AL Alimenter en énergie électrique cours AL-2 redressement. Cours AL 2 TSI1 TSI2. Génération de signaux continus
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- Jean-Michel Drapeau
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1 Cours Objecifs Cours AL 2 TSI1 TSI2 Généraion de signaux coninus Analyser Modéliser Résoudre Expérimener Réaliser Concevoir Communiquer - Proposer une méhode de résoluion permean la déerminaion des courans, des ensions e des puissances échangées - Déerminer les courans e ensions dans les composans - Déerminer les puissances échangées - Déerminées les énergies ransmises où sockées X Période Conversion AC DC : Redressemen Cycle 7 : Alimener en énergie élecrique Durée : 3 semaines X 1- Inroducion : 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. Converisseurs saiques AC/DC sur le TGV POS (PMCF : Pons monophasés à commuaion forcée à IGBT) Exigences : 1500 V coninu Sur réseau alernaif, le couran absorbé au primaire du ransformaeur es quasisinusoïdal. Ce exemple monre que, dans le cadre de la racion ferroviaire, le converisseur saique alernaif-coninu es largemen uilisé. Lycée Jules Ferry Page 1 sur 6 TSI1
2 2- Principe d un monage redresseur 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. 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 e1 V e2 - - i e1 i e2 3-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 : 3-1 Srucure du converisseur : Ve~ D4 Ve AC DC D3 Ve() = sin (ω e) > 0, conducion coninue La source de ension es alernaive, la source de couran es coninue. Lycée Jules Ferry Page 2 sur 6 TSI1
3 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 3-2 Foncionnemen : Ve~ D4 Ve~ D4 V s V s D3 D3 Lors de l alernance posiive de Ve, les diodes e D3 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 Lors de l alernance négaive de Ve, les diodes e D4 conduisen. - - 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 =.sin(ω e) d où < V S > = 1 Ts. sin(ω T e )d S Expression des puissances : soi < () > = 2 π Puissance de sorie : Le couran es considéré consan e égal à, alors : Ve AC DC 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 6 TSI1
4 Fp = Pe S = Ps S = 2 2 π = 0, 9 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. 3-4 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 : T 2 I Deff = 1 T i ()d 0 < I D > = 2 < I FAV I Dmax = = 2 A l éa bloqué, la diode es soumise à une ension inverse elle que : V Dmax = 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 FAV : Forward AVerage : couran direc moyen qui doi êre supérieur à <ID> calculé I FSM : Forward 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 6 TSI1
5 - Refroidissemen des semi-conduceurs : 4-1 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 TO en série avec une résisance dynamique noée r T. L inerrupeur n éan plus parfai, une chue de ension V F apparaî aux bornes de la diode. V F i K i K i K V K V T0 r T Schéma équivalen de la diode à l éa passan V F 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 : peres = V T0 I FAV + r T I D ² = V F I FAV 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. 4-2 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 6 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 dans le composan 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 : R hda = θj θamb P D R hjb R hbd 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 6 TSI1
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