GEL 4102 Electronique de Puissance

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1 Automne 2014 GEL 4102 Electronique de Puissance Chapitre 0 : Introduction 2 septembre 2014 Jérôme Cros

2 Principe de la commutation électronique Dans le domaine de la puissance, les composants électroniques fonctionnent généralement comme des interrupteurs (2 états) car ils ne doivent pas consommer d énergie ( échauffement) P(t) = V(t). i(t) ~ 0 Interrupteur ouvert : + - V >> 0 i ~ 0 Interrupteur fermé : + V ~ 0 - i >> 0 2

3 Pertes en conduction ou pendant le blocage VS pertes de commutation Caractéristique statique P < 0 i Commutation P < 0 v Convention récepteur + - V P > 0 Puissance dissipée i Pertes en conduction minimales si V ~ 0 Pertes pendant le blocage minimales si i ~ 0 Chaque commutation (amorçage ou blocage) entraîne une dissipation de puissance. Ces pertes sont proportionnelles au nombre de commutations par seconde (= fréquence) 3

4 Les composants de puissance 4

5 Performances des composants Puissance commutable SCR : 24 MVA GTO : 36 MVA IGBT : 4.5 MVA MOSFET : 100 KVA 5

6 Les convertisseurs d'énergie 6

7 Exemple : Les blocs d alimentation : CA CC Source de tension continue, régulée avec limitation de courant ajustable (protection) Possibilité de fonctionnement en source de courant continu Il existe aussi des sources de tension avec protection par fusible (courant max. limité) Réglage du courant Réglage de la tension Transistor (régulateur) Transformateur Filtre capacitif 7

8 Principe d une alimentation linéaire Transformateur Redresseur Filtre Régulateur Réseau CA Sortie CC Le transformateur permet d adapter l'amplitude de la tension secteur. Le redresseur convertit la tension alternative en tension unidirectionnelle Le filtre stocke de l énergie pour lisser la tension Le régulateur réduit l'ondulation résiduelle de tension Applications : Alimentations de faible puissance < 50W (rendement faible) 8

9 Principe d une alimentation à découpage (rendement élevé) Réseau CA Redresseur + Filtre Le redresseur convertit la tension alternative en tension unidirectionnelle Convertisseur CC CA Un convertisseur avec des transistors produit une tension alternative et régule la tension par modulation de largeur d impulsion MLI Applications : Alimentations de puissance 10 W 100 kw Transfo HF Mesure isolée Un transfo HF (Haute fréquence) a un volume très réduit par rapport à un transfo BF Redresseur + Filtre Sortie CC Un filtre HF est plus compact qu un filtre BF Power supply - PC PC, PC portable, Télévision 9

10 Comparisons entre les deux types d alimentation Découpage Linéaire Rendement Puissance massique Ondulation 60 à 90 % 35 à 55 % 30 à 300 W/kg 10 à 30 W/kg Transfo : P = K. f. B. J. Sfer. Scu 1 % 0.1 % Marché P < 150 W 150 < P < 500 W P > 500 W 60 % 40 % 75 % 25 % 90 % 10 % 10

11 Les domaines d application de l électronique de puissance Le réseau électrique : - Ligne de transport à courant continu HVDC - Les compensateurs statiques (d energie réactive) - Les convertisseurs de fréquence - Les interfaces et dispositifs de contrôle pour les systèmes d energie renouvelable Les applications industrielles: - Alimentations DC ou AC pour l industrie chimique - Les entraînements à vitesse variable La propulsion ou la traction La domotique et tous les accessoires électroniques 11

12 Réseau électrique d Hydro-Quebec Compensateur statique SVC (photo ABB) Thyristor et GTO 12

13 Ligne de transport d électricité HVDC Valves de Thyristors (photo ABB) Poste d inversion 600 MW (photo ABB) 13

14 Energies renouvelables Energie photovoltaïque (source CC) Energie éolienne (Source CA à fréquence variable) 14

15 Turbines fonctionnant à vitesse variable avec un convertisseur CA-CA indirect Enercon E112 (4.5-6MW) 3765 A / phase DC AC SG AC DC DC AC 690V/500kW DC AC E112 15

16 Industrie minière Excavatrices 2x200kW 1x240kW 1x895kW 1x635kW 750kVA onduleur PWM 16

17 Industries métallurgique et chimique Alimentation CA Compensateur statique Filtres harmoniques Alimentation CC Redresseur 17

18 Traction électrique Transport Ferroviaire TGV 1 moteur 1460 kg 300 km/h kw 4000 rpm 25kV 50Hz monophasé à 1500V 50Hz. Convertisseur de fréquence 3ph 1ph (photo ABB) 18

19 Propulsion électrique Transport maritime 14.4 MW 2 hélices 4 moteurs de 3.6MW rpm Moteur électrique en nacelle (Pod) fixés sous la coque 19

20 Traction électrique Autobus hybride GM Électrique pur Parallèle Mécanique pur Système de transmission Fonctionnement suivant la vitesse 20

21 Traction électrique Véhicule électrique hybride 21

22 Traction et Propulsion Petits véhicules électriques BionX international 23

23 Accessoires automobiles Suspension active Direction et freinage assistés Allumage électronique Commandes de valves Actionneurs et entraînements à vitesse variable Alternateurdémarreur 24

24 Besoins énergétiques dans les automobiles modernes 25

25 Accessoires automobiles Motoventilateur fonctionnant à vitesse variable SIEMENS Moteur à 5 phases avec aimants permanents à rotor extérieur (250 W) Onduleur à Mosfets (courants unidirectionnels de forme rectangulaire) 26

26 Asservissements Aéronautique et Espace Alimentations et commandes de moteurs Robotique Contrôle de vitesse ou de position 27

27 Alimentation de tube LASER 28

28 Equipements domestiques Alimentations de télévision, Magnétoscope, DVD Four micro-onde Réfrigérateur Domotique Systèmes d éclairage Outillage électrique Alimentation de tube cathodique (télévision) Chargeur de batteries 29

29 Equipements informatiques Alimentations à découpage pour PC : (Power supply) 30

30 Alimentation de secours (UPS) Alimentation parallèle sans coupure 31

31 Ballast électronique pour lampe fluorescente 32

32 Lampes fluorescentes à faible consommation 33