1 Introduction. 2 Définitions des sources de tension et de courant : Cours. Date : A2 Analyser le système Conversion statique de l énergie. 2 h.

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1 A2 Analyser le système Converson statque de l énerge Date : Nom : Cours 2 h 1 Introducton Un ConVertsseur Statque d énerge (CVS) est un montage utlsant des nterrupteurs à semconducteurs permettant par une commande convenable de ces derners de régler un transfert d énerge entre une source d entrée et une source de sorte comme le montre l exemple c-dessous : Il fat parte de la foncton Dstrbuer et ntervent dans la chaîne d énerge généralement entre la source de la foncton Almenter et le convertsseur électromécanque qu peut auss être assmlé à une source de la foncton convertr. La source d entrée peut être un générateur ou un récepteur (dem pour la source de sorte). On constate c que le transfert de pussance est nversé, on parlera alors de réversblté des sources et du convertsseur statque. 2 Défntons des sources de tenson et de courant : 2-1 Source de tenson : Une source de tenson parfate est un dpôle actf qu présente à ses bornes une tenson U ndépendante du courant débté. Dans la réalté cette source comprend une résstance nterne r qu va modfer la caractérstque Vc = f(ic). Vc r Ic V Vc charge Ic Convertsseurs statques 1/8

2 2-2 Source de courant : Une source de courant parfate est un dpôle actf débtant un courant électrque I ndépendant de la tenson apparassant à ses bornes. Dans la réalté cette source comprend une résstance nterne R qu va modfer la caractérstque Vc=f(Ic). Vc I R Vc charge 2-3 Modfcaton de la nature d une source contnue La proprété d'une nductance ou d'un condensateur de pouvor changer la nature d'une source est couramment utlsée : l nductance s oppose à toute dscontnuté du courant qu la traverse (mas la tenson à ses bornes peut être dscontnue) le condensateur s oppose à toute dscontnuté de la tenson à ses bornes (mas le courant qu le traverse peut être dscontnue). Ans une source de courant peut être réalsée avec la mse en sére d'une nductance avec une source de tenson alors qu une source de tenson peut être obtenue avec la mse en parallèle d'un condensateur avec une source de courant. Ic 2-4 Règle d assocaton des sources de courant/tenson : 3 Dfférents type de convertsseurs Les formes d ondes des sources et des récepteurs pouvant être de type alternatves ou contnues, nous pouvons défnr quatre famlles de convertsseurs statques avec cette classfcaton. Alternatf 1 AA AC Contnu 1 CC AC : AA : CC : Alternatf 2 CA Contnu 2 CA : Selon la nature de l entrée et de la sorte du convertsseur, la converson sera dte drecte s les sources sont de natures dfférentes (courant/tenson ou tenson/courant) ou ndrecte s les sources d entrée et de sorte sont de même nature. Convertsseurs statques 2/8

3 3.1 Convertsseurs drects Ils établssent une relaton drecte entre les dfférents types de sources : Un nouveau type de convertsseur a été ntrodut, l s agt du convertsseur drect de fréquence ou cycloconvertsseur qu permet l échange d énerge entre deux sources alternatves de fréquence dfférente. 3.2 Convertsseurs ndrects Ces convertsseurs utlsent l assocaton de deux convertsseurs drects avec un élément de stockage énergétque ntermédare (vor c-dessus). 4 Les nterrupteurs L nterrupteur élément clé du convertsseur statque, va permettre en nterrompant ou non le transfert d énerge entre les dfférents éléments du crcut, de gérer l évoluton des courants et des tensons. 4.1 Interrupteur parfat : k = 0 mposé par le crcut extéreur k mposé par le crcut extéreur = 0 k Dans l état fermé, on dt que l nterrupteur est passant ou ON. Dans l état ouvert, on dt que l nterrupteur est ouvert ou OFF. La caractérstque statque, qu est une proprété ntrnsèque d un nterrupteur, est donc formée de quatre segments confondus avec les axes et k. 4.2 Prncpales caractérstques des composants utlsés La dode La dode est un élément non commandable qu permet le passage d un courant dans un seul sens. S la conducton peut être consdérée comme nstantanée, le blocage comporte des phénomènes transtores très désagréables. La dode est apte à bloquer des tensons négatves. A K vak k Convertsseurs statques 3/8

4 4.2.2 Le trac Le trac est bdrectonnel en courant et en tenson. Pour amorcer un trac, on dot applquer une tenson postve ou négatve sur la gâchette, suvant le sgne de la tenson aux bornes du composant. Le blocage est spontané, au passage par zéro du courant qu traversat le trac. G A K vak GK k GK Le transstor bpolare Le transstor bpolare de pussance est un élément commandable à la fermeture et à l ouverture. Un courant dans la base suffsant assure sa mse en saturaton alors qu un courant nul permet son blocage. B C E vce k B Le transstor MOS Le transstor MOS de pussance est un composant commandable à la fermeture et à l ouverture. Cette commande est réalsée en tenson. Lorsque le transstor MOS est passant l se comporte comme une résstance de fable valeur (RDSON). La dode en ant-parallèle fat parte ntégrante de la structure MOSFET. G D S vds k vgs Le transstor IGBT Le transstor bpolare à grlle solée combne un transstor bpolare et un MOSFET, proftant des avantages de chacun, respectvement fables pertes en conducton et rapdté. L IGBT conserve la smplcté de commande en tenson du MOSFET. G C E vce k vge 5 Fonctons réalsées 5.1 Converson DC-DC : les hacheurs Les hacheurs sont des convertsseurs drects du type contnu-contnu. Ils permettent d obtenr une tenson contnue réglable à partr d une tenson contnue fxe. Les hacheurs sont utlsés pour la varaton de vtesse des moteurs à courant contnu et dans les almentatons à découpage Le hacheur sére sur charge résstve L'nterrupteur H (de type transstor) est commandé à la fréquence f (pérode T = 1/f). Durant la pérode T, l'nterrupteur est fermé pour une durée.t (rapport cyclque a avec 0 < < 1). Convertsseurs statques 4/8

5 Chronogrammes Les chronogrammes c-dessous montrent l'allure de la tenson et du courant pour un rapport cyclque donné : Calcul de moyen et moyen Le calcul se fat par la méthode des surfaces entre la courbe et l'axe du temps : surface surface v s = = pérode pérode La valeur moyenne de v s est donc réglable de Le hacheur en pont sur charge résstve La commande des nterrupteurs respecte l'ordre suvant ( 0< <1 ) : - de 0 à T : K1 et K4 fermés K2 et K3 ouverts - de T à T : K1 et K4 ouverts K2 et K3 fermés Remarque mportante : La source de tenson E ne dot pas être en "court-crcut", l est donc mpératf de ne jamas avor K1 et K3 ou K2 et K4 fermés en même temps. Chronogrammes moyen Calcul de moyen et moyen Le calcul se fat par la méthode des surfaces entre la courbe et l'axe du temps : surface surface v s = = pérode pérode La valeur moyenne de v s est donc réglable de Un condensateur C est placé aux bornes de la charge afn lsser la tenson et d obtenr une tenson sensblement contnue égale à moyen = v s. La valeur du condensateur dot être suffsamment grande afn de pouvor consdérer la tenson de sorte VS comme contnue. Convertsseurs statques 5/8

6 5.2 Converson DC-AC : les onduleurs Les onduleurs sont utlsés pour la producton d une tenson alternatve à une fréquence fxe ou varable, l almentaton de certans équpements ndépendants de la présence du réseau (noton de contnuté de servce ou almentaton sans nterrupton) Onduleur monophasé de tenson en pont (4 nterrupteurs) La commande des nterrupteurs respecte l'ordre suvant : - de 0 à T/2 : K1 et K4 fermés K2 et K3 ouverts - de T/2 à T : K1 et K4 ouverts K2 et K3 fermés Chronogrammes 0 T/2 T 3T/2 2T t Calcul de Vs et moyen Vs est calculé avec la méthode des ares en résolvant l équaton Vs ² Vs = Vsmoyen = v s La tenson obtenue est alternatve de valeur moyenne nulle mas n'est pas snusoïdale. Le générateur de tenson va almenter prncpalement des crcuts conçus pour être traversés par un courant snusoïdal. La nature nductve du récepteur va mposer la forme du courant de sorte. Nota : afn d obtenr une tenson de sorte snusoïdale, l faudra utlser une lo de commande des nterrupteurs plus complexe en ntervenant sur la modulaton de largeur d mpluson (MLI). L exemple c-contre montre une commande avec 6 angles de découpage sur une dempérode. 5.3 Converson AC-DC : les redresseurs Les redresseurs permettent d obtenr une tenson de valeur moyenne non nulle à partr d une tenson alternatve (monophasée ou trphasée) de valeur moyenne nulle. Les redresseurs commandés permettent de régler la valeur moyenne de la tenson redressée. Les redresseurs sont utlsés comme étage ntermédare dans les cartes électronques, les fours, les électrolyses, le transport à courant contnu, pour la varaton de vtesse des moteurs à courant contnu Redresseur smple alternance sur charge résstve ve = Ve. 2.sn La dode est parfate : passante v D = 0 V bloquée D = 0 A ve Convertsseurs statques 6/8

7 Chronogrammes Ve. 2 0 < θ < π ve > 0 alternance postve D est passante (nterrupteur fermé) v D = et = π < θ < 2π ve < 0 alternance négatve D est bloquée (nterrupteur ouvert) = et = Calcul de moyen Vsmoyen = Are d une dem-snusoïde : 2.Ve Redresseur double alternance sur charge résstve Ce montage est nommé pont de graëtz ve = Ve. 2.sn Les dodes sont parfates : passante v D = 0 V bloquée D = 0 A Chronogrammes 0 < θ < π ve > 0 alternance postve Les dodes D1 et D3 sont passantes (nterrupteurs fermés) alors que les dodes D2 et D4 sont bloquées (nterrupteurs ouverts). = π < θ < 2π ve < 0 alternance négatve Les dodes D2 et D4 sont passantes (nterrupteurs fermés) alors que les dodes D1 et D3 sont bloquées (nterrupteurs ouverts). = Calcul de moyen Vsmoyen = Le lssage de la tenson est obtenu en plaçant en parallèle avec la charge un condensateur de capacté C. Vsmax Vsmn (V) Décharge de C Charge de C Le taux d ondulaton de la tenson fltrée est le rapport : Vsmax Vsmn = Vsmax Vsmn (rad) Convertsseurs statques 7/8

8 5.4 Converson AC-AC : les gradateurs Les gradateurs permettent d obtenr une tenson alternatve de valeur effcace réglable à partr d une tenson alternatve de valeur effcace et de fréquence fxe. La fréquence d un gradateur n est pas réglable. Les gradateurs sont utlsés en électrotherme, en éclarage, le démarrage progressf de moteurs. Gradateur monophasé sur charge résstve L amorçage du trac est effectué toute les dem-pérodes après un temps t a où l on donne une mpulson sur la gâchette. Ce temps est défn par le retard à l amorçage = t a. Quand l est égal à la tenson de sorte est quasment nulle et quand l est égal à 0 la tenson de sorte est la même que celle de l'entrée (du réseau). Chronogrammes A θ = α + k, le trac est amorcé et le courant crcule dans la malle ans : = A θ = k, le trac se bloque naturellement ans : = ve Calcul de moyen moyen = Calcul de Vs La valeur effcace de notée Vs est donnée par la formule : Ans pour = 0 Vs = et = Vs = Vs Ve sn La valeur effcace de v s est donc réglable de Convertsseurs statques 8/8

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