Electronique de puissance et vitesse variable

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1 L électronique de puissance au service de la vitesse variable Ce cours utilise de nombreux ouvrages et sites web sur lesquels j ai repris des photos ou des diagrammes. Je tiens à remercier toutes les personnes qui directement et/ou indirectement ont contribué à l enrichissement de ce cours. Cours quipements electriques, Bruno FRANÇOIS lectronique de puissance et vitesse variable Plan * Besoins en matière d alimentation des machines à courant continu * Mise en évidence de la nécessité de travailler en commutation * Modalités d obtention par commutation de tensions ou de courants de formes données 2

2 230. V2 Alimentation A partir d une tension de signe alternatif, comment générer une tension de signe constant qui sera appliquée aux bornes de l induit de la mcc? 230V ~ Redresseur à diodes 230. V2 ur Redresseur à diodes 230. V2 230V C ~ + uc 3 Rappel sur la vitesse variable des MCC Si la tension aux bornes de l induit est constante, la vitesse sera constante. La mcc fonctionne en régime permanent. Rappel di () () () ( t) t = e t + r.i t + L u. dt k r.u Cem 1 k.u Ω Si l on souhaite avoir une autre valeur de la vitesse (ou une valeur variable de la vitesse ), il faut un dispositif d alimentation qui varie la tension (d alimentation aux bornes de l induit de la mcc). 4

3 Applications des entraînements à vitesse variable * Deux grands domaines d application Applications où la vitesse variable est une condition intrinsèque de fonctionnement du procédé Traction électrique entraînement de laminoirs, de fours à ciment et d une manière générale toutes lignes de la métallurgie, du textile, du caoutchouc, du papier Les machines outils et la robotique ntraînement de pompes et compresseurs 5 Intérêt économique Gain en énergie (on agit sur l alimentation et non sur les pertes) exemple pompe à vitesse constante + vanne vs. pompe à vitesse variable Suppression des surintensités au démarrage et réduction de la puissance d alimentation Allongement de la durée de vie des moteurs réduction des échauffements au démarrage limitation de la fatigue des roulements par réduction de la vitesse protection contre les défauts réseaux La souplesse, flexibilité, précision et rapidité des régulations permettent un accroissement de la productivité Quelques inconvénients... Le courant dans le moteur n est plus tout à fait continu Le courant absorbé à la source contient des harmoniques (puissance déformante) Ondes électromagnétiques rayonnées 6

4 Nécessité de travailler en commutation I Source 1 Charge (ec : MCC) U Composant électronique de réglage Montage série Puissance fournie par la source :.I Puissance absorbée par la charge : U.I Puissance à gérer par le composant : ( - U).I Deux possibilités pour minimiser la puissance dans le composant électronique I = 0 Circuit ouvert (-U) = 0 Court-circuit Le composant électronique de puissance ne peut travailler que comme un interrupteur 7 Nécessité de travailler en commutation I Source 1 Charge (ec : MCC) U Montage série 8

5 Nécessité de travailler en commutation Montage parallèle I 1 I 2 Puissance fournie par la source : U.I 1 Puissance absorbée par la charge : U U. I 2 Puissance à gérer par le composant : 9 U.(I 1 -I 2 ) Deux possibilités pour minimiser la puissance dans le composant électronique I1-I2 = 0 Circuit ouvert U = 0 Court-circuit Le composant électronique de puissance ne peut travailler que comme un interrupteur Nécessité de travailler en commutation Montage parallèle I 1 I 2 U 10

6 n résumé : deux moyens Réalise l adaptation du transfert énergétique d un générateur à un récepteur i B r v v B Pertes par effet Joule très important (et donc très coûteuses) La conversion est réalisée de manière discontinue i B v B v t Même tension en valeur moyenne 11 t Comment dans ces conditions, obtenir une tension continue? U : Tension appliquée Tm O α Tm temps La tension appliquée comporte : une composante utile : la valeur moyenne α une composante parasite à la fréquence f = 1/Tm 12

7 Tension appliquée Tm O Analyse fréquencielle de la tension appliquée α Tm temps α Valeur moyenne Composante parasite O 1 Tm Fréquence (Hz) 13 Filtrage de la composante parasite 1 ère possibilité : ajouter un circuit passif (RC, RL, LC) 2 ème possibilité : profiter des caractéristiques de la charge : un moteur DC constitue un filtre RL du premier ordre (fréquence de coupure quelques centaines de Hz à quelques khz) Action de filtrage Fréquence O de coupure Fréquence (Hz) Tension filtrée Tension modulée O 1 Tm Fréquence (Hz) O 1 Tm Fréquence (Hz) 14

8 15 Les interrupteurs de l électronique de puissance Ce cours utilise de nombreux ouvrages et sites web sur lesquels j ai repris des photos ou des diagrammes. Je tiens à remercier toutes les personnes qui directement et/ou indirectement ont contribué à l enrichissement de ce cours. Cours d lectricité, Bruno FRANÇOIS Interrupteurs

9 Les interrupteurs de l électronique de puissance L interrupteur idéal L interrupteur non commandable : la fonction diode L interrupteur commandé à la fermeture et à l ouverture : la fonction transistor Les interrupteurs synthétisés 17 L interrupteur dipôle idéal Courant nul à l état bloqué (ouvert) v i ( f=1, v=1 ) 1 i v CF CO Représentation 0 Caractéristique statique ( f=0, i=0 ) Caractéristique dynamique 18

10 L interrupteur dipôle idéal Courant nul à l état bloqué (ouvert) Chute de tension nulle à l état passant (fermé) v i + ( f=1, v=0 ) 1 i v CF CO Représentation 0 - ( f=0, i=0 ) Caractéristique Caractéristique statique dynamique 19 Courant nul à l état bloqué L interrupteur dipôle idéal Chute de tension nulle à l état passant Passage instantané d un état à l autre v i + ( f=1, v=0 ) 1 i v CF CO Représentation 0 - ( f=0, i=0 ) Caractéristique Caractéristique statique dynamique 20

11 Synthèse Comment faire un interrupteur idéal qui commute à plusieurs khz? Un interrupteur idéal est synthétisé en utilisant des transistors et des diodes 21 La fonction diode Un interrupteur à ouverture et à fermeture spontanée il s ouvre (cesse de conduire) quand le courant qui le traverse s annule (devient légèrement négatif). il se ferme (conduit) quand la tension à ses bornes devient positive (dépasse une certaine valeur appelée tension de seuil). V D tat conducteur (V D = 0, I D > 0) I D I D I D O? Non Oui V D tat Bloqué (V D < 0, I D = 0) Oui V D O? Non 22

12 La fonction transistor Un interrupteur à ouverture et à fermeture commandée V T tat conducteur (V T = 0) I T I T Cmde = off Non Oui V T tat Bloqué (I T = 0) Oui Cmde = on Non Contrainte : I T > 0 et V T > 0 23 Interrupteurs synthétisés On peut créer d autres interrupteurs électroniques de puissance en combinant les interrupteurs précédents (et leur commande). xemple 1 : transistor + diode anti-parallèle INTRRUPTUR BIDIRCTIONNL N COURANT 24

13 Interrupteurs synthétisés xemple 2 : transistor + diode série V T I T 25 Les convertisseurs continu-continu (DC-DC) Cours d lectricité, Bruno FRANÇOIS Les convertisseurs continu-continu

14 Les convertisseurs continu-continu Plan Hacheur série Hacheur parallèle Hacheur réversible en courant Hacheur réversible en courant et en tension Application à l alimentation de moteurs DC 27 Un cas élémentaire : l interrupteur idéal On désire alimenter un récepteur (résistif) par une source de tension n fermant l interrupteur T, on connecte le récepteur à la source de tension T R 28

15 Un cas élémentaire : l interrupteur idéal On désire alimenter un récepteur (résistif) par une source de tension n l ouvrant, on connecte le récepteur à une source de courant ( = 0) T R 29 Un cas élémentaire : le transistor Commutations : Quant T est fermé, le courant qui le traverse est constant et égal à, Tm = = /R > 0 /R Pas d ouverture spontanée possible O temps Quant T est ouvert, la tension à ses bornes est constante et égal à α Tm - = > 0 Pas de fermeture spontanée possible T R T doit être un interrupteur entièrement commandé 30

16 Un cas élémentaire : le transistor t si le récepteur est inductif Le récepteur est assimilable à une source de courant On ne peut ouvrir l interrupteur T Annulation d une source de courant! T L R Pendant la phase d ouverture de l interrupteur T, il faut connecter le récepteur à une autre source de tension 31 Quel type d interrupteur pour T 2? Un court-circuit est une source de tension «naturelle» T 2 doit se fermer «automatiquement» quand T 1 s ouvre pour éviter que la source de courant ne soit ouverte T 2 doit s ouvrir «automatiquement» quand T 1 se ferme pour éviter que la source de tension ne soit court-circuitée T 1 T 2 L R 32

17 Quel type d interrupteur pour T 2? T 2 doit être à ouverture et fermeture spontanée une diode? Vérification des conditions d ouverture et de fermeture : quand T 1 se ferme, la source est a priori court-circuitée et le courant dans la diode T 2 tente de s'inverser elle s ouvre automatiquement quand T 1 s ouvre le courant a priori chute, la tension = R + Ld /dt devient négative, donc celle aux bornes de la diode positive elle se ferme automatiquement T 1 T 2 L R 33 Le hacheur série Si T est passant pendant une durée α.tm au cours d une période Tm : La tension moyenne aux bornes du récepteur vaut < >= α. Le courant moyen fourni par le générateur vaut < > = α., Tm T 1 T 2 L R O temps Le hacheur série est un convertisseur qui conserve l énergie : P S =.< > =.α. P R = < >. = α.. Le hacheur série est un hacheur dévolteur La tension moyenne aux bornes du récepteur est inférieure à celle de la source Le courant moyen dans le récepteur est supérieur à celui de la source 34 α Tm

18 Comment obtenir une tension supérieure à celle de la source? n «hachant» la tension imposée par la source, on obtient une tension de récepteur inférieure et un courant supérieur à ceux de la source. t si on hachait, le courant imposée par une source, obtiendrait-on un courant inférieur et une tension supérieure (hacheur survolteur)? 35 Première étape Transformer la source de tension en source de courant L Deuxième étape Hacher le courant de source : entre 0 et α.tm, envoyer le courant vers le récepteur entre α.tm et Tm, court-circuiter la source L T 1 T 2 R 36

19 Troisième étape Choisir les interrupteurs : T 1 ne peut être une diode (il ne pourrait jamais s ouvrir) T 2 doit se fermer quand T 1 s ouvre T 2 doit s ouvrir quand T 1 se ferme L T 1 T 2 R T 2 L T 1 R 37 Troisième étape Vérification des conditions de commutation : Quand T 1 s ouvre, la tension aux bornes de la diode est positive elle conduit V D = 0 Quand T 1 se ferme, le courant passe entièrement dans T 1 (chemin de moindre résistance) et dans la diode T 2 s annule 38

20 Le hacheur parallèle Si T est passant pendant une durée α.tm au cours d une période Tm : Le courant moyen dans le récepteur vaut : < >= (1-α). La tension moyenne aux bornes de la source vaut : <U S >= (1-α). T 2 U S, Tm L T 1 R temps O α Tm Le hacheur parallèle est un convertisseur qui conserve l énergie : P S = <U S >. = (1-α).. P R =. =. (1-α). Le hacheur série est un hacheur survolteur Le courant moyen dans le récepteur est inférieur à celui de la source La tension moyenne aux bornes du récepteur est supérieure àcelle de la source 39 Réversibilité en puissance Les hacheurs série et parallèle sont irréversibles en puissance L un peut transmettre une puissance d une source de tension vers un récepteur de tension ( < ) L autre peut transmettre une puissance d une source de tension vers un récepteur de tension ( < ) T 2 T 1 T 2 L R L T 1 R 40

21 Réversibilité en puissance Idée : associer un hacheur série et un hacheur parallèle pour obtenir un hacheur réversible en puissance. Fonctionnement : La tension du récepteur ( ) est inférieure à celle de la source () Quand > 0, la puissance va de la source vers le récepteur seul le hacheur dévolteur fonctionne Quand < 0, la puissance va du «récepteur» vers la «source» seul le hacheur survolteur fonctionne Dévolteur Survolteur T D D D D S T S L ' 41 Fonctionnement : Réversibilité en puissance Les tensions aux bornes de la source () et récepteur ( ) sont toujours positives Seul les courants sans le récepteur ( ) et dans la source ( ) peuvent changer de sens On parle donc d un hacheur réversible en courant Dévolteur Survolteur T D D D D S T S L ' 42

22 Hacheur réversible en courant Si > 0, on a : = < > = α Dév.U S = α Dév. Si < 0, on a : =<U S > = (1-α Sur ). = (1-α Sur ). Pour garder la même relation entre et, il faut et il suffit d avoir : α Dév = 1-α Sur Dévolteur Survolteur T D D S D D T S L ' 43 Hacheur réversible en courant Commande complémentaire: Tm O temps Dévolteur Survolteur α Tm D D T D D D T D D D T D D D ou T S D S T S D S T S D S T S T D D S D D T S L ' 44

23 Problématique des temps morts Les commutations ne sont jamais instantanées Le temps de mise en conduction est souvent plus court que le temps de blocage Que se passe-t-il en cas de commande complémentaire? Court-circuit! T D ON T D ON T D OFF T S OFF T S ON T S ON 45 Problématique des temps morts Il est donc nécessaire de retarder la mise en conduction des transistors, pour s assurer que leurs transistors complémentaires aient eu le temps de se bloquer Temps mort T D ON T D ON T D OFF T S OFF T S ON T S ON 46

24 Conséquences La tension aux bornes du «récepteur» n est pas rigoureusement la même selon le signe de! αh+t m O temps αh-t m D D T D D D T D D D T D D D > 0 D S D S D S T S T S T S T S < 0 47 Application à l alimentation de moteurs DC Alimentation par un convertisseur non réversible fonctionnement 1 quadrant Frein Moteur, Ω Moteur Frein, C Fonctionnement dans un seul sens (pas de marche arrière possible). Pas de freinage possible (arrêt en roue libre ou par frein extérieur) 48

25 Application à l alimentation de moteurs DC Valeur de la tension aux bornes du moteur Si le courant dans le moteur ne s annule jamais (cas de la conduction continue) : < > = α., Tm T D temps O α.tm D T D T D T D 49 Application à l alimentation de moteurs DC Valeur de la tension aux bornes du moteur Si le courant dans le moteur s annule (cas de la conduction discontinue) : < > = α. + β. on ne contrôle plus directement la tension aux bornes de la charge, Tm T D ' temps O β.τm α.tm - T D - T D - T D - 50

26 Alimentation par un hacheur réversible en courant Fonctionnement 2 quadrants (Coupe/courant positif ou négatif) Frein, Ω Moteur Fonctionnement dans un seul sens (pas de marche arrière possible). Moteur Frein, C Freinage possible (si le générateur est réversible en courant!) Pas de problème lié à une conduction discontinue 51 Alimentation par un hacheur réversible en courant Si commande complémentaire: < > = α.,, Tm T S temps D S O α. Tm D 2 T 1 D 2 T 1 D 2 T 1 D 2 T 2 D 1 T 2 D 1 T 2 D 1 T 2 ou 52

27 Alimentation par un hacheur réversible en courant Nécessité de maintenir un taux d ondulation du courant raisonnable Nécessité de continuer à filtrer la tension d alimentation Si le générateur de tension n est pas réversible, prévoir un système de dissipation 53 Hacheur réversible en courant et en tension Idée : deux hacheurs réversibles en courant Valeur de la tension aux bornes de la charge < > = α 1. - α 2. α 1 α 2 T 1 D 1 T 3 D 3 T 2 D 2 T 4 D 4 54

28 Alimentation par un hacheur réversible en courant et en tension Fonctionnement 4 quadrants Frein, Ω Moteur Fonctionnement dans les deux sens (marche avant / marche arrière). Moteur Frein, C Freinage possible (si le générateur est réversible en courant!) Pas de problème lié à une conduction discontinue 55 Cas d une alimentation trois niveaux Il est possible d utiliser le hacheur réversible en courant et en tension de façon à lui faire délivrer aux bornes de la charge: soit une tension + Cem(ou I) M Ω (οu ) T1 T3 fm1 Ualim D1 I Ur U M fm3 D3 T1, T4 fermés T2, T3 ouverts T2 fm2 D2 T4 fm4 D4 D1, D4 ouvertes D2, D3 ouvertes 56

29 Cas d une alimentation trois niveaux Il est possible d utiliser le hacheur réversible en courant et en tension de façon à lui faire délivrer aux bornes de la charge: soit une tension + Cem(ou I) Ω (οu ) T1 T3 G fm1 Ualim D1 I Ur U G fm3 D3 T1, T4 fermés T2, T3 ouverts T2 fm2 D2 T4 fm4 D4 D1, D4 ouvertes D2, D3 ouvertes 57 Cas d une alimentation trois niveaux Il est possible d utiliser le hacheur réversible en courant et en tension de façon à lui faire délivrer aux bornes de la charge: soit une tension + Quelque soit le sens de Is 58

30 Cas d une alimentation trois niveaux Il est possible d utiliser le hacheur réversible en courant et en tension de façon à lui faire délivrer aux bornes de la charge: soit une tension + soit une tension - G Cem(ou I) Ω (οu ) T1 T3 D1 D3 fm1 Ualim I Ur U G fm3 T1, T4 ouverts T2, T3 ouverts T2 fm2 D2 T4 fm4 D4 D1, D4 ouvertes D2, D3 fermées 59 Cas d une alimentation trois niveaux Il est possible d utiliser le hacheur réversible en courant et en tension de façon à lui faire délivrer aux bornes de la charge: soit une tension + soit une tension - Cem(ou I) Ω (οu ) M T1 T3 D1 D3 fm1 Ualim I Ur U M fm3 T1, T4 ouverts T2, T3 ouverts T2 fm2 D2 T4 fm4 D4 D1, D4 ouvertes D2, D3 fermées 60

31 Cas d une alimentation trois niveaux Il est possible d utiliser le hacheur réversible en courant et en tension de façon à lui faire délivrer aux bornes de la charge: soit une tension + soit une tension - Quelque soit le sens de Is 61 Cas d une alimentation trois niveaux Il est possible d utiliser le hacheur réversible en courant et en tension de façon à lui faire délivrer aux bornes de la charge: soit une tension + soit une tension - soit une tension nulle T1 T3 D1 D3 fm1 Ualim I Ur U fm3 T1, T4 fermés T2, T3 ouverts T2 fm2 D2 T4 fm4 D4 D1, D4 ouvertes D2, D3 ouvertes 62

32 Cas d une alimentation trois niveaux Il est possible d utiliser le hacheur réversible en courant et en tension de façon à lui faire délivrer aux bornes de la charge: soit une tension + soit une tension - soit une tension nulle 63 Cas d une alimentation trois niveaux Il est possible d utiliser le hacheur réversible en courant et en tension de façon à lui faire délivrer aux bornes de la charge: soit une tension + soit une tension - soit une tension nulle T1 T3 D1 D3 fm1 fm3 U Ualim I T1, T4 ouverts T2, T3 fermés T2 fm2 D2 T4 fm4 D4 D1, D4 ouvertes D2, D3 ouvertes 64

33 Cas d une alimentation trois niveaux Il est possible d utiliser le hacheur réversible en courant et en tension de façon à lui faire délivrer aux bornes de la charge: soit une tension + soit une tension - soit une tension nulle 65 Cas d une alimentation trois niveaux {-, 0,+ } est une tension de signe alternatif! est de signe alternatif! α 1 α 2 T 1 D 1 T 3 D 3 T 2 D 2 T 4 D 4 66

34 Les fonctions de l électronique de puissance Redresseur (rectifier) = conversion de puissance d une source alternative vers une charge continue Source alternative monophasée Redresseur monophasé Charge continue Source alternative triphasée Redresseur triphasé Charge continue 67 Les fonctions de l électronique de puissance Onduleur (inverter) = conversion de puissance d une source continue vers une charge alternative Transfert de la puissance Source continue Onduleur monophasé Charge alternative monophasée Source continue Onduleur triphasé Charge alternative triphasée 68

35 Les fonctions de l électronique de puissance Redresseur (rectifier) = conversion de puissance d une source alternative vers une charge continue Transfert de la puissance Charge continue Redresseur monophasé Source alternative monophasée Charge continue Redresseur triphasé Source alternative triphasée 69 Les fonctions de l électronique de puissance Hacheur (chopper) = conversion de puissance d une source continue vers une charge continue Source continue Hacheur Charge continue 70

36 Les fonctions de l électronique de puissance Remarque : Les définitions précédentes ne caractérisent pas un circuit électronique de puissance mais un mode de fonctionnement (un onduleur réversible peut fonctionner en redresseur) Cependant, certains circuits conçus historiquement pour accomplir telle ou telle fonction ont souvent pris le nom de cette fonction 71 72

37 73 74

38 + Les quadrants de fonctionnement i u Cem=k i + i u 2 CΩ<0 CΩ>0 vitesse couple freinage marche AV moteur Avant CΩ>0 vitesse couple CΩ<0 3 moteur AR freinage marche AR 4 i i + + u u 1 Ω=e/k vitesse couple 75 vitesse couple Les quadrants de fonctionnement Cem=k i Le dispositif d alimentation reçoit une puissance électrique Le dispositif d alimentation fournit une puissance électrique 2 CΩ<0 CΩ>0 freinage AR moteur Avant CΩ>0 CΩ<0 3 moteur AR freinage Avant 4 1 Ω=e/k Le dispositif d alimentation fournit une puissance électrique Le dispositif d alimentation reçoit une puissance électrique Pour passer des quadrants Q1 Q4 ou Q2 Q3, le dispositif d alimentation devra être réversible en courant. Pour passer des quadrants Q1 Q2 ou Q3 Q4, le dispositif d alimentation devra être réversible en tension. 76