CS Conversion statique d énergie cours CS-1 Synthèse des convertisseurs. Cours CS 1 TSI1 TSI2. La Conversion Statique d Energie

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1 S onversion saique d énergie cours S-1 Synhèse des converisseurs ours ours S 1 TSI1 TSI2 La onversion Saique d Energie X Période Synhèse des converisseurs saiques ycle 7 : onversion saique d énergie Durée : 4 semaines X 1- Inroducion erains sysèmes nécessien des besoins en énergie élecrique qui ne son pas direcemen adapés à l alimenaion disponible. L exemple ci-dessous monre la nécessié de cee adapaion : La ension du moeur doi-êre alernaive alors que le sockage es sous forme coninu. La quanié d énergie délivrée à l acionneur doi aussi êre conrôlée où modulée. haîne d énergie d un véhicule élecrique ee modulaion sera réalisée par un onverisseur Saique noé généralemen S où VS. Analyser Modéliser Résoudre Expérimener oncevoir Réaliser ommuniquer Appréhender les analyses foncionnelles e srucurelles A3.11 Idenifier les foncions echniques A3.31 Idenifier la naure des flux échangés, préciser leurs caracérisiques A3.42 Analyser la réversibilié de la chaîne d énergie Analyser Modéliser Résoudre Expérimener oncevoir Réaliser ommuniquer Proposer un modèle de connaissance e de comporemen B2.1 Associer un modèle aux consiuans de la chaîne d énergie B Modéliser des sources afin de choisir un converisseur saique B Idenifier les quadrans de foncionnemens B Associer des sources par des cellules de commuaion B Modéliser la naure des inerrupeurs de la cellule de commuaion afin de choisir ces composans Analyser Modéliser Résoudre Expérimener oncevoir Réaliser ommuniquer hoisir une soluion echnique E2.1 hoisir la naure des inerrupeurs de la cellule de commuaion (Diode, MOS e IGBT) Lycée Jules Ferry T de Nodres rédi Greze Page 1 sur 16 TSI1

2 S onversion saique d énergie cours S-1 Synhèse des converisseurs Le converisseur saique fai parie de la foncion Disribuer ou Moduler e inervien dans la chaîne d énergie généralemen enre la source élecrique de la foncion Alimener e le converisseur élecromécanique qui peu aussi êre assimilé à une source élecrique de la foncion converir. ommande élecrique issue de l accéléraeur Baerie Onduleur Moeur Réduceur + arbre de ransmission Un converisseur saique es un monage uilisan des inerrupeurs saiques (semi-conduceur) Déplacemen commandés du élecriquemen permean de : véhicule - Régler un ransfer d énergie enre une source élecrique d enrée e de sorie, - Modifier la forme de l énergie élecrique (coninue, alernaive) aracérisiques de l énergie élecrique à l enrée du converisseur ommande aracérisiques de l énergie élecrique à la sorie du converisseur Source d enrée onverisseur saique VS Source de sorie La source d enrée peu êre un généraeur ou un récepeur (idem pour la source de sorie). On consae ici que le ransfer de puissance peu êre inversé lors d une phase de récupéraion au freinage, on parlera alors de réversibilié des sources e du converisseur saique. La synhèse des converisseurs saiques es une démarche qui perme de déerminer sa srucure. Elle repose sur la naure ainsi que les besoins des sources d enrée e de sorie. Naure Type de converisseur : direc ou indirec Sources Réversibilié U e I aracérisiques saiques des inerrupeurs Formes d ondes aracérisiques dynamiques des inerrupeurs Il fau donc savoir caracériser les sources d enrée e de sorie e bien connaîre le foncionnemen des inerrupeurs pour déerminer la consiuion d un converisseur saique. Lycée Jules Ferry T de Nodres rédi Greze Page 2 sur 16 TSI1

3 S onversion saique d énergie cours S-1 Synhèse des converisseurs 2- Foncionnaliés des converisseurs saiques 2-1 onversion D-D : les hacheurs Les hacheurs son des converisseurs direcs du ype coninu-coninu. Ils permeen d obenir une ension coninue réglable à parir d une ension coninue fixe. La figure ci-dessous donne son symbole. Tension coninu d ampliude fixe Tension coninu d ampliude variable E E E U moy Les hacheurs son uilisés par exemple pour la variaion de viesse des moeurs à couran coninu. 2-2 onversion A-D : les redresseurs Informaion exérieure de commande Les redresseurs permeen d obenir une ension de valeur moyenne non nulle à parir d une ension alernaive (monophasée ou riphasée) de valeur moyenne nulle. Tension sinusoïdale Tension coninu U~ é U-- Les redresseurs commandés permeen de régler la valeur moyenne de la ension redressée. Les redresseurs son uilisés comme éage inermédiaire dans les cares élecroniques, pour la variaion de viesse des moeurs à couran coninu 2-3 onversion D-A : les onduleurs Informaion exérieure de commande Les onduleurs son uilisés pour la producion d une ension alernaive à une fréquence fixe ou variable, l alimenaion de cerains équipemens indépendans de la présence du réseau. Tension coninue Tension sinusoïdale U U~ é Lycée Jules Ferry T de Nodres rédi Greze Page 3 sur 16 TSI1

4 S onversion saique d énergie cours S-1 Synhèse des converisseurs 2-4 onversion A-A : les gradaeurs Les gradaeurs permeen d obenir une ension alernaive de valeur efficace réglable à parir d une ension alernaive de valeur efficace e de fréquence fixe. La fréquence d un gradaeur n es pas réglable. Les gradaeurs son uilisés en élecrohermie, en éclairage, le démarrage progressif de moeurs. Tension alernaive d ampliude fixe Tension alernaive d ampliude variable U~ é U~ M A3.11 Idenifier les foncions echniques Se référer au paragraphe précéden. 3- Définiions des sources de ension e couran : 3-1 Source de ension : Informaion exérieure de commande Une source de ension idéale impose une ension à ses bornes, indépendammen du couran qui la raverse. Exemple : une baerie, une alimenaion sabilisée La source de ension sera qualifiée de réversible si la ension à ses bornes peu changer de signe. I V Pmax V charge I 3-2 Source de couran : Une source de couran idéale impose un couran, indépendammen de la ension à ses bornes. Exemple : un panneau phoovolaïque. La source de couran sera qualifiée de réversible si le couran débié peu changer de sens. I V Pmax V charge I Lycée Jules Ferry T de Nodres rédi Greze Page 4 sur 16 TSI1

5 S onversion saique d énergie cours S-1 Synhèse des converisseurs 3-3 Les sources en régime dynamique : Dans les converisseurs saiques, les dipôles uilisés (condensaeur e inducance) son associés à des inerrupeurs élecroniques (ransisor, diode ) qui par commuaion à des fréquences élevées modifieron leur configuraion élecrique. i i L Hypohèses du régime dynamique : Période de découpage élevée devan la consane de emps u des u dipôle Un dipôle sera qualifié de source de ension si la valeur insananée de la ension à ses bornes ne subi pas de disconinuié lors des commuaions. En régime dynamique, un condensaeur sera considéré comme une source de ension. V c i c = du c, E d c = 1 2. U c² L énergie sockée dans le condensaeur ne peu êre libérée insananémen sinon l inensié devrai-êre infinie. La ension ne subi donc aucune disconinuié. Un dipôle sera qualifié de source de couran si la valeur insananée du couran qui la raverse ne subi pas de disconinuié lors des commuaions. En régime dynamique, une inducance sera considérée comme une source de couran. I L V L = Ldi L d, E L = 1 2 L. i L² Même consa pour l énergie sockée dans l inducance, la ension ne pouvan êre infinie il n y aura pas de disconinuié de couran A la différence des sources acives (généraeurs) ces sources ne son pas capables de créer de l énergie élecrique mais seulemen de la socker. 3-4 composiions : L une source de ension en série avec une fore inducance es équivalen à : une source de couran. une source de couran en parallèle avec un for condensaeur es équivalen à : une source de ension. Lycée Jules Ferry T de Nodres rédi Greze Page 5 sur 16 TSI1

6 S onversion saique d énergie cours S-1 Synhèse des converisseurs L pour affirmer une source de ension, on disposera d un condensaeur en parallèle. L pour affirmer une source de couran, on disposera d une inducance en série. M é h o d e B Modéliser des sources afin de choisir un converisseur Afin de choisir un converisseur nous serons amenées à modéliser les sources. De par la naure inducive d un moeur à couran coninu (M) celui-ci sera modélisé par une source de couran. Une source de ension sera quan à elle modélisé par une source de ension parfaie. 3-5 Règles d associaion des sources de couran / ension : Les configuraions inerdies 1 u 2 u u 0 Il ne fau jamais disposer deux sources de ension en parallèle. ela reviendrai à imposer 2 ensions différenes enre deux mêmes poins d un circui. Il ne fau jamais cour-circuier une source de ension. ela enraînerai la circulaion d un couran infini. i 1 i 0 i 2 Il ne fau jamais disposer deux sources de couran en série. ela reviendrai à imposer deux courans différens dans la même branche. Il ne fau jamais ouvrir le circui d une source de couran. ela enraînerai une accumulaion de charge e une différence de poeniel infinie. Lycée Jules Ferry T de Nodres rédi Greze Page 6 sur 16 TSI1

7 S onversion saique d énergie cours S-1 Synhèse des converisseurs Les configuraions auorisées i i 0 0 u0 u0 Fermeure d une source de couran i Associaion en circui ferme, d une source de couran e d une source de ension Ouverure d une source de ension i i 1 2 u 2 u u 1 2 i i 1 2 u 1 Deux sources de ensions en série Généralisaion : Deux sources de couran en parallèle On peu associer direcemen deux sources de naure différenes, mais jamais deux sources de même naure. Une source de ension ne doi jamais êre en cour-circui, elle peu se rouver en circui ouver. Une source de couran ne doi jamais se rouver en circui ouver, elle peu êre en cour-circui. Une source es die réversible en ension si la ension à ses bornes peu changer de signe. Une source es die réversible en couran si le couran qui la raverse peu s inverser. 4- Srucure des converisseurs : La srucure des converisseurs dépend de : - La naure des sources d enrée e de sorie (ension ou couran) ; - Le ype de sources d enrée e de sorie (polyphasé). On parle alors de : - converisseurs saiques direcs si les sources d enrées e de sories son direcemen associables Tension ouran ouran Tension - converisseurs saiques indirecs pour les aures cas : hors programme Tension Tension ouran ouran Lycée Jules Ferry T de Nodres rédi Greze Page 7 sur 16 TSI1

8 S onversion saique d énergie cours S-1 Synhèse des converisseurs 4-1 onverisseurs saiques direcs : Srucure du onverisseur direc ension-couran La composiion générique d un converisseur saique peu se représener de la manière suivane. Il faudra ensuie déerminer la naure des inerrupeurs uilisés e évenuellemen simplifier la srucure en foncion des besoins. La srucure du converisseur couran ension sera idenique à ceci près que les sources de ension e couran seron inerveries. S 4 onvenion de signe Ve i e K1 1 is K4 4 Vs Source d enrée K2 2 K3 3 Source de sorie Inerrupeur saique Srucure Pon en H Les convenions seron données dans le suje. Les courans e ensions fléchés de la même manière que la convenion seron noés posiifs, ils seron négaifs dans le cas conraire. Si la source de ension es bidirecionnelle, les inerrupeurs devron supporer une ension bidirecionnelle. De même si la source de couran es bidirecionnelle, les inerrupeurs devron supporer un couran bidirecionnel. Applicaion : Véhicule élecrique : On souhaie faire varier la viesse d un véhicule élecrique moorisé par un moeur à coninu. L énergie disponible es sockée dans une baerie. La variaion de viesse sera obenue par la modulaion de ension appliquée au moeur donnée ci-dessous. Il n y a pas de phase de récupéraion d énergie (foncionnemen moeur). Hypohèses : - Les inerrupeurs son considérés parfais : commuaion insananée, aucune pere ni chue de ension - Le sysème es considéré comme éan en régime dynamique : fréquence de commuaion des inerrupeurs élevée - Le moeur peu êre assimilé à une charge inducive Vs Phase 1 Phase 2 T 1- Définir la naure des sources d enrée e de sorie du converisseur en indiquan leur nom. 2- A parir des hypohèses formulées, représener l allure du couran dans le moeur sur le graphe ci-dessus. 3- Préciser ci-dessous pour les deux phases, le ype d associaion à réaliser ainsi que la puissance absorbée par le moeur. S S S Ve is Vs Lycée Jules P = Ferry T de : phase Nodres rédi Greze P = : phase Page 8 sur 16 P = : phase TSI1

9 S onversion saique d énergie cours S-1 Synhèse des converisseurs 4- En déduire les inerrupeurs saiques à commander : phase 1 :, phase 2 : 5- Quel es l inérê du deuxième monage ici? 6- Proposer ci-dessous une srucure simplifiée du converisseur, uilisan le moins d inerrupeur possible. 7- Idenifier le ou les quadrans de foncionnemen de nore applicaion Ve is Vs On parlera dans ce cas de converisseur 1 quadran car aucune réversibilié n es nécessaire. M é h o d e B Idenifier les quadrans de foncionnemens La descripion du foncionnemen des machines se fai grâce au signe des produis U. I ou em. Ω. Il fau se placer du poin de vue élecrique en convenion récepeur. Si U. I > 0 alors la puissance élecrique es reçue par la machine Si U. I < 0 alors la puissance es élecrique es fournie par la machine Si em. Ω > 0 alors la puissance mécanique es fournie par la machine Si em. Ω < 0 alors la puissance mécanique es reçue par la machine Si la puissance es fournie par la machine, elle foncionne en générarice. Si la puissance mécanique es fournie par la machine, elle foncionne en moeur. M é h o d e B Associer des sources par des cellules de commuaions Duran la conversion, les sources son connecées enre elles de façon à converir la puissance. Afin de produire ce effe de conversion des composans modélisable par des inerrupeurs commandé son piloé par la foncion Traier. Il fau absolumen respecées les règles d associaion des sources afin de ne pas déériorer celle-ci. Pour respecer ces règles il fau absolumen uiliser au moins deux inerrupeurs. ee associaion es appelé cellule de commuaion. Les combinaisons réalisables son : K1 ouver e K2 fermé K1 fermé e K2 ouver S1 e K2 son fermé en même emps la source de ension es en cour-circui. S1 e K2 son ouvers la source de couran sera en circui ouver ce qui provoquerai une ension infinie. Lycée Jules Ferry T de Nodres rédi Greze Page 9 sur 16 TSI1

10 S onversion saique d énergie cours S-1 Synhèse des converisseurs 5- Les inerrupeurs saiques Les converisseurs saiques son des monages qui von uiliser des inerrupeurs d élecronique de puissance qui von êre commués à haue fréquence. Les composans que l on uilisera dans la srucure des converisseurs saiques son : La diode de puissance Le ransisor MOS ou IGBT es composans présenen l avanage de consommer une puissance négligeable : - lorsqu ils son équivalens à un inerrupeur ouver, même soumis à une ension élevée, le couran qui les raversen es rès faible (puissance consommée minime) - lorsqu ils son équivalens à un inerrupeur fermé, même raversés par un couran élevé, la ension à leurs bornes es rès faible (puissance consommée minime) 5-1 Inerrupeur parfai : La caracérisique saique représene la conraine élecrique que devra supporer l inerrupeur en régime permanen. = 0 > 0 imposé par le circui exérieur > 0 imposé par le circui exérieur = 0 = 0 ouver < 0 imposé par le circui exérieur < 0 imposé par le circui exérieur fermé = 0 Dans l éa fermé, on di que l inerrupeur es passan ou ON. Dans l éa ouver, on di que l inerrupeur es ouver ou OFF. La caracérisique saique, qui es une propriéé inrinsèque d un inerrupeur es donc formée de quare segmens confondus avec les axes v e i. (hypohèses de l inerrupeur parfai) On disingue les inerrupeurs composés par des semi-conduceurs en foncion de leur caracérisique saique I K(V K) : il en exise 3 familles : - 2 segmens; - 3 segmens; - 4 segmens. 5-2 Inerrupeur parfai 2 segmens : La diode : commuaion naurelle La diode es un inerrupeur unidirecionnel en ension e en couran. Sa caracérisique saique compore donc deux segmens. Les deux bornes de la diode son appelées Anode (A) e ahode (K) i A V AK K Lycée Jules Ferry T de Nodres rédi Greze Page 10 sur 16 TSI1

11 S onversion saique d énergie cours S-1 Synhèse des converisseurs Nous considérerons qu une diode se compore comme : un inerrupeur fermé lorsqu elle es passane un inerrupeur ouver lorsqu elle es bloquée Modélisaion d une diode à l éa passan : Pour qu une diode soi passane, il fau que le poeniel A imposé par le circui à l anode soi supérieur au poeniel K imposé par le circui à la cahode. A K A K > 0 V K = 0 V A >V K Modélisaion d une diode à l éa bloquée : Pour qu une diode soi bloquée, il fau que le poeniel K imposé par le circui à la cahode soi supérieur au poeniel A imposé par le circui à l anode. A K V A <V K A V K < 0 K = 0 La caracérisique saique de la diode peu se représener de la manière suivane : Ea bloqué Ea passan amorçage blocage aracérisique saique aracérisique dynamique ommuaion sponanée La caracérisique saique couran ension d un inerrupeur es insuffisane pour décrire la manière selon laquelle l inerrupeur passe de l éa bloqué à l éa passan e réciproquemen. La rajecoire suivie par le poin de foncionnemen consiue la caracérisique dynamique de commuaion. La commuaion sponanée d un inerrupeur ne dépend que du circui exérieur ; l inerrupeur commue naurellemen car le poin de foncionnemen se déplaçan sur la caracérisique saique passe par zéro comme le monre la figure ci-dessus. L amorçage sponané s effecue au passage par zéro de la ension v k (ension du circui exérieur). Le blocage sponané s effecue au passage par zéro du couran i k (couran imposé par le circui exérieur). Lycée Jules Ferry T de Nodres rédi Greze Page 11 sur 16 TSI1

12 S onversion saique d énergie cours S-1 Synhèse des converisseurs Le Transisor IGBT : commuaion commandée d un inerrupeur Insulaed Gae Bipolar Transisor ou ransisor bipolaire à grille isolée L inerrupeur possède, en plus de ses élecrodes principales, une élecrode de commande sur laquelle il es possible d agir pour provoquer son changemen d éa de manière quasi insananée. Elecrode de commande v GE (colleceur) G (grille) E (émeeur) Le ransisor IGBT Pour commander le changemen d éa, le circui exérieur doi agir sur la ension v GE Si v GE : 0, le ransisor es à l éa passan, ve 0 comme un inerrupeur fermé. Si vge 0, le ransisor es à l éa ouver, E 0 comme un inerrupeur ouver. La commuaion es commandée par le circui exérieur. e i 0 v e i 0, il se compore, il se compore vge i c i= ve 0 D S E V k > 0 vge i > 0 0 ve 0 D S E V k = 0 amorçage blocage aracérisique saique aracérisique dynamique e mode de commuaion peu faire apparaîre des conraines sévères en erme de dissipaion d énergie sur l inerrupeur. Lors de l amorçage ou du blocage, la ension v k e le couran son posiifs simulanémen, il apparaî donc une puissance de dissipaion P = v k.. (Négligée dans l hypohèse de l inerrupeur parfai) Si la fréquence de commande de l inerrupeur es rapide, les peres peuven êre imporanes e il faudra doer l inerrupeur d un dissipaeur à convecion naurelle ou forcée. (Hypohèse de l inerrupeur réel) Lycée Jules Ferry T de Nodres rédi Greze Page 12 sur 16 TSI1

13 S onversion saique d énergie cours S-1 Synhèse des converisseurs Transisor MOSFET : Meal Oxyd Silicium Field Effec Transisor Le foncionnemen de ce ransisor es idenique au précéden, seules les caracérisiques élecriques diffèren : fréquence de foncionnemen plus élevée e couran de commuaion moindre. D (drain) D (drain) G (grille) G (grille) S (source) Le ransisor MOS à canal N S (source) Le ransisor MOS à canal P id 0 D id < 0 D vds 0 vds 0 vgs 0 S vgs < 0 S 5-3 Inerrupeur 3 segmens : La mise en parallèle d une diode e d un ransisor perme de réaliser un inerrupeur 3 segmens. La srucure présenée ci-dessous es donc bidirecionnelle en couran, mais rese unidirecionnelle en ension. La caracérisique de cee cellule de commuaion es donnée ci-dessous. D (drain) G (grille) S (source) Le ransisor MOS//diode Le ransisor IGBT//diode Lycée Jules Ferry T de Nodres rédi Greze Page 13 sur 16 TSI1

14 S onversion saique d énergie cours S-1 Synhèse des converisseurs L inerrupeur es bidirecionnel en ension ou en couran comme le monre la figure ci-dessous. Il n exise donc que deux caracérisiques saiques à rois segmens. amorçage blocage aracérisique saique aracérisique dynamique ommuaion commandée Applicaion : Véhicule élecrique 1- En reprenan l exemple que nous avons raié précédemmen, représener la caracérisique saique des inerrupeurs uilisés. 2- En déduire leur naure. 3- Représener la srucure finale du converisseur simplifié en uilisan les symboles normalisés. Ve is Naure de l inerrupeur : aracérisiques saiques Naure de l inerrupeur : Vs M é h o d e B Modéliser la naure des inerrupeurs de la cellule de commuaion afin de choisir les composans Lors de l associaion des sources par des cellules de commuaions les différenes phases de foncionnemens on éé mises en évidence aux regards des quadrans de foncionnemens. Afin de choisir la naure des inerrupeurs de la cellule de commuaion on race les caracérisiques saique e dynamique de chaque inerrupeur à parir de ces différenes phases de foncionnemens. aracérisiques saique : Si lors de ces différenes phases le couran es posiif (ou négaif) alors la caracérisiques sera sur l axe des courans posiifs (ou négaif). De même pour l axe des ensions. aracérisiques dynamique : Si le bloquage ou l amorçage son sponanées il n y a pas de caracérisiques dynamique Si le bloquage ou l amorçage doi êre commandée (n es pas fai sponanémen par inversion du sens du couran) la caracérisiques dynamique Lycée Jules Ferry T de Nodres rédi Greze Page 14 sur 16 TSI1

15 S onversion saique d énergie cours S-1 Synhèse des converisseurs 6- Domaine d uilisaion des composans d élecronique de puissance : M é h o d e E2.1 hoisir la naure des inerrupeurs de la cellule de commuaion (Diode, MOS e IGBT) Le choix de la naure des inerrupeurs de la cellule de commuaion se fai en foncion de : La ension L inensié La fréquence de commuaion Lycée Jules Ferry T de Nodres rédi Greze Page 15 sur 16 TSI1

16 S onversion saique d énergie cours S-1 Synhèse des converisseurs 7- Résumé des caracérisiques des inerrupeurs saiques Lycée Jules Ferry T de Nodres rédi Greze Page 16 sur 16 TSI1