ELECTRONIQUE DE PUISSANCE. 2 ème année S3. V. Chollet - cours-en-puiss-trous08.doc - 20/10/ Page 1 sur 31

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1 ELECRONIQUE DE PUISSANCE 2 ème année S3 V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 1 sur 31

2 ELECRONIQUE DE PUISSANCE Ch1 HACHEUR Ch2 HYRISOR Ch3 REDRESSEMEN COMMANDE Ch4 GRADAEUR Ch5 ONDULEUR Colle (1s) V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 2 sur 31

3 Chapire 1 HACHEUR I DEFINIION Source coninue fixe = = Grandeur élecrique coninue réglable Applicaion : commande de viesse de roaion d un moeur à couran coninu. II PRINCIPE 1 / SCHEMA DE PRINCIPE Principe de foncionnemen : Source Source Source charge commande commande charge Schéma de principe charge commande Schéma développé Schéma développé Les deux premiers schémas son ideniques. Dans le roisième on a permué l inerrupeur e la charge, ce qui ne change rien au foncionnemen du disposiif. L inerrupeur élecronique uilise un ransisor de puissance ou un hyrisor. 2 / SIGNAL DE COMMANDE DE L INERRUPEUR commande Fermé Ouver 1 Le rappor cyclique α es défini par : α = C es le paramère de réglage du signal de commande : La période es fixe e 1 réglable. V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 3 sur 31

4 Foncionnemen : L éa hau du signal de commande : L éa bas du signal de commande : Cee succession périodique d ouverure e de fermeure de l inerrupeur provoque le hachage de la grandeur élecrique de la source. La fréquence f = 1/ es la fréquence du hachage. 3 / DIFFERENS YPES DE HACHEURS a) Source de ension La source élecrique es une source de ension. A cause du hachage, la ension aux bornes de la charge présene des variaions bruales. Source de ension commande charge u c () Si la charge es résisive, le couran sera égalemen haché. (u c = Ri) Si la charge es inducive, le couran sera lissé. (Rappel : Le couran dans un circui inducif (R,L) ne présene pas de variaions bruales). Si la charge es capaciive : la variaion bruale imposée enraînera des pics de courans : i c = C du c /d. On éviera donc cee possibilié. En conclusion : Source de ension => charge R ou R,L. Ce ype de hacheur es un à liaison direce appelé hacheur série. b) Source de couran Source de couran coninu charge u c () commande Le signal de commande enraîne le hachage du couran dans la charge. Si la charge es résisive, la ension sera égalemen hachée. (u c = Ri) Si la charge es capaciive, la ension sera filrée. (Rappel : La ension aux bornes d un condensaeur ne présene pas de variaions bruales). Si la charge es inducive : la variaion bruale imposée enraînera des pics de ension : u L = L di/d. On éviera donc cee possibilié. En conclusion : Source de couran => charge R ou R,C. Ce ype de hacheur es un hacheur à liaison direce appelé hacheur parallèle. V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 4 sur 31

5 c) Changemen de la naure des sources i lissé par L L I I u filré par C U Ainsi le hacheur parallèle peu êre réalisé à parir d une source de ension ransformée en source de couran par une inducance : i lissé par L L charge u c () commande d) Hacheurs à liaison indirece ou à accumulaion Nous avons vu que les hacheurs à lisons direce ne permeen pas la liaison : Source de ension e charge capaciive ou source de couran e charge inducive. Pour ces deux cas on peu uiliser un hacheur à liaison indirece : - Source de ension e charge capaciive : hacheur à accumulaion inducive Source de ension commande Charge capaciive u c () - Source de couran e charge inducive : hacheur à accumulaion capaciive Source de couran coninu Charge inducive u c () commande V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 5 sur 31

6 III HACHEUR SERIE - CHARGE R 1 / SCHEMA DU DISPOSIIF V Commande e() B E C R u c L inerrupeur commandé es un ransisor de puissance foncionnan en commuaion. e() éa hau => ransisor..=> V CE e() éa bas => ransisor => V CE i 2 / CHRONOGRAMMES Commande e() 0 α Ea du ransisor u c () V 0 α i() V/R 0 α 3 / VALEUR MOYENNE DE U C E DE I Rappel valeur moyenne : U c moy = surface sous une période de la courbe uc() période On a donc ici : U cmoy = e I moy = V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 6 sur 31

7 Conclusion : α varie => Le couran e la ension son disconinus (hachés). IV HACHEUR SERIE - CHARGE RL 1 / SCHEMA DU DISPOSIIF V D R L i C B Commande e() E u c 2 / NECESSIE D UNE DIODE DE ROUE LIBRE - Sans la diode D : Quand le ransisor passe de passan à bloqué, le couran i. brualemen. Cela enraîne une variaion du magnéique dans la bobine e donc l appariion d une induie s opposan par ses effes à.., c es à dire s opposan à l annulaion du... V Inerrupion du couran : R Commande e() D B i L C E e = - L di/d >> 0: fem induie u c On a donc un pic de ension aux bornes du ransisor. Cela peu le déruire. - Avec la diode D : Quand le ransisor se bloque, le couran indui généré par la fem induie peu circuler libremen dans le circui RL car la diode es alors passane (e >0). Le couran i s éein donc progressivemen. V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 7 sur 31

8 3 / CHRONOGRAMMES a) Conducion disconinue La consane de emps L/R e le rappor cyclique es el que le couran i() peu s annuler avan la remise en conducion du ransisor. Commande e() 0 α bloqué Passan Passan bloqué u c () V 0 α i() I max 0 α D bloquée D pass D bloquée D pass D bloquée V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 8 sur 31

9 b) Conducion coninue Pour une même période e une même consane de emps L/R, la conducion peu devenir coninue lorsque le rappor cyclique augmene. Le couran i n a pas le emps de s annuler avan la remise en conducion du ransisor. Commande e() 0 α Passan Blo qué Passan Blo qué u c () V 0 α i() I max I min α D bloquée D pass D bloquée D pass 4 / VALEUR MOYENNE DE U C E DE I On a donc ici : U cmoy = α V e I moy = U cmoy /R car U Lmoy = 0 Le rappor cyclique du signal de commande fai varier la valeur moyenne du couran dans la charge résisive. La ension es hachée. Le couran es ondulé mais oujours de même signe e donc dans le même sens. Le couran es d auan moins ondulé que la consane de emps L/R es grande par rappor à la période du signal de commande. On a donc inérê à uiliser une inducance de fore valeur. On parle de bobine de lissage : la bobine a alors pour foncion de rendre le couran coninu. V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 9 sur 31

10 5 / ONDULAION DU COURAN passan : i() = A = α, on a : i(α) = I max = (I min V/R) exp(-rα/l) + V/R bloqué. En prenan l origine des emps au débu de cee phase, on a : i() = A = (1-α), on a : i[(1-α)] = I min = I max exp(-r(1-α)/l) On a ainsi la possibilié d exprimer I max e I min en foncion de R, L α e V HACHEUR SERIE - CHARGE RL,E (moeur à couran coninu) 1 / SCHEMA DU DISPOSIIF D R L V Commande e() B i C E E u c ransisor passan : uc = V i augmen exponeniellemen vers la valeur finale : ransisor bloqué : I décroi exponeniellemen vers,grâce à la diode de roue libre. On a alors uc = (ension aux bornes de la diode passane). Mais quand i end à s inverser, la diode se donc uc = E. V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 10 sur 31

11 2 / CONDUCION DISCONINUE Chronogrammes La consane de emps L/R e le rappor cyclique son els que le couran i() peu s annuler avan la remise en conducion du ransisor. Commande e() 0 α bloqué Passan Passan bloqué u c () V E 0 α i() I max 0 α D bloquée D passan D bloquée D passan D bloquée Remarque : On évie ce cas car le moeur es alors parcouru par un couran rop ondulé. V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 11 sur 31

12 3 / CONDUCION CONINUE En augmenan la consane de emps L/R du circui en jouan sur L, on peu obenir une conducion coninue quel que soi le rappor cyclique. a) Chronogrammes Commande e() 0 α Passan bloqué Passan bloqué u c () V 0 α i() I max I min α D bloquée D passane D bloquée D passane b) Valeur moyenne On a donc ici : U cmoy = α V e I moy = car U Lmoy = 0 Le rappor cyclique du signal de commande fai varier la valeur moyenne du couran dans la charge résisive. La ension es hachée. Le couran es ondulé mais oujours de même signe e donc dans le même sens. Le couran es d auan moins ondulé que la consane de emps L/R es grande par rappor à la période du signal de commande. On a donc inérê à avoir une inducance de fore valeur. On peu évenuellemen ajouer une bobine de lissage pour augmener l inducance du bobinage du roor du moeur à couran coninu. V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 12 sur 31

13 c) Condiion pour obenir une conducion ininerrompue Le couran I cmoy es forcémen posiif. Cela enraîne la condiion : αv > E α > E/V. d) Expressions insananées du couran. passan : i() = (I min (V-E)/R) exp(-r/l) + (V-E)/R A = α, on a : i() = I max = (I min (V-E)/R) exp(-rα/l) + (V-E)/R bloqué : En prenan l origine des emps au débu de cee phase, on a : i() = (I max + E/R) exp(-r/l) E/R A = (1-α), on a : i[(1-α)] = I min = (I max + E/R)exp(-R(1-α)/L) E/R Ondulaion du couran : I max I min = (V-E) [ 1 exp(-αr/l) ] /R Approximaion : Si L/R >> => R/L << 1 => αr/l ε. On a alors : 1 exp(ε) ε I max I min (V E) α / L V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 13 sur 31

14 Chapire 2 - LE HYRISOR I PRESENAION Symbole : A K G K A G II FONCIONNEMEN 1 / AMORCAGE A i U AK G i g K U AK > V (ension de seuil du hyrisor) E hyrisor passan ig > I g (couran d amorçage) 2 / BLOCAGE U AK < V (ension de seuil du hyrisor) OU hyrisor bloqué i < I h (couran de mainien) III CARACERISIQUES Exemple : hyrisor BW67 e 69 I = 50 A (efficace) I moy = 32 A I g maxi = 8 A I g = 8 ma I h = 150 ma V max = 1,9 V V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 14 sur 31

15 IV IMPULSION DE COMMANDE 1 / ALLUMEUR L allumeur du hyrisor es un monage généran une salve périodique d impulsions, synchronisées sur le seceur donc oues les 20 ms, avec une possibilié de réglage du décalage emporel enre le débu de la salve e la période de la ension seceur : ension seceur = 20 ms (50 Hz) Impulsions gâchee τ On pourrai se conener d une impulsion unique. La salve es une garanie pour que le hyrisor soi bien rendu passan. 2 / BRANCHEMEN DE L ALLUMEUR U AK A i i g G K allumeur seceur L allumeur es connecé sur le seceur pour permere la synchronisaion, un ransformaeur permera d abaisser la ension. 3 / EXEMPLE DE CIRCUI INERGRE (IC) CA 785 : Phase Conrol IC V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 15 sur 31

16 V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 16 sur 31

17 V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 17 sur 31

18 Chapire 3 REDRESSEMEN COMMANDE V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 18 sur 31

19 Chapire 4 - GRADAEUR I CHARGE RESISIVE On considère le monage suivan : h1 v(θ) = V max sin θ h2 R (charge) u(θ) θ = ω h1 es amorcé sur l alernance posiive de v h2 es amorcé sur l alernance négaive de v. L angle d amorçage, appelé α pour h1, es el que α es compris enre 0 e π. L angle d amorçage de h2 es π + α. 1 / Foncionnemen - Exprimer u quand h1 passan. - Pour quelle valeur de θ, h1 se bloque -il? - Exprimer u quand h2 es passan. - Pour quelle valeur de θ, h2 se bloque -il? 2 / Représener les chronogrammes superposés de v, u e i 3 / Comparer les formes d ondes de v, u e i 4 / Quelle es la valeur moyenne de u e de i 5 / Exprimer par calcul, la valeur efficace de u. Que devien-elle quand α=0 e α = π? 6 / En déduire le rôle du gradaeur 7 / Exprimer la puissance acive consommée par R. Que devien-elle quand α=0, α = π/2 e α=π? II MONAGE AVEC RIAC 1 / LE RIAC A1 V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 19 sur 31 u r A2

20 Le riac es un composan foncionnan comme 2 hyrisors en parallèle. Une impulsion de gâchee posiive ou négaive amorce le riac quel que soi le signe de la ension à ses bornes. 2 / CIRCUI COMPLE R (charge) i diac v(θ) R - u BO u BO C u c u diac Le circui d amorçage es consiué du circui R C e d un diac. Le diac es un composan qui s amorce sponanémen quand la ension à ses bornes dépasse en valeur absolue une ceraine valeur V BO (Break Over). (Voir caracérisique ci-dessus) Son amorçage es donc possible dans les deux sens. 3 / FONCIONNEMEN 1 ère phase : 0 < θ < π v(θ) > 0 - Commen évolue u c? - Que se passe -il quand u c > u BO? - Que devien l éa du riac? - Commen évolue alors u c? - Pour quelle valeur de θ le riac se bloque -il? 2 ème phase : π < θ < 2π v(θ) < 0 - Commen évolue u c? - Que se passe -il quand u c < -u BO? - Que devien l éa du riac? - Commen évolue alors u c? - Pour quelle valeur de θ le riac se bloque -il? Par quel procédé peu-on régler l angle d amorçage? 4 / APPLICAIONS Cier des applicaions de ce monage. III CHARGE INDUCIVE h1 v(θ) = V max sin θ L (charge) h2 u(θ) V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 20 sur 31 θ = ω

21 1 / Exprimer i(θ) quand h1 es amorcé en foncion de V max e L. 2 / Jusifier que i=0 quand θ = α, c es à dire quand le hyrisor 1 vien juse de s amorcer. En déduire la consane d inégraion. En déduire l expression de i(θ). 3 / Pour 0 < α < π/2 - Représener graphiquemen sur le documen annexe v(θ), -V max cosθ / (Lω) e i(θ). - Le couran i(θ) es-il nul quand θ = π + α? - Le hyrisor 2 peu-il alors êre amorcé? - En déduire une conraine sur α Pour π/2 < α < π - Représener graphiquemen sur le documen annexe v(θ), -V max cosθ / (Lω) e i(θ). - Le couran i(θ) es-il nul quand θ = π + α? - Le hyrisor 2 peu-il alors êre amorcé? - Préciser la phase de conducion de chaque hyrisor sur le chronogramme. Commen évolue l ampliude de i quand α varie enre π/2 e π. Quelles son les valeurs exrêmes. V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 21 sur 31

22 ANNEXE Chapire 5 - ONDULEUR V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 22 sur 31

23 I MONAGE A DEUX INERRUPEURS SUR CHARGE RESISIVE +v +v R (charge) u K1 K2 Ce monage nécessie une alimenaion symérique à poin milieu. (alim double) 1 / COMMANDE ADJACENE (SYMERIQUE) Les deux inerrupeurs son alernaivemen fermés e ouvers sans emps mor - K1 fermé e K2 ouver, exprimer u e i - K2 fermé e K1 ouver, exprimer u e i - Représener le chronogramme de u e i ci-dessous Ea des inerrupeurs +V K1 fermé K2 ouver u() K1 ouver K2 fermé K1 fermé K2 ouver K1 ouver K2 fermé -V i() I 1 -I 1 2 / COMMANDE DECALEE Les deux inerrupeurs son alernaivemen fermés e ouvers avec emps mor - K1 fermé e K2 ouver, exprimer u e i - K1 e K2 ouvers, exprimer u e i - K2 fermé e K1 ouver, exprimer u e i Représener le chronogramme de u e i ci-dessous Ea des inerrupeurs V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 23 sur 31 K1 fermé K2 ouver u() K1 ouver K2 fermé K1 fermé K2 ouver K1 ouver K2 fermé

24 II MONAGE A DEUX INERRUPEURS SUR CHARGE INDUCIVE +v +v i R,L (charge) K1 D1 u K2 D2 1 / COMMANDE DECALEE Les deux inerrupeurs son alernaivemen fermés e ouvers avec emps mor, K2 ne devien passan qu après annulaion du couran i. - K1 fermé e K2 ouver, exprimer u e i - K1 e K2 ouvers, à ravers quel circui, le couran peu-il coninuer à circuler en diminuan? Quel es l éa de D2, en déduire u. Exprimer i A quel momen la diode D2 se bloque -elle? - K2 fermé e K1 ouver, exprimer u, commen varie i? V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 24 sur 31

25 - K1 e K2 ouvers, à ravers quel circui, le couran peu-il coninuer à circuler en augmenan? Quel es l éa de D1, en déduire u. Commen varie i Représener le chronogramme de u e i ci-dessous Ea des inerrupeurs +V K1 fermé K2 ouver u() K1 ouver K2 fermé K1 fermé K2 ouver K1 ouver K2 fermé -V V/R i() I 1 -I 1 - V/R 2 / COMMANDE ADJACENE Les deux inerrupeurs son alernaivemen fermés e ouvers sans emps mor - K1 fermé e K2 ouver, exprimer u e i V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 25 sur 31

26 - K1 ouver, à ravers quel circui, le couran peu-il coninuer à circuler en diminuan? K2 es-il en éa de conduire (Cf hyrisor)? Quel es l éa de D2, en déduire u. Exprimer i A quel momen la diode D2 se bloque -elle? - K2 fermé e K1 ouver, exprimer u, commen varie i? - K2 ouver, à ravers quel circui, le couran peu-il coninuer à circuler en augmenan? K1 es-il en éa de conduire? Quel es l éa de D1, en déduire u. Commen varie i? Représener le chronogramme de u e i ci-dessous Ea des inerrupeurs +V K1 fermé K2 ouver u() K1 ouver K2 fermé K2 ouver K1 fermé K1 ouver K2 fermé K2 ouver K1 fermé V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 26 sur 31 -V

27 IU BELFOR MONBELIARD Dp Mesures Physiques Elecronique de Puissance Exam 06 1h30 sorie inerdie. (oal sur 40) Exercice 1 i c D 1 D 2 seceur u 2 u Charge V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 27 sur 31 D 4 D 3

28 1 / Charge résisive. (9 poins) u2 > 0 : Quelles son les diodes passanes? Exprimer u u2 < 0 : Quelles son les diodes passanes? Exprimer u Remplir les chronogrammes u 2 () Ea diodes u c () i c () 2 / Charge RE (8 poins) A quelle condiion sur u 2 les diodes D 1 e D 3 son-elles passanes? Exprimer alors ic. Remplir les chronogrammes u 2 () E V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 28 sur 31 Ea diodes

29 Cier un exemple d applicaion 3 / Charge R,L,E (7 poins) Quelle es l acion de la bobine sur le couran. Quel phénomène physique en es la cause? Quelle es la conséquence sur la durée de conducion des diodes? Remplir le chronogramme dans le cas d une bobine de rès fore inducance : L/R >>. u 2 () E Ea diodes u c () i c () V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 29 sur 31

30 EXERCICE 2 : ONDULEUR AUONOME (16 poins) +v +v i R,L (charge) K1 D1 u K2 D2 1 / Commande décalée (ou disjoine) Les deux inerrupeurs son alernaivemen fermés e ouvers avec emps mor, K2 ne devien passan qu après annulaion du couran i. - K1 fermé e K2 ouver, exprimer u e i - K1 e K2 ouvers, à ravers quel circui, le couran peu-il coninuer à circuler en diminuan? Quel es l éa de D2, en déduire u. Exprimer i A quel momen la diode D2 se bloque -elle? - K2 fermé e K1 ouver, exprimer u, commen varie i? V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 30 sur 31

31 - K1 e K2 ouvers, à ravers quel circui, le couran peu-il coninuer à circuler en augmenan? Quel es l éa de D1, en déduire u. Commen varie i Représener le chronogramme de u e i ci-dessous Ea des inerrupeurs +V K1 fermé K2 ouver u() K1 ouver K2 fermé K1 fermé K2 ouver K1 ouver K2 fermé -V V/R i() I 1 -I 1 - V/R V. Cholle - cours-en-puiss-rous08.doc - 20/10/ Page 31 sur 31

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