Chapitre 2 Transformateurs et Redresseurs à diodes

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1 Chapitre Transformateurs et Redresseurs à diodes Frédéric Gillon - Iteem

2 Sommaire La conversion d énergie Équations Physiques de la conversion d énergie magnétique Le Transformateur Monophasé Le Transformateur Triphasé Les Redresseurs à diodes Frédéric Gillon - Iteem

3 Exemples d applications Chargeur de batteries Tôles magnétique Ancien modèle de chargeur pour téléphone portable Secondaire Fil de cuivre Transformateur Primaire Frédéric Gillon - Iteem 3

4 Exemples d applications Chargeur de batteries Tôles magnétique Diodes de redressement (4) Protection Frédéric Gillon - Iteem 4

5 Exemples d applications Fusible Inductance Radiateur Transistor de Puissance Condensateur Bornier Alimentation à découpage Frédéric Gillon - Iteem 5

6 8. Exemples d applications Chargeur de batteries GameBoy Redresseur Chargeur avec alimentation à découpage Transformateur Frédéric Gillon - Iteem 6

7 8. Exemples d applications Chargeur de batteries Redresseurs à diodes Transistor de puissance Transformateur Optocoupleur Composant CMS Frédéric Gillon - Iteem 7

8 Exemples d applications Alimentation à découpage Redresseurs à diodes Transformateur Optocoupleur Transistor de puissance Frédéric Gillon - Iteem 8

9 Exemples d applications Le transformateur de distribution sur le réseau électrique français : L énergie électrique, produite sous 0Kv (entre phases), transportée sous 400Kv, nous parvient sous 30V (entre phase et neutre) Frédéric Gillon - Iteem 9

10 Le transformateur de distribution triphasé Exemples d applications Tôles magnétique Fil de cuivre Frédéric Gillon - Iteem 0

11 Vocabulaire Le transformateur est un convertisseur électromagnétique d énergie électrique. Il est principalement utilisé pour adapter la tension Les redresseurs à diodes sont également des convertisseurs d énergie, mais ils transforment de l énergie alternative en continue Frédéric Gillon - Iteem

12 Chapitre La conversion d énergie Frédéric Gillon - Iteem

13 La conversion d énergie.. Le transformateur Triphasé Bidirectionnel P 3 V I cos Q 3 V I sin S 3V I 3 circuits monophasés I C V A V A V B V C I A N V B I A I B I C ~ m, ~ V c n V b Déphasage entre entrée et sortie Rapport entre entrée et sortie V a I c V c P 3 V I cos Q 3 V I sin S 3V I V a I a V C I B I V b b Frédéric Gillon - Iteem 3

14 La conversion d énergie.. Le redresseur Triphasé Unidirectionnel P 3 V I cos Q 3 V I sin S 3V I I A I B I C ~ = I V P V I V A V B V C N Frédéric Gillon - Iteem 4

15 Chapitre 3 Équations Physiques de la conversion d énergie magnétique Frédéric Gillon - Iteem 5

16 Équations Physiques.. Le Flux Flux Induction B BdS S ou B S Weber (Wb) Tesla (T) Si B uniforme Magnétique Frédéric Gillon - Iteem 6

17 Équations Physiques.. La Force Électromotrice Flux (Wb) Fem (V) e n d dt temps e Nb de spire Électrique Frédéric Gillon - Iteem 7

18 .3. L Inductance Lien entre électrique et magnétique : Flux n Li Henry (H) Équations Physiques Nb de spire L inductance (H) Courant (A) Magnétique Électrique Frédéric Gillon - Iteem 8

19 .4. Le Théorème d Ampère Longueur du parcours Équations Physiques ni Hdl ni Hl Pour une bobine et H=cste Champ magnétique (A/m) Magnétique Frédéric Gillon - Iteem 9

20 Équations Physiques.5. Sens du flux Règle du tir bouchon Magnétique Pôle Sud Pôle Nord Suivant le sens de parcours du courant on a un pôle Nord ou un pôle Sud Frédéric Gillon - Iteem 0

21 .6. Le milieu magnétique Magnétique Équations Physiques Induction : B H Comportement du milieu (T) Perméabilité Magnétique B (T) Tôle magnétique Avec : 0 r H (A/m) Frédéric Gillon - Iteem

22 .7. Théorème d Hopkinson Magnétique Équations Physiques Circuit magnétique : ni (A) ou (At) Réluctance Loi d ohm en magnétique Frédéric Gillon - Iteem

23 Chapitre 3 Le Transformateur Monophasé Frédéric Gillon - Iteem 3

24 Le Transformateur Monophasé Le transformateur Monophasé est essentiellement utilisé pour des applications domestiques. Son modèle et les calculs qui en découlent, sont pratiquement les mêmes que pour un transformateur Triphasé. Frédéric Gillon - Iteem 4

25 Le Transformateur Monophasé 3.. Structure et Schéma Un transformateur est réalisé à partir d un circuit magnétique et de bobines de cuivre. Circuit magnétique Bobine primaire Bobine secondaire Aucune liaison électrique n existe entre le primaire et le secondaire. Le couplage entre primaire et secondaire est magnétique. Frédéric Gillon - Iteem 5

26 Le Transformateur Monophasé Un transformateur se schématise souvent sous la forme. primaire i n n i v v Circuit magnétique secondaire L étoile indique le sens de bobinage. Les tensions V et V sont sur le même circuit magnétique et pointent vers l étoile; Les tensions sont donc en phase. v v t Frédéric Gillon - Iteem 6

27 Le Transformateur Monophasé 3.. Le transformateur Parfait Le transformateur parfait adapte la tension de sortie, avec une Rendement Unitaire et Sans déformation du signal. i i n n e e m = e /e Frédéric Gillon - Iteem 7

28 Le Transformateur Monophasé 3... Rapport de transformation (m) e Même circuit magnétique donc même flux n d dt e n d dt e e n n e e Valeur instantanée Valeur efficace À plus forte raison, on a: E E n n Frédéric Gillon - Iteem 8

29 3... Rapport des Courants Le Transformateur Monophasé Comme le transformateur est parfait, toute la puissance instantanée qui rentre ressort. p e i e i d ou e e i i en instantanée Frédéric Gillon - Iteem 9

30 Le Transformateur Monophasé Formules pour le Transformateur Parfait m n n E E I I E E t en phase I I On retrouve que la somme des Ampères Tours sur un noyau est nulle: n i n i Frédéric Gillon - Iteem 30

31 Le Transformateur Monophasé Exemple : E = 00v ; E = 0v; I = A Trouver I, m et S I = 0A m=/0 S=00VA I = A I = 0A E m=/0 E E = 00v E = 0v Frédéric Gillon - Iteem 3

32 3.3. Transformateur réel Le Transformateur Monophasé Le transformateur réel comporte quelques défauts: Il absorbe un courant magnétisant pour magnétiser le circuit magnétique I 0 Le circuit magnétique consomme des pertes fer, proportionnelles à la tension d alimentation Le couplage entre le primaire et le secondaire n est pas parfait, il existe des fuites (donc des inductances de fuites l et l ). Les bobinages possèdent une résistance (r et r ) Ces défauts doivent être pris en compte dans le modèle du transformateur! Frédéric Gillon - Iteem 3

33 Le Transformateur Monophasé Lien entre tension et flux Le secondaire du transformateur est ouvert, une tension sinusoïdale est appliquée en entrée, la résistance du bobinage est négligée. Quelle est la forme du flux? v n v V cos( t) d dt V n cos( t) v e n d dt V n sin( t) Le flux est bien sinusoïdale imposé par la tension Frédéric Gillon - Iteem 33

34 Le Transformateur Monophasé v =e V n sin( t) t Le flux est en retard de 90 sur la tension. t En grandeurs instantanées : e n d dt En grandeurs complexes : E n j déphasage Nombre complexe E Diagramme de Fresnel Frédéric Gillon - Iteem 34

35 3.3.. mise en évidence des fuites Le Transformateur Monophasé En réalité, les enroulements primaires et secondaires ont des résistances (r, r ) et ne sont pas parfaitement couplés (l et l ). Tout le flux créé par le bobinage primaire ne traverse pas le bobinage secondaire et réciproquement. v i n f n Flux utile i Flux de fuites Les équations s écrivent : v r i avec n d dt f f v v r avec i n f d dt Frédéric Gillon - Iteem 35

36 3.3.. mise en évidence des fuites Les équation s écrivent : v v r i avec r avec i n d dt n f f d dt Le Transformateur Monophasé v Inductances de fuites : n f l i l i n f On obtient : di v r i l dt di ri l dt n n Inductance de fuites primaire Inductance de fuites secondaire d dt d dt e e Frédéric Gillon - Iteem 36

37 Le Transformateur Monophasé Schéma équivalent I m.i l. r l. r I v E E = m.e V m = n /n = E /E = I /I Si I =0 donc I =0 mais en réalité le transformateur absorbe un courant magnétisant à vide! Il faut donc modifier le schéma. Frédéric Gillon - Iteem 37

38 Le Transformateur Monophasé Le schéma devient r l. m.i l. I r I I 0 v E R X E = m.e V m = n /n = E /E = I /I I = I 0 + m I Formule écrite en complexe X : Représente l inductance magnétisante R : Représente les pertes Fer du Transformateur! Exemple Frédéric Gillon - Iteem 38

39 Hypothèse de Kapp Le Transformateur Monophasé Fréquemment, la chute de tension due au courant magnétisant est négligée r l. I = I 0 + m I m.i I 0 v R X (r +jl.). I 0 + (r +jl.). m.i I 0 << m.i Frédéric Gillon - Iteem 39

40 Le Transformateur Monophasé Cette hypothèse permet de ramener l inductance magnétisante à l entrée du schéma et ainsi de simplifier les calculs. I r l. l. m.i r I v E R I 0 X E = m.e V m Frédéric Gillon - Iteem 40

41 Le Transformateur Monophasé 3.4. Schéma équivalent du transformateur Habituellement, le schéma simplifié par l hypothèse de kapp n est pas utilisé tel quel : La résistance primaires et l inductance de fuites primaire sont ramenées au secondaire. Le schéma devient m.i R I j.x I I 0 v E R X E = m.e V m = n /n = E /E = I /I Frédéric Gillon - Iteem 4

42 Ce schéma est identique au précèdent!! Il consomme donc la même puissance réactive. m I r I R I r C est-à-dire: l m I li X I Le Transformateur Monophasé X R r r m l l m Le même calcul peut être fait en sens inverse, en ramenant les éléments du secondaire au primaire. Exercice Frédéric Gillon - Iteem 4

43 Le Transformateur Monophasé 3.5. Détermination des éléments du schéma Équivalent Un modèle n est pleinement utilisable que s il est possible d identifier simplement ses éléments. Deux essais suffisent pour identifier les éléments du schéma équivalent du transformateur. Un Essai à vide Un Essai en Court circuit Frédéric Gillon - Iteem 43

44 Le Transformateur Monophasé Essai à vide Le secondaire est ouvert (I =0), le primaire est alimenté par sa tension nominale. On mesure : V V 0 I 0 On trouve: m R X? P 0 Frédéric Gillon - Iteem 44

45 3.5.. Essai en court-circuit Le Transformateur Monophasé Le secondaire est court-circuité (V =0), et le primaire est alimenté sous tension réduite. Pourquoi? On mesure : V cc I On trouve: R X? P cc Comme cet essai se fait sous tension réduite, les puissances actives et réactives consommées par R et X sont négligées! Frédéric Gillon - Iteem 45

46 Le Transformateur Monophasé 3.6. Les Caractéristiques Diagramme vectoriel I m.i j.x R E =V +R I +jx I I 0 v E R X E = m.e V E =V m = n /n = E /E = I /I E m.i V R I jx I I : imposé par la charge! Frédéric Gillon - Iteem 46

47 3.6.. Chute de tension secondaire Par définition: V V0 V Le Transformateur Monophasé Si l angle entre V et E est très faible, comme c est souvent le cas, V s obtient en projetant R I et jx I sur l axe de V E =V 0 V jx I R I I V RI cos X I sin V est donc proportionnel à I V Frédéric Gillon - Iteem 47

48 Le rendement Le Transformateur Monophasé Le rendement et le rapport de la puissance de sortie sur la puissance d entrée: V R P P u a V I V I cos cos pertes Pertes = Pertes Fer + Pertes Joule R I cos cos 0,8 I n I Frédéric Gillon - Iteem 48

49 Il existe un maximum qui s obtient : V V cos cos P I fer R I Le Transformateur Monophasé Lorsque le dénominateur est minimum le rendement sera maximum Je dérive le dénominateur % à I P fer R 0 P fer R I I 0 Le rendement est maximum lorsque les pertes fer sont égale au pertes Joules Frédéric Gillon - Iteem 49

50 Chapitre 3 Le Transformateur Triphasé Frédéric Gillon - Iteem 50

51 Transfo Mono Le Transformateur Triphasé Le Transformateur Triphasé peut être réalisé à partir de 3 transformateurs monophasés. -> donc paragraphe 3 Mais le plus souvent, un circuit magnétique triphasé est utilisé. Le flux est imposé par la tension donc pour un système équilibré, la somme des flux est nulle, il est donc inutile de prévoir un circuit de retour. PRIMAIRE 3 Secondaire =0 Frédéric Gillon - Iteem 5

52 Le Transformateur Triphasé! Comme précédemment, les bobines montées sur un même noyau ont leur Fem en phase et l amplitude dépend du rapport n /n Par convention, les grandeurs PRIMAIRE sont écrites en Majuscule et les grandeurs secondaires en minuscule. Frédéric Gillon - Iteem 5

53 4.. Couplage des enroulements Le Transformateur Triphasé De nombreux couplage sont possible entre les bobines: 9 possibilités Étoile Triangle Zig-Zag Y;y D;d Z;z Yy Yd Yz Dy Dd Dz Zy Zd Zz Les bobines du secondaire sont coupées en Frédéric Gillon - Iteem 53

54 Transfo Mono 4... Transformateur Triangle-Etoile Dy Le Transformateur Triphasé A B C n a b n U AB V a Noyau c PRIMAIRE Secondaire n Noyau Noyau Noyau 3 Noyau Noyau 3 PRIMAIRE 3 Secondaire Frédéric Gillon - Iteem 54

55 Le Transformateur Triphasé A B C n PRIMAIRE A U CA a b c n U AB V a Noyau V A 30 N U AB Secondaire a V a n V b n Noyau Noyau 3 Déphasage secondaire primaire b C U BC B c Frédéric Gillon - Iteem 55

56 Le Transformateur Triphasé Déphasage secondaire primaire Dans notre exemple Dy, la tension secondaire est en avance de Indice horaire sur la tension primaire. Tous les déphasages possibles sont des multiples de 30. Le déphasage est exprimé comme sur une horloge. 0 V A 30 Le transformateur présenté est un Dy 9 V a dû au couplage Frédéric Gillon - Iteem 56

57 4.3. Rapport de Transformation Le Transformateur Triphasé Par définition, le rapport de transformation est le rapport entre les tensions simples secondaire et Primaire m V V a A Dans notre exemple: À vide donc des Fems V U a AB n n V a 3 V A Donc m V V a A 3 n n Frédéric Gillon - Iteem 57

58 Le Transformateur Triphasé 4.4. Schéma monophasé équivalent En équilibré, on ne s intéresse qu a une seul phase car les autres sont identiques mais déphasé d un angle de 0 ou 40. Un schema monophasé équivalent peut être utilisé, il ne représente qu un tiers de la machine Ce schéma est similaire au schéma du transformateur Monophasé Frédéric Gillon - Iteem 58

59 Le Transformateur Triphasé 4.4. Schéma monophasé équivalent I m.i j.x R I I 0 v E R X E = m.e V! m, Les calculs se font avec des bilans de puissances triphasé! Par exemple la puissance fournit à la charge = Ne pas oublier le 3! P /3 du Transfo. VI cos 3 Frédéric Gillon - Iteem 59

60 Chapitre 3 Les Redresseurs à diodes Frédéric Gillon - Iteem 60

61 Redresseur à diodes Les diodes Des Diodes en Cms Diodes de puissance B6U Pont de Graetz triphasé standard Frédéric Gillon - Iteem 6

62 Redresseur à diodes Les redresseurs à diodes permettent de transformer une tension Alternative en une tension continue P 3 V I cos Q 3 V I sin S 3V I I A I B I C ~ = I V P V I V A V B V C N n diodes L élément de base pour réaliser cette fonction est la diode. Frédéric Gillon - Iteem 6

63 Redresseur à diodes 5.. Utilisation du composant diode + - Sens du courant Anode Cathode Le courant circule dans la sens de la flèche Nous considérerons la diode comme un interrupteur parfait qui conduit ou se bloque suivent certain critères. Frédéric Gillon - Iteem 63

64 Redresseur à diodes 5.. Mise en conduction La diode conduit si le potentiel sur l anode est plus positif que le potentiel de la cathode. 5.. Blocage V a > V c La diode se bloque lorsque le courant qui la traverse s annule. i =0A Frédéric Gillon - Iteem 64

65 5.. Calcul de la valeur moyenne et efficace 5.. Valeur moyenne Redresseur à diodes U T T 0 u( t) dt Exemple : u u max U U U max Frédéric Gillon - Iteem 65

66 Redresseur à diodes 5.. Valeur efficace U eff T Racine carré de la moyenne du T 0 u ( t) dt signal au carré Exemple u u max U U eff U max sin cos Frédéric Gillon - Iteem 66

67 Redresseur à diodes 5.3. Les montages I Quelques Exemples I D D D Ic R Charge résistive Charge source de courant V D D V c I D Ic I D D D 3 I V a V c V b D D D 3 V c La forme des tensions et des courants dépend en partie de la charge utilisée. Quelques montages seront étudié en Td n Frédéric Gillon - Iteem 67

68 Exemples d applications Alimentation à découpage Redresseurs à diodes Transformateur Redresseurs à diodes Transformateur Frédéric Gillon - Iteem 68

69 Chapitre Transformateurs et Redresseurs à diodes Frédéric Gillon - Iteem 69