Cours Thème VIII.3 CONVERSION STATIQUE D'ÉNERGIE

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1 ours hème VIII.3 ONVSION SAIQU D'ÉNGI 3- Famlles de conversseurs saques Suvan le ype de machne à commander e suvan la naure de la source de pussance, on dsngue pluseurs famlles de conversseurs saques (schéma c-dessous): OBJIFS - Posséder des connassances générales sur les conversseurs saques (classemen par famlles). - uder en déal deux conversseurs (connu-connu e connu-alernaf). - onnaîre le comporemen des nerrupeurs commandés ou non commandés. - onnaîre quelques applcaons ndusrelles des conversseurs saques. - alculer des valeurs en sore des conversseurs (enson moyenne, ensons effcaces ). Source connue (=) HAHU (enson réglable) écepeur connu (=) I- LS ONVISSUS SAIQUS GÉNÉALIÉS 1- Défnon Un conversseur saque es un sysème permean d'adaper la source d'énerge élecrque à un récepeur donné. xemples : Source alernave ( ) GADAU (enson effcace réglable sans changemen de fréquence) YLOONVISSU (enson effcace e fréquence réglables) écepeur alernaf ( ) Une almenaon sablsée ransforme la enson alernave snusoïdale du réseau DF en enson connue (famlle des redresseurs). Un onduleur de secours ransforme la enson connue des baeres en enson alernave pour almener, par exemple, du maérel nformaque (famlle des onduleurs). 4- Symbole e exemples de sgnaux ssus des conversseurs Hacheur : connu connu (rappor cyclque α réglable) ve 2- Orgne des conversseurs de pussance élecrque Les premers conversseurs de pussance élecrque on éé réalsés avec des machnes élecrques couplées mécanquemen. Une machne à couran alernaf d'une par (de ype synchrone ou asynchrone) couplée au réseau permea de converr l'énerge élecrque en énerge mécanque à vesse fxe. Une machne à couran connu d'aure par don l'excaon commandée permea de dsposer d'une enson connue varable en sore. Le développemen des composans de pussance au mleu du 2 sècle (élecronque de pussance) a perms de développer des conversseurs de pussance élecrque sans machnes ournanes. La echnologe des composans ulsés (sem-conduceurs) ne cesse d'évoluer : - fable coû - pussances commuées élevées - faclé de conrôle. S IIS ( Physque Applquée ) hrsan BISSIS hp://cbssprof.free.fr Page 1 sur 12 hème VIII-3 : onverson saque ve v e enson connue fxe Onduleur : connu alernaf (valeur moyenne = ) v e enson connue fxe enson de valeur moyenne réglable moyen = α. enson alernave de fréquence f = 1/ réglable + α - /2 2 2

2 edresseur : alernaf connu (valeur moyenne évenuellemen réglable) II- LS INUPUS D L'ÉLONIQU D PUISSAN ve - /2 v e enson alernave enson redressée de valeur moyenne réglable + moyen α /2 1- Les nerrupeurs parfas Un nerrupeur parfa possède deux éas : "Ouver (OFF)" e "Fermé (ON)" Inerrupeur ouver (poson OFF : = ) = = Gradaeur : alernaf alernaf (valeur effcace réglable) ve - /2 v e enson alernave enson alernave de valeur effcace réglable + - α /2 K u (enson mposée par le crcu exéreur) Inerrupeur fermé (poson ON : u = ) nerrupeur ouver u 5- éversblé des conversseurs Une noon mporane en élecronque de pussance comme en élecroechnque es la noon de réversblé. K (couran mposée par le crcu exéreur) u = nerrupeur fermé u = Défnon : Un conversseur saque d'énerge es d réversble lorsque l'énerge peu ranser dans les deux sens (source récepeur ou récepeur source) de manère naurelle ou commandée. xemple : Lors du frenage d'une voure élecrque, l'énerge mécanque es ransformée en énerge élecrque (moeur générarce) qu ser à recharger les accumulaeurs à ravers le redresseur réversble (redresseur commandé). 2- Les nerrupeurs à sem-conduceurs La dode déale (nerrupeur non commandé) D u Dode déale bloqué = passan u = u La dode passe de l'éa bloqué à l'éa passan lorsque u ou change de sgne (posf). La dode passe de l'éa passan à l'éa bloqué lorsque u ou change de sgne (négaf). La commuaon es sponanée car elle ne dépend que de sgne du couran ou de la enson du crcu exéreur. S IIS ( Physque Applquée ) hrsan BISSIS hp://cbssprof.free.fr Page 2 sur 12 hème VIII-3 : onverson saque

3 Le ranssor bpolare e nerrupeur es commandable à l'ouverure e à la fermeure, la commuaon se fa par une acon élecrque (njecon d'un couran de base B ). B B v ranssor bloqué (nerrupeur ouver) Vce < nerd c blocage B = v ranssor sauré (nerrupeur fermé) c < nerd c sauraon B > Lorsque le ranssor es sauré (nerrupeur fermé) le couran e la enson v ne doven pas êre négaf. Le ranssor es donc un nerrupeur commandé undreconnel en enson e en couran. v Le hyrsor Le hyrsor es une dode commandée qu ne perme donc le passage du couran que dans un sens. De plus l n'es commandable qu'à la fermeure. L'ouverure s'effecue lors de la dsparon du couran drec (vor dode). Le hyrsor se compore donc comme une dode don la mse en conducon dans le sens passan sera auorsée par une mpulson de couran sur la gâchee (reard α à l'amorçage réglable). G G A K v d ve - /2 Les ranssors MOS e IGB es ranssors, plus performans, on le même comporemen que le bpolare à la dfférence qu'ls se commanden avec une enson (le couran de commande es rès fable). Prenons l'exemple du redressemen commandé. On rearde de α l'amorçage du hyrsor pour régler la valeur moyenne (schéma c-dessous): + moyen α /2 D G G D S v GS < V S /2 α α α reard à l'amorçage v S GS ranssor NMOS S v GS > V D S S v G < V G v G S v G > V ranssor IGB S IIS ( Physque Applquée ) hrsan BISSIS hp://cbssprof.free.fr Page 3 sur 12 hème VIII-3 : onverson saque

4 III- LA ONVSION ONINU-ONINU 1- Généralés Un conversseur connu-connu perme d obenr (avec évenuellemen une solaon galvanque) une enson ondulée de valeur moyenne réglable à parr d une source de enson connue fxe. L'éude se lmera au hacheur sére e au hacheur en pon dans lequel les nerrupeurs (supposés parfas) son en sére avec la source de enson. 2- Le hacheur sére sur charge réssve Schéma v e enson connue fxe L'nerrupeur H (de ype ranssor) es commandé à la fréquence f (pérode = 1/f). Duran la pérode, l'nerrupeur es fermé pour une durée α. (rappor cyclque α avec α 1). enson de valeur moyenne réglable v e = H : nerrupeur commandé (ouverure e fermeure) alcul de moyen e moyen Le calcul se fa par la méhode des surfaces enre la courbe e l'axe du emps: Surface. α moyen =< >= = so < >= α. Pérode On a de même < >= α. La valeur moyenne de es donc réglable de à. 3- Le hacheur sére sur charge nducve Schéma rès souven, le récepeur (charge) a un caracère nducf (moeur à couran connu par exemple). Le couran ne pourra donc varer brusquemen e à l'ouverure de l'nerrupeur le couran ne devra pas êre nerrompu sous pene de surenson (auo-nducon). La dode D appelée "dode de roue lbre" permera le passage du couran lorsque l'nerrupeur sera ouver. hronogrammes v e = H : nerrupeur commandé (ouverure e fermeure) D D L hronogrammes Les chronogrammes c-dessous monren l'allure de la enson v e du couran pour un rappor cyclque α donné : moyen = α α 2 moyen = α (ondulaon du couran) moyen α 2 moyen α 2 élémens conduceurs H D H D H D α 2 S IIS ( Physque Applquée ) hrsan BISSIS hp://cbssprof.free.fr Page 4 sur 12 hème VIII-3 : onverson saque

5 Analyse des chronogrammes hronogrammes Le caracère nducf de la charge ne change pas l'allure de v S e on a oujours < v >= α. s Le couran ondule auour de la valeur moyenne < >= α. L'nducance n'a donc pas d'nfluence sur la valeur moyenne du couran. + moyen = (2α 1) α 1) - α 2 Analysons les chronogrammes sur une pérode : - de à α : H se ferme e le couran augmene (exponenelle) à ravers H dans cee phase, l'énerge proven de la source de enson. - de α à : H s'ouvre e le couran décroî à ravers le dode D c'es la phase de "roue lbre" e l'énerge proven de l'nducance. emarque : L'ondulaon du couran dmnue lorsque L augmene (lssage). + moyen = (2α 1) - élémens conduceurs K1 K4 α K2 K3 K1 K4 2 K2 K3 K1 K4 4- Le hacheur en pon sur charge réssve L'éude du hacheur en pon se lmera à la charge réssve. Schéma La commande des nerrupeurs respece l'ordre suvan ( <α<1 ): - de à α : K 1 e K 4 fermés K 2 e K 3 ouvers - de α à : K 1 e K 4 ouvers K 2 e K 3 fermés emarque mporane : v e = La source de enson ne do pas êre en "cour-crcu", l es donc mpéraf de ne jamas avor K 1 e K 3 ou K 2 e K 4 fermés en même emps. K 1 K 2 K 3 K 4 alcul de moyen e moyen Le calcul se fa par la méhode des surfaces enre la courbe e l'axe du emps: Surface. α + ( ( α)) moyen =< >= = so < >= (2α 1). Pérode On a de même +1 moyen = -6V -1 Vs (v) < >= (2α 1). La valeur moyenne de es donc réglable de - à. Prenons un exemple avec = 1V e deux valeurs de α (,2 e,6) α α =, moyen = 2V -1 Vs (v) α α =,6 = ( ) = ( ) Vs 1 2, 2 1 6V moyen 2 Vs = 1 2, 6 1 = 2V moyen S IIS ( Physque Applquée ) hrsan BISSIS hp://cbssprof.free.fr Page 5 sur 12 hème VIII-3 : onverson saque

6 Analyse des chronogrammes heg - de à α : K 1 e K 4 se fermen (K 2 e K 3 s'ouvren) on a donc v S = + e = + (schéma c-dessous) : Sens réel du couran 5- ude specrale des sgnaux On es dans le cas d'un sgnal de sore de ype "connu", les fréquences aures que la composane connue (f = ) seron non désrables. Prenons le cas d'un hacheur sére (α =,8) sur charge nducve e effecuons une analyse fréquenelle des sgnaux : v e = K 1 = = K 4 Specre de pour = 1V e α =,8 8 (f) en vol 4 f en khz de α à : K 2 e K 3 se fermen (K 1 e K 4 s'ouvren) on a donc v S = - e = (schéma c-dessous) : Sens réel du couran On consae que la enson v S présene de nombreux harmonques d'ampludes non néglgeables, ce qu es rès élogné d'un sgnal connu. Specre de pour = 1V ; α =,8 ; = 1Ω e L = 2mH,8 (f) en ampère v e = K 3 = = - K 2,4 f en khz Le specre du couran nous monre des harmonques d'ampludes rédues par rappor au cas de la enson. Le couran es donc lssé car le crcu "L" joue le rôle de flre passe-bas pour le couran. Les varaons rapdes de couran dans les nerrupeurs (dodes e ranssors) génèren des perurbaons élecromagnéques. Il es donc préférable de placer le hacheur dans une carcasse méallque relée à la erre (blndage). S IIS ( Physque Applquée ) hrsan BISSIS hp://cbssprof.free.fr Page 6 sur 12 hème VIII-3 : onverson saque

7 6- Ulsaon des hacheurs Almenaon e réglage de la vesse d'un moeur à couran connu n ulsan une source de enson fxe, le hacheur es rès ulsé pour fare varer la vesse des moeurs à couran connu à excaon séparée (schéma c-dessous): IV- LA ONVSION ONINU-ALNAIF 1- Généralés Un conversseur connu-alernaf perme d obenr une enson alernave (évenuellemen réglable en fréquence e en amplude) à parr d une source de enson connue. Dode de roue lbre M V m moyen = α. v e enson connue fxe enson alernave de fréquence e de valeur effcace réglable rcu de commande (α réglable) B ranssor bpolare NPN L'éude se lmera à l'onduleur auonome en pon (commande symérque, décalée pus MLI) dans lequel les nerrupeurs seron supposés parfas avec une charge nducve. 2- L'onduleur en pon à commande symérque Almenaon à découpage des ordnaeurs La srucure élecrque es denque à celle du hacheur en pon e la commande se fa avec le rappor cyclque α =,5. Les almenaons radonnelles (almenaons lnéares) ulsen un ransformaeur encombran ans qu'un régulaeur au rendemen rès moyen. L'nérê de l'almenaon à découpage es de ne pas ulser de ransformaeur n de régulaeur lnéare. Le prncpe de fonconnemen es smple; la enson du seceur es drecemen redressée pus abassée à l'ade d'un hacheur à nducances couplées (pe ransformaeur) pour assurer l'solaon galvanque (schéma c-dessous): Schéma La commande des nerrupeurs (ranssors) respece l'ordre suvan : - de à /2 : 1 e 4 fermés 2 e 3 ouvers v e = 1 L 2 D 1 D 2 éseau monophasé ou rphasé enson D connue enson fxe "hachée" D enson connue réglable - de /2 à : 1 e 4 ouvers 2 e 3 fermés 3 D 3 4 D 4 edressemen + flrage Hacheur (f > 2kHz) + ransformaeur (solaon galvanque) edressemen + flrage S IIS ( Physque Applquée ) hrsan BISSIS hp://cbssprof.free.fr Page 7 sur 12 hème VIII-3 : onverson saque

8 hronogrammes ude specrale Vs + /2 3/2 2 - élémens commandés élémens conduceurs 1 4 D1 D4 2 3 D2 D /2 3/2 2 3 / On es dans le cas d'un sgnal de sore de ype "alernaf" e s possble, proche d'une snusoïde. Les fréquences aures que le fondamenal (harmonque 1) seron non désrables. Analysons le specre de la enson de sore v S e du couran : Specre de pour = 3V e f = 5Hz 5 2 (f) en vol f en Hz Analyse des chronogrammes pour < : - de à 1 : 1 e 4 son commandés, v S = + donc augmene mas es encore négaf le couran passe donc par les dodes D 1 e D 4 'es la phase de récupéraon (l'énerge es renvoyée vers la source). - de 1 à /2 : 1 e 4 son oujours commandés, le couran es devenu posf les ranssors 1 e 4 son conduceurs (D 1 e D 4 se bloquen). 'es la phase d'almenaon (l'énerge es fourne par la source). - de /2 à 2 : 2 e 2 son commandés, v S = - donc dmnue mas es encore posf le couran passe donc par les dodes D 2 e D 3. 'es la phase de récupéraon (l'énerge es renvoyée vers la source). - de 2 à : 2 e 3 son oujours commandés, le couran es devenu négaf les ranssors 2 e 3 son conduceurs (D 2 e D 3 se bloquen). 'es la phase d'almenaon (l'énerge es fourne par la source). On consae que la enson v S ne possède pas de composane connue mas un fondamenal (5Hz) d'amplude 35V. Par conre, présene de nombreux harmonques (15Hz; 25Hz ) d'ampludes non néglgeables, ce qu es rès élogné d'un sgnal snusoïdal pur. Specre de pour = 3V ; f = 5Hz ; = 1kΩ e L = 2H 5 2 en ma f en Hz On consae que le couran ne possède pas de composane connue mas un fondamenal (5Hz) d'amplude 35mA. Par conre, présene de nombreux harmonques (15Hz; 25Hz ) d'ampludes plus fables que pour la enson, on es donc plus proche d'un sgnal snusoïdal pur. Le crcu "L" joue le rôle d'un flre passe-bas (aénuaon des haues fréquences du couran). Les varaons rapdes de couran dans les nerrupeurs (dodes e ranssors) génèren des perurbaons élecromagnéques e le fondamenal es lu auss perurbaeur de l'envronnemen élecromagnéque. S IIS ( Physque Applquée ) hrsan BISSIS hp://cbssprof.free.fr Page 8 sur 12 hème VIII-3 : onverson saque

9 3- L'onduleur en pon à commande décalée La srucure élecrque es denque à celle de l'onduleur en pon à commande symérque. La commande des ranssors présene un décalage de durée (chronogrammes cdessous): lémens commandés lémens passans Analyse des chronogrammes pour < : v S 1 /2 - de à : 3 e 4 son commandés, v S = V donc end vers mas es encore négaf le couran passe donc par 3 e D 4 'es la phase de roue lbre (l'énerge es dsspée dans la réssance). - de à 1 : 1 e 4 son commandés, v S = + donc augmene mas es encore négaf le couran passe donc par les dodes D 1 e D 4 'es la phase de récupéraon (l'énerge es renvoyée vers la source). - de 1 à /2 : 1 e 4 son oujours commandés, le couran es devenu posf les ranssors 1 e 4 son conduceurs (D 1 e D 4 se bloquen). 'es la phase d'almenaon (l'énerge es fourne par la source). - de /2 à /2+ : 1 e 2 son commandés, v S = V donc end vers mas es encore posf le couran passe donc par 1 e 2 'es la phase de roue lbre (l'énerge es dsspée dans la réssance). - de /2+ à /2+ 1 : 3 e 2 son commandés, D1 1 D3 3 D1 1 D3 3 1 D 4 4 D 2 2 D 4 4 D 2 2 D 4 4 v S = - donc dmnue mas es encore posf le couran passe donc par les dodes D 2 e D 3. 'es la phase de récupéraon (l'énerge es renvoyée vers la source). - de /2+ 2 à : 3 e 2 son oujours commandés, le couran es devenu négaf les ranssors 2 e 3 son conduceurs (D 2 e D 3 se bloquen). 'es la phase d'almenaon (l'énerge es fourne par la source). ude specrale On es oujours dans le cas d'un sgnal de sore de ype "alernaf" e s possble, proche d'une snusoïde. Les fréquences aures que le fondamenal (harmonque 1) seron non désrables. Analysons le specre de la enson de sore v S e du couran pour un décalage de 6 : Specre de pour = 3V e f = 5Hz 5 2 (f) en vol f en Hz On consae une améloraon par rappor à la commande décalée : l'harmonque 3 (15Hz) a dsparu. 'es une parcularé de la commande décalée de 6. Specre de pour = 3V ; f = 5Hz ; = 1kΩ e L = 2H 5 2 en ma f en Hz Les harmonques ndésrables du couran seron plus facle à flrer car elles commencen à 25Hz. La commande décalée de 6 es une premère améloraon pour l'onduleur en pon (dsparon de l'harmonque 3). S IIS ( Physque Applquée ) hrsan BISSIS hp://cbssprof.free.fr Page 9 sur 12 hème VIII-3 : onverson saque

10 4- L'onduleur en pon à commande MLI La srucure élecrque es oujours la même (pon à 4 ranssors e 4 dodes). La commande es plus complexe, l s'ag d'une commande symérque (pas de décalage) présenan un grand nombre de commuaons par pérode avec des ouverures e des fermeures d'nerrupeurs de durées modulées. La enson de sore v S présene alors des "mpulsons" de largeurs varables (Modulaon de Largeur d'impulson). Un exemple d'allure de v S e de es représenée c-dessous (on remarque que le couran es presque snusoïdal): ude specrale On es oujours dans le cas d'un sgnal de sore de ype "alernaf" e s possble, proche d'une snusoïde. Les fréquences aures que le fondamenal (harmonque 1) seron non désrables. Analysons le specre de la enson de sore v S e du couran pour une commande MLI avec 1 mpulsons par pérode: Specre de pour = 1V e f = 5Hz 15 en vol en (A),4 1 5 (f) en vol 1 5,3,2,1 en ms f en Hz 5 5k On consae que les harmonques ndésrables son élognées en fréquence (5kHz). La enson v S sera donc facle à flrer = 2ms -,1 -,2 -,3 -,4 Specre de pour = 1V ; f = 5Hz ; = 1kΩ e L = 2H Analyse globale du chronogramme : - V S = + : 3 e 4 son commandés Le couran augmene exponenellemen (charge L) - V S = - : 1 e 2 son commandés Le couran dmnue exponenellemen (charge L) 'es la durée de chaque mpulson qu va permere au couran d'êre le plus snusoïdal possble. 5 2 en ma f en Hz 5 5k Le specre nous ndque claremen que le couran es rès proche d'une snusoïde. Le récepeur a flré la enson v S. L'nérê de la commande MLI es d'avor un couran quas-snusoïdal. ependan, des harmonques à haues fréquences son présenes e peuven perurber l'envronnemen élecromagnéque. S IIS ( Physque Applquée ) hrsan BISSIS hp://cbssprof.free.fr Page 1 sur 12 hème VIII-3 : onverson saque

11 6- Ulsaon des onduleurs Onduleur de secours pour le maérel nformaque L'onduleur de secours perme d'assurer la connué de l'almenaon en cas de coupures sur le réseau. Il perme auss de flrer les évenuels défaus de la enson du réseau (parases ou surensons). La srucure comprend un accumulaeur avec dsposf de charge e un onduleur avec sore flrée (schéma c-dessous): éseau monophasé ou rphasé D harge baere enson connue fxe enson alernave calbrée e flrée IV- PUISSANS DS ONVISSUS 1- Défnons onsdérons un conversseur saque quelconque relé à un récepeur. Nous adoperons la convenon "généraeur" pour le conversseur e donc la convenon "récepeur" pour le récepeur (schéma c-dessous): Pussance nsananée onversseur saque u écepeur edressemen + dsposf de charge baere Onduleur + flre La pussance nsananée es, comme en régme connu, défne par le produ "couran enson". n prncpe cee pussance es varable dans le emps. p() = u() () Baere d'accumulaeurs wa (W) vol (V) ampère (A) Varaon de vesse des moeurs à couran alernaf L'nérê de l'onduleur es de pouvor produre une enson alernave réglable en amplude e en fréquence. La vesse des moeurs synchrones e asynchrones es drecemen lée à la fréquence d'almenaon; un onduleur réglable en fréquence permera donc de fare varer la vesse de ces moeurs. enson effcace emarque : Il fau manenr le rappor fréquence fonconnemen des moeurs. consan pour un bon emarque : S p > alors le conversseur fourn la pussance. Pussance acve La pussance acve P (wa) es la valeur moyenne de la pussance nsananée p() : P = Pmoyen =< u() () > emarque : e n'es qu'en régme snusoïdal alernaf que l'on a P Pussance apparene = UI cos ϕ. La pussance apparene S es défne par le produ "U eff I eff ". 'es une grandeur héorque qu ser à dmensonner les généraeurs : volampère (VA) S = U.I vol (V) ampère (A) S IIS ( Physque Applquée ) hrsan BISSIS hp://cbssprof.free.fr Page 11 sur 12 hème VIII-3 : onverson saque

12 Faceur de pussance Dans de nombreux cas, le produ U eff.i eff présene une fore valeur par rappor à la valeur moyenne P. Pour évaluer ce phénomène, on défn le faceur de pussance k (k < 1): Pussance acve Le calcul de la pussance acve (pussance moyenne) es raremen possble car la courbe ne présene pas de forme smple (carré, snus ) La pussance acve s'évalue graphquemen en déermnan la valeur moyenne de p(). < u().() > k = so U.I eff eff P k = S p() emarques : Pour un mauvas faceur de pussance (k proche de ), le couran I peu devenr rès élevé. e n'es qu'en régme snusoïdal que l'on a k = cosϕ. Pmoyen /2 2- ude d'un exemple onsdérons l'exemple d'un onduleur à commande décalée e déermnons, par le calcul, quelques valeurs relaves aux pussances : + +Imax -Imax - u o /2 /2+o Faceur de pussance Le faceur de pussance se dédu des calculs précédens : P P Pmoyen k = = = S U.I 2 Imax 1. 2 donc k = P moyen 2 Imax 1. 2 emarques : e résula de valeur de k n'es qu'un exemple. La valeur de k dépend de l'onduleur mas auss de la charge. U moyen e I moyen Un calcul n'es pas ule pour en dédure que U moyen = V e que I moyen = A; ce qu es normal car on es dans le cas d'un onduleur avec des sgnaux alernafs. U eff U eff so ( ) + + ( ) / 2 ( ) ( ( / 2 )) 2 / 2 = U = = 2 U = I eff Le couran paraî snusoïdal alernaf donc I I max eff = I =. 2 S IIS ( Physque Applquée ) hrsan BISSIS hp://cbssprof.free.fr Page 12 sur 12 hème VIII-3 : onverson saque