réalisaion des sources d alimenaion en élecronique de puissance Les composans de l élecronique de puissance Principales caracérisiques des composans Règle d associaion des sources Les redresseurs (Conerisseurs lens) 7.1 Redressemen monophasé non commandé (pons à diodes) Redressemen monophasé commandé en pon comple (pons à hyrisors) Redressemen riphasé non commandé Redressemen riphasé commandé Foncionnemen en redresseur de couran Les conerisseurs à découpage (Conerisseurs rapides) 15.1 Principe Hacheur série Hacheur parallèle Hacheur 2 quadrans Hacheur 4 quadrans Elaboraion des signaux de commande Onduleur ML monophasé... 22

2 Chapire LES CONERTSSERS STATQES D ENERGE.1 Généraliés L alimenaion des disposiifs élecroechniques (moeurs, chauffage par inducion, éclairage ) nécessie des conerisseurs d énergie capables d adaper la naure e la qualié de l énergie aux besoins. On sai, par exemple, que la ariaion de iesse d une machine à couran coninu es obenue par une ariaion de sa ension moyenne d alimenaion. Ex : MCC pour la racion ferroiaire source de ension fixe énergie perdue par effe Joule mcc MCC 1 ère généraion : ariaion de iesse obenue par chue de ension dans un élémen résisif (mauais rendemen) Ω source de ension fixe conerisseur saique (rendemen de 80 à 90 %) mcc MCC Ω élecronique de commande 2 ème généraion : ariaion de iesse obenue par un conerisseur d énergie de rès bon rendemen (ex : hacheur).2 Les différenes familles de conersion On compe quare familles de conerisseurs, selon la naure des grandeurs d enrée e de sorie. Ces grandeurs pouan êre coninues ou alernaies. Type de conersion Symbole Monage Coninu/coninu Hacheur Coninu/alernaif Onduleur Alernaif/coninu Redresseur Alernaif/alernaif Gradaeur, cycloconerisseur 2

3 .3 Principe de réalisaion des sources d alimenaion en élecronique de puissance En élecronique de puissance, on n uilise pas d amplificaeur comme en élecronique analogique. Le rendemen de ces amplificaeurs (classe A par exemple) es mauais e conduirai à des peres d énergie inaccepables dans une chaîne de conersion d énergie. On uilise pluô des composans semiconduceurs foncionnan comme des inerrupeurs : ouers ou fermés. On disingue : Les redresseurs Exemple : Redressemen (non commandé) d une source de ension riphasée Les conerisseurs à découpage Exemple : Découpage d une ension coninue (Modulaion de largeur d impulsion).4 Les composans de l élecronique de puissance En élecronique de puissance, on uilise des composans fabriqués à parir de maériaux semiconduceurs (silicium dopé N ou P par exemple). Ces composans foncionnen en mode inerrupeur (ouer ou fermé) que l on appelle égalemen mode de commuaion. On disingue principalemen : les composans non commandables : Diodes id d Blocage e amorçage naurel nidirecionnel en couran les composans commandables à la fermeure seulemen : Thyrisors ih G h Blocage naurel e amorçage commandé nidirecionnel en couran 3

4 les composans commandables à la fermeure e à l ouerure : Transisors Bipolaires (ype NPN) ic i b be ce Blocage e amorçage commandés par le couran de base nidirecionnel en couran e ension Transisors MOS (ype canal N) GS D DS Blocage e amorçage commandés par la ension de grille GS Transisors GBT ge ic ce Blocage e amorçage commandés par la ension de grille GE Acuellemen, la endance es à l uilisaion des ransisors MOS pour les peies puissances e des ransisors GBT pour les moyennes e fores puissances. Les ransisors bipolaires don les circuis de commandes son gourmands en énergie e les hyrisors don le conrôle es difficile (ils ne son pas commandables direcemen au blocage) e les performances en commuaion médiocres, son de moins en moins uilisés e enden à disparaîre. Pon de diodes inégré de peie puissance (qques dizaines de Wa) ih G h Thyrisor de peie puissance en boîiers TO-220 id Diode de fore puissance en boîier de ype press pack (couran commué ~ 5000 A) d ih G h Associaion de deux ransisors GBT (bras de pon), A Thyrisor de fore puissance (~1000 A commué) aec gâchee d amorçage La fréquence de commuaion es liée à l inensié du couran commué. Plus celui-cs éleé, plus la fréquence de raail possible es faible. Les hyrisors uilisés dans les monages redresseurs, qui permeen la coupure des courans les plus éleés, son les plus lens. Leur fréquence de commuaion rese en général inférieure à 1 khz. Acuellemen, pour augmener la puissance des conerisseurs, on uilise pluô des ransisors de ypes MOS ou GBT associés en série e parallèle. 4

5 i c 2i c ce i c 2 ce Exemple d associaion série/parallèle. (Pouoir de coupure e enue en ension 2).5 Principales caracérisiques des composans n inerrupeur, en élecronique de puissance, compore deux éas de foncionnemen : bloqué (ouer) ou passan (fermé). + 0 D i k k K fermé D bloquée : k K ouer D passane : k Les deux principales grandeurs dimensionnanes d un inerrupeur de puissance son : - le couran qui le raerse à l éa passan e qui doi pouoir commuer, - la ension qu il donir à l éa bloqué. i k OFF ON k Caracérisique d un inerrupeur parfai.6 Règle d associaion des sources On disingue les sources de ension e les sources de couran. ne source de ension es un généraeur (ou une charge) qui impose un nieau de ension quel que soi le poin de foncionnemen. Au conraire, une source de couran es un généraeur (ou une charge) qui impose un nieau de couran. Exemples de sources de ension ne source pariculière... n panneau phooolaïque peu se comporer soi comme une source de ension, soi comme une source de couran selon la zone de la caracérisique dans laquelle il raaille. 5

6 Règle d associaion des sources On associera oujours des sources de naures différenes. On rouera donc : ne source de ension associée à une source de couran ne source de couran associée à une source de ension On rouera par exemple 6

7 Chapire LES REDRESSERS (Conerisseurs lens) Ces conerisseurs uilisen une echnologie désormais en pere de iesse. L uilisaion du hyrisor es, en effe, progressiemen abandonné au profi des composans plus rapides e plus simples à commander que son les ransisors MOS e GBT. D aure par, leur mauais faceur de puissance qui n es mainenan plus en accord aec les normes harmoniques européennes, les condamne à plus ou moins long erme. Ces conerisseurs, qui on foremen marqués les débu de l élecronique de puissance, resen cependan encore assez répandus. On les roue noammen, en racion élecrique (morices TG), dans les ariaeurs de iesse indusriels, dans les alimenaions pour poses de éléision ec.1 Redressemen monophasé non commandé (pons à diodes) a. Redressemen simple alernance Cee srucure, la plus simple qui soi, es un cas d école. Elle n es que rès peu uilisée en élecronique de puissance. Monage : D i s R L Tension moyenne de sorie :. sin( ) e e max s moyen e max b. Redressemen double alernance Hyp : Monage : La charge, supposée infinimen inducie, es modélisée par une source de couran parfaie. (> i s cse) D1 D 2 D 3 D 4 Tension moyenne de sorie : s moyen 2. e max 7

8 Remarque : ce mode de redressemen peu êre égalemen obenu à parir d un monage di «à poin milieu». D1 i s D 2 R L Monage équialen au pon de diodes double alernance. c. Filrage Les élémens de filrage (inducances e capaciés) son indissociables des conerisseurs saiques. Les monages précédens, assuren la foncion redressemen. Pour obenir une source de ension coninue, il fau filrer les ondulaions de ension générées par le redressemen. 1 er ype de filrage : filrage capaciif max c s T/2 T Principe : D1 e D4 passanes D2 e D3 passanes Pendan la durée c, D 1 e D 4 (ou D 2 e D 3 selon l alernance) conduisen e la capacié se charge à la ension e (ia la résisance de ligne e la résisance des diodes). Dès que la ension d enrée deien inférieure à la ension de sorie les diodes se bloquen. Désormais, seule la capacié alimene la charge. Elle se comporen comme une source de ension don l énergie es limiée par son éa de charge. Le calcul de la capacié en foncion d une ondulaion de ension imposée par le cahier des charges es rès simple. On fai pour cela les deux hypohèses suianes : c << T/2 c consane Alors : i Donc : c C s 0 d. d.t 2.C 0 s C 0 2.C s. T/2 0.f Ce ype de monage, rès répandu (alimenaion des éléiseurs par exemple), es amené à disparaîre car les normes européennes l inerdisen mainenan. Les pics de couran générés, propagen des perurbaions sur le réseau (surensions, courans parasies ) e prooquen une dégradaion de la qualié de l énergie fournie (phénomènes de résonance, peres en lignes supplémenaires ). Le faceur de puissance de ce monage es rès mauais. l au eniron 0,6. 8

9 2 eme ype de filrage : filrage LC max. sin( ω ) il L 0 max - s L D 2 C 0 ic + réel D 3 D 4-2 source d'alimenaion aec inducance de ligne D1 e D4 passanes D2 e D3 passanes L ajou de l inducance L 0 améliore le faceur de puissance par rappor au monage à capacié en êe. Le couran préleé ne présene, en effe, plus de pics e son harmonicié es plus faible ( se rapproche d une sinusoïde). k.m i L pour un PD2 à diodes, k L. ω 0 3 eme ype de filrage : filrage L Lorsqu on alimene une machine à couran coninu, on souhaie minimiser l ondulaion de couran. Les ondulaions de couran prooquen, en effe, des ondulaions de couple (CK.) source de bru d usure des paries mécaniques. Pour minimiser les ondulaions de couran, si l inducance de l indui de la machine ne suffi pas, il fau rajouer une inducance de lissage en série aec l indui de la machine. i L 0 L D 2 MCC max - s di 0 d L i D 3 D 4 Pour ce monage, comme pour le précéden, on monre que : 0.42M i L L. ω D1 e D4 passanes 2 D2 e D3 passanes.2 Redressemen monophasé commandé en pon comple (pons à hyrishors) l es imporan de pouoir régler le nieau de ension. Les diodes son donc remplacées par des hyrisors, composans que l on peu commander à l amorçage. Le blocage lui, ne peu pas se commander, il se fai de façon naurelle, lorsque le couran dans le composan s annule. 9

10 a. Monage Th 1 Th 2 Ψ défini l angle de reard à l amorçage par rappor à l angle de commuaion naurelle. Th 3 Th 4 Ce monage, selon la aleur de Ψ foncionne soi : en redresseur : Ψ 0; e s moyen posiif 2 en onduleur : Ψ ; γ e s moyen négaif 2 max s max 2 2 s Ψ Ψ (fondamenal) (fondamenal) Th1 e Th4Th2 e Th3 passans passans Th2, Th3 passans Th1, Th4 passans Th2, Th3 passans Foncionnemen REDRESSER Foncionnemen ONDLER b. Tension moyenne de sorie : s moyen 2.max. cosψ s Remarque : cee relaion n es raie que si la charge se compore comme un source capable d imposer un couran moyen consan quelque soi le signe de la ension moyenne (ex : machine à couran coninu). 2. max charge R,L 2. - max 90 charge ype MCC 180 γ 30 Ψ En réalié, on limie l angle Ψ à une aleur maximale proche de 150. L angle γ (appelé angle de garde) es nécessaire pour garder un bon conrôle des hyrisors. 10

11 c. Puissance acie côé alernaif : Lorsque la ension seule es sinusoïdale, on monre que seul le fondamenale du couran (harmonique de rang 1) éhicule la puissance. Si le couran, côé réseau, es de forme créneau. Sa composane fondamenale a pour expression : ( 4. ). sin( ω ) aec : ϕ 1 Ψ i1 ϕ1 Côé alernaif, l expression de la puissance acie s écri donc : P eff. 1eff. cos(ϕ 1 ) d. Bilan des puissances : En général, on néglige les peres dans le pon (supposées faibles dean les puissances mises en jeu)... e1.cos( ϕ ) puissance acie P s moyen s 1 Q. e1.sin( ϕ1 ) puissance réacie S. e. puissance apparene On rappelle que : e e s moyen. cos( Ψ ) e ϕ Ψ. 2 1 S Donc : P.cos( Ψ ) Q.sin( Ψ ) S. On remarque que : 2 P 2 + Q 2 En effe, lorsque le couran n es plus sinusoïdal, il fau ajouer un erme à la formule de BOCHEROT. l s agi de la puissance déformane (noée D) el que : S 2 P 2 + Q 2 + D 2 On monre que : 8 D.. 1 puissance déformane (unié : AD). 2 Elle au donc 0.43 fois la puissance apparene. e. Faceur de puissance : F p P 2. S 2...cos( Ψ ) 2. 2.cos( Ψ ).. Le faceur de puissance au (lorsque Ψ0), au mieux,

12 .3 Redressemen riphasé non commandé à diodes a. Pons simples (P3) Les pons simples son consiués de l associaion de n diodes en parallèles (en riphasé n 3). Ces diodes son soi à cahodes communes, soi à anodes communes. Quand plusieurs diodes son monées en parallèles e qu elles son à cahodes communes, seule la diode qui a le poeniel le plus éleé sur son anode condui. nersemen, pour un monage à anodes communes, seule la diode présenan le poeniel le plus bas condui. N a i a D 1 D 2 D 3 i b i c angles de commuaion naurelle s max 2 s ia c a b Pon simple à cahodes communes ( s > 0) D1 D2 D3 Tension moyenne en conducion coninue s moyen max a. Pons doubles (PD3) Tension moyenne en conducion coninue s moyen max 12

13 .4 Redressemen riphasé commandé à hyrisors a. Pons simples N a i a Th 1 i b A Th 2 Th 3 i c AN angles de commuaion naurelle s max s Pon simple à cahodes communes ( s > 0) Tension moyenne en conducion coninue N Th3 c Th1 a Th2 b 2 Th3 ia s moyen max. cos( Ψ ) b. Pons doubles Ce monage es l associaion d un pon simple à cahodes communes e d un pon simple à anodes communes. Le conduceur neure n es plus uilisé. N a i a Th 1 Th 2 Th Tension moyenne en conducion coninue 3 i b i c s 3. 3.max s moyen.cos( Ψ ) Th 4 Th 5 Th 6 ensions composées max a b c Ψ AN s BN i a 2 /3 2 Th3 Th1 Th2 Th3 Th5 Th6 Th4 Th5 13

14 .5 Foncionnemen en redresseur de courans l s agi d un cas pariculier de foncionnemen des monages redresseur à diodes, uilisés par exemple pour conerir en énergie coninue l énergie produie sous forme alernaie par des généraeurs élecriques (généraeur éolien par exemple). Dans ce mode de foncionnemen, la ension de sorie es imposée à une aleur consane (par des baeries élecrochimiques par exemple) e se son les courans qui son redressés. La source alernaie se compore comme une source de couran e ce son les courans qui imposen la commuaion des diodes. Exemple de foncionnemen en redresseur de courans (applicaion : éolienne) Formes d ondes (ension enre phases e courans par phase) aleur moyenne des courans redressés s moyen 3. max 14

15 Chapire LES CONERTSSERS A DECOPAGE (Conerisseurs rapides) Pour ces conerisseurs, on commande les inerrupeurs de puissance (ransisors) à l ouerure e à la fermeure. On uilise donc des ransisors..1. Principe K 1 source de ension fixe K 2 mcc MCC Ω i s On défini : on α Rappor cyclique T K1 fermé K2 ouer K1 ouer K2fermé Remarque : K 1 e K 2 doien êre à commande complémenaire (K 1 K 2 générées par de simples ensions définissan les deux nieaux logiques 0 e 1. ). Ces commandes son b. Bilan des puissances Si on suppose les inerrupeurs parfais (sans pere ni chue de ension), on a : P e <. >.< > α.. P s < mcc.> < mcc >. α.. puissance d enrée puissance de sorie Alors, le rendemen du conerisseur au : η 1 En oue rigueur, les inerrupeurs son le siège de peres e le rendemen es bien sûr inférieur à 1. Mais celui-ci rese en général rès bon (η 0.9) rendan ce ype de conerisseur rès inéressan. c. Les deux srucures de base Hacheur série Abaisseur de ension Hacheur parallèle Eléaeur de ension Hacheur série Hacheur parallèle 15

16 .2 Hacheur série Ce ype de hacheur réalise une source de ension coninue réglable à parir d une source de ension coninue fixe. l reprend la srucure précédene. Exemple : alimenaion d une machine à couran coninue sous ension réglable En général, on peu négliger l effe de la résisance d indui. On pose alors : R 0 De 0 à αt, K 1 es fermé La source alimene direcemen la charge. Le couran augmene linéairemen aec une pene (-E)/L. c () De 0 à αt, K 1 es ouer La coninuié du couran dans la charge es assurée par la diode de roue libre. La décroissance du couran es linéaire aec une pene E/L. a. Tension moyenne de sorie En régime éabli, la ension moyenne aux bornes de l inducance es nulle. Alors : s moyen mcc moyen E Aec : s moyen α. 16

17 b. Ondulaion du couran de sorie De 0 à αt d -E i s ( ). + min L Aec : i s (0) i s (T d ) min i(αt d ) max Donc :.(1 α ). α i aec : L.f d i max 4.L. f d c. Réalisaion d une source de ension à parir d un hacheur série source de ension fixe ie K 1 i d il L 0 C 0 d ic i s Cee fois-ci, le filrage es du ype LC. C 0 assure le comporemen source de ension is à is de la charge L 0 assure le comporemen source de couran is à is de la source de ension d enrée afin de respecer la règle d associaion des sources. d. Calcul d un filre LC de sorie Lors de la réalisaion d une alimenaion en ension coninue, oure la ension e la puissance maximale, le cahier des charges impose limie à l ondulaion de la ension de sorie. Cee ondulaion dépend direcemen de l ondulaion de couran dans l inducance. Le calcul des élémens du filre passe donc par le calcul de : - l ondulaion de couran i, - l ondulaion de ension. 1 er calcul : Ondulaion de couran On fai pour cela l hypohèse simplificarice suiane : l ondulaion de la ension de sorie es faible > < s > α. On a : α i L < > 0 L L 0 i C 0 <> α -α -α max min L i L αtd T d i 17

18 De 0 αt d : i L ( ) -α. + min > L.(1 α ) i L.f d 2 ème calcul : ondulaion de ension + i L 0 C 0 i <i > 0 C i/2 - i/2 i c 0 1 T /2 d c αtd T d i Q (charge sockée) Le calcul peu se faire à parir de l équaion de i C. Mais une méhode plus rapide consise à passer par le calcul de la charge sockée dans la capacié. Ce calcul reien à un calcul de surface (simple dans ce cas puisque les surface son riangulaires). On san effe que : 1 dq i c > d i c.d Q( 1 ) Q( 0 ) Q D aure par : Q C. c Le calcul de surface donne : 0 1 i Td Q > c i 8.C 0.f d.3 Le hacheur parallèle l s agi de la srucure duale de la srucure uilisée pour le hacheur série. Sur ce monage, l aaque se fai donc en couran e la source de sorie es une source de ension (pour respecer la règle d associaion des sources). On fabrique une source de couran en ajouan une inducance en sorie d une source de ension. s s 1 id α.t d Td ie ik cde K k K fermé D bloquée K ouer D bloquée 18

19 a. Tension moyenne de sorie On suppose la ension de sorie parfaiemen coninue elle que consane s. En régime éabli, la ension moyenne aux bornes de l inducance es nulle. Alors : e moyen k moyen k moyen Donc: 1 Td. [ s.(1 α)td ] (1 α ). s e moyen s 1 α.4 Le hacheur 2 quadrans Ce conerisseur (on l appelle égalemen bras de pon) es une imbricaion du hacheur série e du hacheur parallèle. Cela perme d obenir un sysème réersible en couran. i K 1 ik 2 i d1 id2 i s K1 L A Tension moyenne en conducion coninue s moyen α. M Exemple d applicaion : enraînemen d une MCC K1 1 T1 αt D2 T T1 i s D2 moeur > 0 moeur > 0 Mode de foncionnemen MOTER 1 αt T i s T1 D2 T1 D2 Mode de foncionnemen GENERATER (phase de freinage) K1 moeur > 0 moeur < 0 19

20 .5 Le hacheur 4 quadrans On uilise deux bras de pons (2 hacheurs 2 quadrans mis en parallèles). Cee srucure perme, en plus de la réersibilié en couran, d obenir une réersibilié en ension. On obien donc selon le signe de la ension e du couran de sorie, quare modes (4 quadrans) de foncionnemen possibles. i K 1 i d1 ik 3 i d3 i l ik 2 i d2 i K4 id4 s MCC Ω, C La ension moyenne aux bornes de l inducance es nulle e : s moyen mcc moyen Aec : s moyen ( 2α 1). a. Ondulaion de couran On monre que : 2..(1 α ). α i aec : L.f d i max 2.L.f d (ondulaion deux fois supérieure au hacheur 2 quadrans) b. Les quare quadrans de foncionnemen Exemple de foncionnemen d une machine à couran coninu illusran le principe des 4 quadrans 20

21 .6 Elaboraion des signaux de commande (cas des composans à grille isolée) Les ransisors de ype MOS e GBT se commanden simplemen en appliquan une ension enre leur grille (borne noée G) e leur éméeur (on noe aussi source). gs 0 > ransisor bloqué (circui ouer) gs + CC 15 > ransisor passan (circui fermé). Le réglage du rappor cyclique e de la fréquence (réglage du emps de conducion) peu êre réalisé à parir d un circui comparaeur. Celui-ci compare le nieau du signal de commande aec le nieau du signal déliré par un oscillaeur déliran des signaux riangulaires don la fréquence fixe la fréquence découpage. L uilisaion d un monage push-pull perme d accélérer la rapidié de la commuaion. monage push-pull comparaeur +cc AM ension de commande [0-10 ] α r c ge généraeur de signaux riangulaires de fréquence 1/Td ce T d T d AM α Sur une période de découpage, la ension de sorie se compose d une composane coninue e d une composane alernaie don la fréquence fondamenale au f d. 21

22 AM ~ < AM > + AM aec < AM > α. Si la ension de commande éolue dans le emps beaucoup plus lenemen que la fréquence de découpage, alors, la aleur moyenne du signal de sorie éolue aussi. Si la ension α éolue en rampe, alors < AM > éolue en rampe. Si la ension α éolue sinusoïdalemen, alors < AM > éolue sinusoïdalemen..7 Onduleur ML monophasé L onduleur ML reprends la srucure uilisée pour le hacheur 4 quadrans. Seule change la grandeurs de commande. Puisque celle-ci impose par sa forme celle de la aleur moyenne de la ension de sorie, on peu générer un signal sinusoïdal. i K 1 i d1 ik 3 i d3 l i K 2 id2 i K4 id4 c filre HF charge moy ( 2α 1). Si α éolue dans le emps el que : 1 α α ( ) +.sin( 2..f BF 2 2 Aec : f BF << f d : Alors : s moyen +. ) α.. sin( 2.f BF. ) + éoluion de la aleur moyenne de éoluion de la aleur moyenne aec fd endan ers l'infinie 1/2 α ( ) 22

23 composane BF à 50 Hz (éoluion de la composane moyenne) composanes HF dues au découpage f BF filrage HF Pour le calcul, on peu reprendre celui effecué pour le hacheur série. 2..(1 α ). α i L.f d 50 Hz rappor 400 f d 20 khz 2.f d f c 8.C i 0.f d 23