CS Conversion statique d énergie cours CS-2 redressement La conversion alternatif-continu

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1 La conversion alernaif-coninu Compéences aendues : S22 Modéliser : Associer les grandeurs physiques aux échanges d énergie e à la ransmission de puissance Modéliser : Idenifier les peres d énergie dans un converisseur saique d énergie, dans un acionneur ou dans une liaison. Résoudre : Déerminer les peres en conducion dans un inerrupeur saique, dimensionner un dissipaeur hermique, déerminer les courans e les ensions dans les composans, déerminer les puissances échangées 1- Inroducion : Converisseurs saiques AC/DC sur le TGV POS (PMCF : Pons monophasés à commuaion forcée à IGBT) Sur réseau alernaif, le couran absorbé au primaire du ransformaeur (couran noé Ip sur le schéma) es quasi-sinusoïdal. Ce exemple monre que, dans le cadre de la racion ferroviaire, le converisseur saique alernaifconinu es largemen uilisé. Les évoluions echnologiques on permis d améliorer la qualié de l énergie consommée par le maériel ferroviaire roulan, noammen en réduisan les harmoniques au niveau de l onde de couran absorbée par l engin de racion. 2- Principe d un monage redresseur Le TGV POS a éé mis en service juin 2007, dépar de Paris vers Srasbourg, Mez, Munich, Francfor, Zurich e Luxembourg (viesse commerciale de 320 km.h -1 sur le parcours français e de 300 km.h -1 sur lignes grande viesse allemandes). Chacune des 2 morices es consiuée de 4 ensembles "essieux-moeurs" regroupés en 2 blocs moeurs (de 1200 kw), un par bogie. Pour le TGV POS, la pénéraion sur les réseaux allemands e suisses nécessie des rames ri-ensions adapées aux ensions 25kV-50Hz monophasée e 1500V coninu du réseau français e, d aure par, à la ension spécifique 15 kv-16,7hz des réseaux allemands e suisses. Lorsque le monage es consiué de diodes associées en parallèle, deux cas de figures pourron se présener : - Les diodes son associées en cahode commune, les anodes son reliées à des poeniels différens - Les diodes son associées en anode commune, les cahodes son reliées à des poeniels différens Règles de conducion : Dans un monage à cahodes communes, la seule diode qui se mera à conduire es celle qui dispose du poeniel d anode le plus élevé. Dans un monage à anodes communes, la seule diode qui se mera à conduire es celle qui dispose du poeniel de cahode le plus faible. Lycée Jules Ferry Page 1 sur 8 TSI1

2 L exemple ci-dessous monre un monage à cahode commune. V e1 ~ i e1 i e2 i s Cas où Ve1 > Ve2 : La diode es passane, i e1 = i s ; V s = V e1 e i e2 = 0 V e2 ~ V s Cas où Ve1 < Ve2 : La diode es passane, i e2 = i s ; V s = V e2 e i e1 = 0 V 2 V e1 V e2 V 2 -V 2 -V 2 i e1 i e2 2-Le monage parallèle double : Dans le monage précéden, deux sources de ensions éaien nécessaires pour obenir une ension redressée double alernance. On peu, à parir d une seule source de ension alernaive obenir le même résula en uilisan le converisseur suivan : 2-1 Srucure du converisseur : CVS Ve~ D4 Ve AC DC D3 Ve() = V 2 sin (ω e ) > 0, conducion coninue La source de ension es alernaive, la source de couran es coninue. Définiion : Le converisseur foncionne en conducion coninue si le couran rese sricemen posiif. Si le couran devien nul, le converisseur foncionnera alors en conducion disconinue Lycée Jules Ferry Page 2 sur 8 TSI1

3 2-3 Foncionnemen : Ve~ D4 Ve~ D4 V s V s D3 D3 Lors de l alernance posiive de Ve, les diodes e D3 conduisen. Lors de l alernance négaive de Ve, les diodes e D4 conduisen. En considéran la source de couran parfaie, l allure du couran e la ension en enrée e en sorie prend la forme suivane : Ve V 2 V 2 -V 2 -V 2 Ts Te = 2π/ω Te = 2π/ω - Te = 2π/ω Expression de la valeur moyenne de la ension en sorie du converisseur : De 0 à Ts V s = V 2.sin(ω e ) d où < > = V 2.sin(ω )d soi < ()> = 2-4 Expression des puissances : Ve AC DC Puissance de sorie : Le couran es considéré consan e égal à, alors :!= ( Puissance d enrée : La ension es considérée parfaiemen sinusoïdale :!"= ( On en dédui donc le faceur de puissance du converisseur comme éan le rappor de P sur S avec S = V* ( correspond à la valeur efficace de i e ()). =!" # =! # = =$,& Lycée Jules Ferry Page 3 sur 8 TSI1

4 La ension de sorie ne peu-êre que posiive, le couran l éan aussi, on peu consaer que le converisseur ne présene pas de réversibilié en ension ou en couran. Il ne foncionne donc que sur un quadran. 2-5 Choix des diodes : Les diodes qui composen le converisseur son soumises à des courans posiifs e des ensions inverses qui on éé relevé cidessous : Le couran qui raverse la diode peu donc se mere sous la forme suivane : ( )"** =+, -. / ), ()0 $ - < 1 ) > = ( < ( 2 ( )345 =( = ( A l éa bloqué, la diode es soumise à une ension inverse elle que : )345 = Le choix du composan se fera à parir des valeurs précédemmen calculées. Les consruceurs donnen les indicaions suivanes : I D : couran direc efficace dans la diode doi êre supérieur au couran I Deff calculé I F AV : Forward AVerage : couran direc moyen qui doi êre supérieur à < ID > calculé I FSM : Forwarg Surge Max : couran impulsionnel maximum qui doi êre supérieur à I Dmax V RRM : Rear Repeiive Max : ension inverse maximale supérieure à V Dmax Lycée Jules Ferry Page 4 sur 8 TSI1

5 3- Refroidissemen des semi-conduceurs : 3-1 Peres par conducion : En réalié, la diode n éan pas un composan parfai, on peu l assimiler a l éa passan à un modèle équivalen simplifié composé d une source de ension V F en série avec une résisance dynamique noée r T. V F i K I K V K V T0 Schéma équivalen de la diode à l éa passan r T La diode dissipe donc de l énergie lorsqu elle es en conducion. On peu définir à parir du modèle équivalen déerminé les peres par conducion de la diode :! ) = -$ ( ( ) ²= ( 2 Ces peres son dissipées par effe Joule (Energie hermique) qui va provoquer une élévaion de la empéraure du composan. La empéraure θ J des joncions des inerrupeurs saiques es limiée à θ Jmax (donnée inrinsèque au composan fournie par le consruceur). Si θ J > θ Jmax, il y a desrucion du composan. Il fau donc évacuer la puissance perdue par effe Joule. 3-2 Dissipaeur hermique : => Dissipaeur hermique (appelé aussi radiaeur) Les dissipaeurs par conducion naurelle son de simples radiaeurs consiués d ailees permean d augmener la surface d échange hermique enre le maériau e l air. Les dissipaeurs peuven-êre à refroidissemen forcé par venilaion ou circulaion d un fluide caloporeur Lycée Jules Ferry Page 5 sur 8 TSI1

6 Modèle équivalen hermique : Les peres générées par la diode doiven êre évacuées par conducion enre la puce e le boiier, puis enre le boiier e le radiaeur, e enfin par convecion enre le radiaeur e l air ambian : On peu en déduire un schéma équivalen hermique ci-dessous qui répond, en faisan une analogie, aux mêmes règles qu un schéma élecrique : - Les peres P D son assimilables à une source de couran - Les résisances hermiques son assimilables à des résisances élecriques - Les différences de empéraures s apparenen à des différences de poeniels θ j -θ amb joncion P D θ j θ b θ d R hjb R hbd R hda θ amb Air ambian boiier dissipaeur En appliquan la loi d ohm : θ j - θ amb = ΣR h *P D On peu donc dimensionner le dissipaeur hermique en calculan sa résisance hermique : 9 :)2 = ;< = ;>?@! ) 9 :BC 9 :C) Si on veu améliorer le refroidissemen, il fau favoriser l évacuaion de la chaleur en diminuan la résisance hermique du dissipaeur ce qui revien à augmener sa aille. Ex : si on veu une résisance R hda =2 C/W Il faudra un dissipaeur de 50mm de longueur Lycée Jules Ferry Page 6 sur 8 TSI1

7 4- redressemen sur charge RLE : 4-1 Ondulaion de couran : Ve~ D4 R L V s En réalié, l onde de couran en sorie du redresseur n es pas parfaiemen lissée, elle présene une ceraine ondulaion auour d une valeur moyenne qui es due à l ondulaion de ension appliquée aux bornes de la charge RLE. D3 E Pour déerminer l ampliude de l ondulaion de couran, on peu se baser sur l approximaion du premier harmonique de ension issu de la décomposiion de Série de Fourier donnée ci-dessous : ()= D, Pour p = 1 => * = J FG H " K, ( =,)( I,) L M OPQ(H N " )= <R()> 6 * Lycée Jules Ferry Page 7 sur 8 TSI1

8 Pour déerminer la composane ondulaoire, on ne ien pas compe des grandeurs consanes. Ainsi, < () > e E ne paricipen pas à l ondulaion de couran. On en dédui le schéma équivalen suivan à la fréquence 2ω e : RV =(W6XYZ [ ) 1RV f R L Soi 1RV ]^_ = \1R=21RV ]^_ = a(= de fgh `i²i(juk l )² b N `9²6(cH " )² 2RV ]^_ `W²6(Y2Z [ )² Puis le schéma équivalen pour ω = 0 : <> R E Seuls les ermes coninus son conservés : <1R> = <R()> m Conducion coninue : is() ne s annule pas si < > es supérieur à ST U. En conducion coninue, la ension () es imposée uniquemen par le converisseur ; donc par Ve(). Si () s annule, les diodes se bloquen naurellemen par annulaion du couran d anode, la ension de sorie es alors imposée par la charge ( = E dans le cas d une charge acive RLE). Dans le cas d un redressemen commandé par exemple, la conducion inerrompue peu êre rès gênane puisque elle enraine la pere de conrôle du pon redresseur (la ension de sorie n es plus imposée par celui-ci). Lycée Jules Ferry Page 8 sur 8 TSI1