CHAPITRE 1 LES CONVERTISSEURS CONTINU/CONTINU

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1 CHAPIR 1 S CONVRISSURS CONINU/CONINU S HACHURS Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

2 1 S CONVRISSURS CONINU /CONINU S HACHURS 1-INRODUCION On dispose de différens proédés pour ransformer une ension oninue de valeur fixe en une ension oninue réglable permean la ommande d un moeur à ouran oninu. On peu faire appel à un groupe onverisseur qui peu êre, soi éleronique, soi élerique. Ces équipemens son enombrans e oueux. C'es pourquoi on leur préfère un sysème éleronique que l on appelle Haheur. es Haheurs son des onverisseurs d énergies qui fon ransier l énergie d une soure oninue vers une soure oninue. Nombreuses son les appliaions pour la ommande des mahines à ouran oninu e les alimenaions à déoupage. 2-S HACHURS A IAISON DIRC 2-1- Haheur Dévoleur (Haheur série) inerrupeur H peu-êre Figure 1 : sruure générale d un haheur dévoleur e haheur dévoleur perme de ransférer l énergie d une soure de ension fixée vers un réepeur qui peu êre l indui d une mahine à ouran oninu ou bien une simple résisane induive. a sruure la plus simple qui puisse exiser es une sruure à deux inerrupeurs. Ou le généraeur de ension onsane peu êre, par exemple, une baerie d aumulaeurs(ou oue aure soure de ension : alimenaion sabilisée), e.. On supposera que les inerrupeurs son idéaux. H es ommandable à l ouverure e à la fermeure. On éudiera deux as pariuliers : Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

3 d une par le as de la harge :R, d aure par le as de la harge :, alimenaion d une harge :R, : a)-monage Figure 2 : Haheur dévoleur : Alimenaion d une harge (R,) e fonionnemen es oninu.le graphe du ouran évoluan enre une limie inférieure I m e une limie supérieure I M. Nous pouvons déomposer e graphe en deux paries disines : b)- Analyse de fonionnemen 1) << α α es le rappor ylique < α<1. H es fermé e la ension appliquée à la diode de roue libre es négaive (V D = -) a diode se ompore omme un inerrupeur ouver équaion qui régi le irui es : di Ri d inégraion de ee équaion ondui à : ( ) i ih ( ) e ave R R R d où à = α 2) α << ( ) ( ) e (1) R R H éan ouver,la diode de roue libre devien passane, e qui perme à l induane de libérer, dans le irui fermé par ee diode énergie éleromagnéique que qu elle avai aumulée. di équaion différenielle es alors : Ri d inégraion de ee équaion ondui à : i i I e D M ( ( )) Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

4 d où à = De relaions (1) e (2) on ire I m I e M ( ( )) (2) ( ) ( ) ( ) e e 1e I 1e 1 e a ension aux bornes de la harge es : m R ( ) R ( ) e ( ) Dou I M I e di V Ri d D ou Vd Ri d di inégraion des deux membres pendan la durée d une période, ondui à : im V d R i d di im On dédui la valeur moyenne de la ension aux bornes de la harge Vmoy )-Forme d onde des différenes grandeurs m (( )) Ih vh-5 V I vs Is-ih1 VS IS.5 Ih-ih1 VH vh-5 IH id+id1 vd.5 VD ID -.5 α Figure 3 : Forme d ondes des prinipales grandeurs d un Haheur série pour une harge R Conlusion : e haheur série (dévoleur) es équivalen à un ransformaeur non réversible à ouran oninu abaisseur de ension de rappor α. Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

5 2-1-3-Ondulaion du ouran : Pour simplifier l éude, on peu onsidérer que l induane es suffisammen élevée pour que la onsane de emps (τ = C / R C ) soi grade par rappor à la période de hahage. Dans es ondiions, les moreaux d exponenielle son des segmens de droie. Comme e ( x) 1 x, il vien : (1 ) I 1 R M e Il es faile de aluler l ondulaion I rêe à rêe : I I M I m (1 ) R a dérivée de I s annule pour α =.5, e qui donne : I MAX 4R. I ; MAX 4R Cee valeur es proporionnelle à la période ; ainsi, peu on onlure : Pour réduire l ondulaion, on a inérê à augmener la fréquene de hahage. 4 I.5 1 Figure 4 : variaion de I en fonion de Alimenaion d une harge induive : ( C, C ) : monage Figure 5 : Haheur dévoleur : Alimenaion d une harge (,) On peu avoir deux modes de fonionnemen suivan les valeurs de la harge (onduion oninue e onduion disoninue). Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

6 onduion oninue : e régime de fonionnemen es semblablemen prééden, mais ave la pariularié d un fonionnemen linéaire par parie ( le graphe des ourans es onsiué de segmens de droie) Vmoy a)- Analyse de fonionnemen 1) << α H es fermé e D es bloquée équaion qui régi le irui es : inégraion de ee équaion ondui : di d i d où à = α (1) 2) α << H es ouver,d es passane équaion de fonionnemen es : di d équaion du ouran es : i ( ) I M D où à = ( ) (2) Des relaions (1) e (2) on ire : Or V moy = α =, il es alors faile de aluler l ondulaion du ouran I rêe à rêe : I (1 ) Cee ondulaion es maximale pour α =,5 soi I 4 Ainsi arrive--on à la même onlusion que pour impédane sans f..é.m ( ) : Pour réduire l ondulaion, on a inérê à augmener la fréquene de hahage Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

7 b)-forme d onde des différenes grandeurs I V v-5 I Is+ih1 vs VS IS.5 VH IH Ih+ih1 vh.5 id+id1 vd.5 VD ID - α.5 Figure 6 : prinipales grandeurs d un Haheur série pour une harge - Conduion onduion disoninue : oninue a onduion es disoninue si la valeur minimale I m du ouran s annule à haque période, C soi : I a)-analyse de fonionnemen 1) << α équaion de fonionnemen es : di d expression du ouran es : i d où à = α I M 1 Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

8 2) α << β équaion qui régi le irui es : di d inégraion de ee équaion ondui : i M Des relaions (1) e (2) on ire : omme i (β)= on a I 2 I 3) β<< Soi : le ouran es nul,andis que la ension aux bornes de la harge es égale à la f..é.m ( C ) soi : i, V C il alors possible de aluler : la valeur moyenne de la ension aux bornes de la harge : Or V. 1 moy 1 D où V moy la valeur moyenne du ouran de la harge : puisque le graphe es un riangle on a : 2 imoy imoy soi : pour une valeur donnée α, le fonionnemen es en régime : disoninue pour les faibles valeurs de i moy la ourbe représenaive es une hyperbole qui passe par le poin : i moy =, = riique lorsque i moy augmene,dans es ondiions, le ouran i moy à pour valeur limie i 2 moy limie 1 2 la ourbe représenaive es une parabole qui es représenée en poinillé qui passe par les poins =, = à pour valeur maximale : Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

9 1 ( ) e i limie max imale Coninue à β = soi : =α i moy Conduion oninue Conduion disoninue Conduion riique 2 2 Figure 7 : Graphe de I = f(c) pour différenes valeurs de α. )-Forme d onde des différenes grandeurs I V v I Is vs VS IS.5 VH IH Ih vh.5 - VD ID id vd α.5 Figure 8 : prinipales grandeurs d un Haheur série pour une harge - Conduion disoninue Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

10 2-2- Haheur Survoleur (Haheur parallèle) Alimenaion d un réepeur quelonque : Figure 9 : Shéma d un Haheur parallèle a sruure la plus simple qui puisse exise es elle de la figure si dessus Ou la apaié C es supposée élevée pour que la ension V C aux bornes du réepeur soi onsane. a diode D empêhe la déharge du ondensaeur dans la parie amon Conduion oninue Généralemen l induane de la soure de ouran, à une valeur suffisammen élevée pour que la valeur moyenne I du ouran i(), au-dessous de laquelle la onduion devien disoninue, on suppose que la harge es une ension oninue. a)-analyse de fonionnemen pour < < α, H es fermé, on a : dis ; VH ; ih is ; id d e ouran varie linéairemen d une valeur minimale I m pour = à la valeur maximale I M pour =θ, soi : i s I M d où à = α 1 pour α < <, H es ouver. le ouran de la diode i D passe d une valeur nulle à la valeur i S, il fau une apaié pour absorber ee brusque variaion sans provoque des surensions dangereuses pour l équipemen V ; V ; i ; i i H C D S D S équaion de fonionnemen es : di s Vmoy d Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

11 Soi moy V d di s D où : D après les relaions (1) e (2), il vien : moy V Vmoy 2 V moy Soi : 1 b)-forme d onde des différenes grandeurs vl+vl1 V Is IS - id1+ih VHVh IH.5 VD ID id+id1 Vd.5 - α α.5 Figure 1 : prinipales grandeurs d un Haheur parallèle pour une harge - Conduion oninue Conduion disoninue a onduion es, disoninue si la valeur minimale I MIN du ouran s annule à haque période à = β pour β, ; soi i(β) =. a)-analyse de fonionnemen pour < < α, H es fermé, on a : Déerminons le ouran is() : on a dis VH ; ih is ; id ; VD C ; ; d Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

12 Ri () S di S d ave i () I d où à = α pour α < <β, H es ouver. S Sm e i ( ) I S SM, soi : is I M le ouran de la diode i D passe d une valeur nulle à la valeur i S, V ; V ; i ; i i H C D H D S di S d ave i ( ) I équaion du ouran is es : is ( ) I S M SM S e i à =β i s (β)= on a pour β < <, H es ouver. V ; i ; i ; i ; V ; V H H D S D C On a d ou C C C C ( ) imoy 2 2 Or C C soi : i moy 1 C Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

13 b)-forme d onde des différenes grandeurs Is vl+vl1 V IS - ih Vh VH IH.5 VD ID id Vd α.5 Figure 11 : prinipales grandeurs d un Haheur parallèle pour une harge - Conduion disoninue Conlusion : e haheur parallèle (survoleur) es équivalen à ouran oninu élévaeur de ension Par ailleurs ; si on néglige les peres des l induane, on peu érire que les puissanes d enrées e de sories son égales soi :. i V. i smoy moy moy D ou imoy ismoy omparaison enre les haheurs dévoleurs e survoleurs : On peu profier de la sauraion due à l ouverure du haheur raversé par le ouran d un irui indueur pour alimener le réepeur sous réglable supérieur à elle de la soure. Il es inéressan de passer par dualié du haheur série au haheur parallèle haheur série : Il es abaisseur de ension de ouran puisque la puissane se onserve Généraeur de ension (soure de faible impédane ) e haheur e en série ave la harge e lissage du ouran es assuré par une induane e par une diode de réupéraion Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

14 haheur parallèle : il es élévaeur de ension, don abaisseur de ouran Généraeur de ouran (soure de grande impédane) e haheur e en parallèle ave la harge e lissage du ouran es assuré par une apaié e par une diode de bloage 3-S HACHURS A IAISON INDIRC (Haheurs à aumulaion) 3-1-INRODUCION n aure ype de haheur survoleur peu êres obenu par une modifiaion de la sruure ; au lieu de la onfiguraion : Soure (1) +ommuaeur (H e D) +soure (2) On inerale enre les deux, un disposiif qui soke emporairemen l énergie ransférée : Soure 1 + ommuaeur +élémen de sokage +ommuaeur + soure 2 Cee sruure permera de réaliser une onversion indiree d énergie enre deux généraeurs de même ype 3-2-HACHUR A SOCKAG INDUCIF a)-monage Figure 12 : sruure générale d un haheur a sokage induif Si le haheur es moné enre un généraeur de ension e un réepeur de ension,l élémen de sokage êre une induane (fig 11) omme dans e qui préède, on éudie le sysème dans le adre d une approximaion : la harge es supposée êre à ension onsane V moy l induane de sokage es dépourvue de résisane (non-dissipaion de l énergie sokée) b)-analyse de fonionnemen es deux paries de fonionnemen son : 1 ere phase < < α H es fermé : Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

15 ih I e i 2 eme phase α < < H es ouver e ondui : i I e ih es équaions de fonionnemen son respeivemen : di di d e d On en dédui les deux expressions de i en fonion du emps : i i ( ) e les formes d ondes de la (fig 12 )s en déduisen aisémen pour la relaion exprimen la valeur moyenne de la ension de sorie,il suffi d érire que la valeur moyenne de la ension aux bornes de es nulle sur une période,soi :. 1 Don 1 )Forme d onde des différenes grandeurs vl+vl1 V Is I - + id1+ih VHVh IH.5 VD ID id+id1 Vd.5 -(+) α.5 Figure 13 : Forme d ondes des prinipales grandeurs d un Haheur à sokage induif d)-conlusion : Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

16 Si le rappor ylique es inférieur à,5 : Abaisseur Si le rappor ylique es supérieur à,5 : Élévaeur 3-3-HACHUR A SOCKAG CAPACIIF a)-monage Is I Figure 14 : sruure générale d un haheur à sokage apaiif Si le haheur es moné enre un deux soures de ouran. l élémen de sokage doi êre un ondensaeur. b)- Analyse de fonionnemen es deux paries de fonionnemen son : 1 ere phase < < α H es fermé : V ; I I ; i s D V V ; I I I ; V D H s H 2 eme phase α < < H es ouver e ondui : V V ; V ; i I s s V V ; V ; i V s D H H V n régime éabli, la valeur moyenne (V C moy ) aux bornes de C es la même pendan sa déharge e pendan sa harge, d où : 1 V V e V V smoy moy moy moy D ou : V V moy smoy i i smoy moy 1 )-Forme d onde des différenes grandeurs Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

17 VCM vl-4 -Is+2 VC IC VCm Is -I Is+I VCM vl-1 VH -id-id1 IH.5 VCm Vh ih-id1 VD ID.5 -VCm -VCM.5 α Figure 15 : Forme d ondes des prinipales grandeurs d un Haheur à sokage apaiif d)-conlusion : Si le rappor ylique es inférieur à,5 : Abaisseur Si le rappor ylique es supérieur à,5 : lévaeur Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

18 4-RANSFR D ÉNRGI RÉVRSIBIIÉ DS HACHURS 4-1-INRODUCION Dans les as préédens (haheurs survoleurs e dévoleurs) la puissane moyenne disponible à la harge es elle qui à éé prise à la soure, le rendemen éan égale à un ee puissane varie ave le rappor ylique α,les deux as les ransfers d énergie s effeuen de la soure vers la harge Si on veu un ransfer d énergie en sens inverse il sera don néessaire d assoier deux sruures du ype prééden (fig 16) e en oure,d adoper pour haune d elle une poliique de gesion de ommande On peu ier quelques sraégies de ommande omme la ommande séparée des inerrupeurs ou la ommande omplémenaire Énergie > Énergie < Figure 16 : sruure générale d un monage de ransfer d énergie 4-2-MONAGS RÉVRSIBS haheur réversible en ension Pour passer d un fonionnemen dévoleur à un fonionnemen survoleur,il suffi d inverser la polarié de la f..é.m ( C ) ou la f.é.m () monage VC ID2 Ih ID1 Figure 17 : sruure générale d un haheur réversible en ension Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

19 Commandes séparées de 1 e 2 : ( +,, - ) a)- analyse de fonionnemen pour Vs= on a : Is VC VC Vs I I ID1 Figure 18 : Shéma équivalen d un Haheur réversible en ension pour Vs= es deux paries de fonionnemen son : 1 ere phase < < α 1 e 2 son fermés D1 e D2 son bloquées: V ; I I ; CH s 2 eme phase α < < on ouvre 1 e 2 rese fermé don 2 e D1 ondui e 1, D2 son bloqués V ; I I ; CH D1 b)forme d onde des différenes grandeurs pour Vs= I V v-5 I Is+ih1 V vs I.5.5 H2 H2 H2 H2 H2 H1 D1 H1 D1 H1 α Figure 19 : Forme d ondes des prinipales grandeurs d un Haheur réversible en ension pour Vs= Commandes séparées Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

20 pour Vs= - on a : Is Vs I VC I VC ID2 Figure 2 : Shéma équivalen d un Haheur réversible en ension pour Vs=- es deux paries de fonionnemen son : 1 ere phase < < α D1 e D2 son fermés 1 e 2 son bloquées: V ; I I ; CH s 2 eme phase α < < D1 se bloque e 1 es D2 onduis V ; I I ; CH D2 )-Forme d onde des différenes grandeurs Vs=- V I -I+2 vd - Ih-ih1 vs.5 VS IS D2 D2 D2 D2 D2 D1 H1 D1 H1 D1 α Figure 21 : Forme d ondes des prinipales grandeurs d un Haheur réversible en ension pour Vs=- Commandes séparées Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

21 Commandes alerné de 1 e 2 : ( +,, - ) Figure 22 : Shéma équivalen d un Haheur réversible en ension Commandes alernée a)- analyse de fonionnemen VCH moy es deux paries de fonionnemen son : 1 ere phase < < α Vs= don on a 1 e 2 son fermés D1 e D2 son bloquées: V ; I I ; CH s 2 eme phase α < < Vs= - on ouvre 1 e 2 don D1 e D2 onduis V ; I I ; CH s VCH moy es deux paries de fonionnemen son : 1 ere phase < < α Vs= - don on a D1 e D2 onduis 1 e 2 son bloquées: V ; I I ; CH s 2 eme phase α < < Vs= D1 e D2 son bloquées 1 e 2 son fermés V ; I I ; CH s Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

22 b)-forme d onde des différenes grandeurs I V11 V I I V11 V I P> Énergie Énergie P< Ih+id1 -id-ih1 V11 Vs Is Vs Ih+id1 -id-ih1 V11 Is 1 D1 1 D1 1.5 D1 1 D1 1 D D2 2 D2 2 D2 2 D2 2 D2 2 α α Figure 23 : Forme d ondes des prinipales grandeurs d un Haheur réversible en ension Commandes alernées a onduion oninue la valeur moyenne de le ension aux bornes de la harge e V Haheur réversible en ouran a)-monage moy Figure 24 : sruure générale d un haheur réversible en ouran le onrôle de l inerrupeur 1 (2 éan ouver ) orrespond au fonionnemen en dévoleur la diode D1 joie le rôle de roue libre. Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

23 le onrôle de l inerrupeur 2 (1 éan ouver ) assoié à la diode D2 orrespond au fonionnemen en survoleur b)-forme d onde des différenes grandeurs 1- Commandes séparées de 1 e 2 I V11 V I I V11+6 V I Is.5 Ih+id1 Is Ih-id D1 1 D1 1 D2 2 D2 2 D2 2 α α Figure 25 : Forme d ondes des prinipales grandeurs d un Haheur réversible en ouran ion 2- Commandes omplémenaires de 1 e 2 Commandes séparées V11 I-1 V I Is.5 Ih-id1.5 D2 1 D1 2 D2 1 D1 2 D2 α Figure 26 : Forme d ondes des prinipales grandeurs d un Haheur réversible en ouran ion Commandes omplémenaires Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere

24 Haheur réversible en ouran e en ension (Haheurs en H) a)-monage Figure 27: sruure générale d un haheur en H b)- Analyse de fonionnemen a sruure la plus ompèe e la plus rihe d emploi es à 4 inerrupeurs (figure 25) e ransfer d énergie s effeue dans les deux sens ave réversibilié en ension e en ouran. On peu ommander les inerrupeurs de façon en adopan une loi de ommande différene suivan que la valeur moyenne es posiive ou négaive )-Forme d onde des différenes grandeurs V11 V (b) P< V11 V (a) P> I I I I D1 D4 2 3 D1 D4 2 3 D1 D4 1 4 D2 D3 1 4 D2 D3 1 4 V11 V () P> V11 V (d) P< I I I I D1 D4 2 3 D1 D4 2 3 D1 D4 1 4 D2 D3 1 4 D2 D3 1 4 Figure 28 : Forme d ondes des prinipales grandeurs d un Haheur en H Suppor de ours Éleronique de puissane I.S.. de Bizere