Redressement non commandé sur charge RLE en conduction continue

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1 Redressemen non commandé sur charge RL en conducion coninue SI 9- I. Conversion alernaif-coninu, exemples d applicaions liés à la racion Figure : Locomoive BB5 Réseau de disribuion Redresseur saique monophasé Consiuan principal de l éage d enrée de la chaine de conversion d énergie, le converisseur saique réalisan la conversion alernaif-coninu a éé réalisé par des monages de echnologies Caénaire rès différenes suivan la dae de concepion du maériel roulan considéré. Panographe Uilisaion de la ension redressée : Ie 974 : Locomoive BB5 (43kW) : Redresseur par pon de diodes PD. : Locomoive BB 7 (4 kw) : nrelacemen - Vers machines de 4 pons à couran monophasés coninu à commuaion forcées (IGB) (par l inermédiaire de hacheurs par exemple) Les évoluions echnologiques on permis d améliorer la qualié de OU 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. - Vers machines à couran alernaif Ces harmoniques peuven perurber le foncionnemen alimenées des par aures l inermédiaire élémens du d onduleurs. sysème ferroviaire (équipemens de signalisaions) ou comme ils peuven perurber l engin de racion lui-même. ransformaeur abaisseur de ension don la puissance apparene peu aeindre plusieurs MVA e pouvan posséder plusieurs enroulemens secondaires. Figure n : Schéma de principe de l éage de conversion AC-DC pour la racion ferroviaire xemple n : Figure n : Locomoive BB5 La locomoive BB5 a éé fabriquée à 65 exemplaires e mises en service de 97 à 978, viesse maximale 8 km/h pour un rain de voyageurs. Il s agi d une locomoive mono-ension qui foncionne uniquemen sous caénaire monophasée 5 kv 5 Hz. Page n

2 Figure n 3 : Schéma simplifié de la chaine de racion de la BB5 (CS : Converisseurs saiques AC/DC, associaions de redresseurs à diodes e à hyrisors) Puissance uile de chaque moeur : kw. Alimené par le réseau alernaif monophasé 5 kv, 5 Hz, le couran absorbé au primaire du ransformaeur (couran noé I p sur le schéma, figure n 3, ci-dessus) conien de nombreux harmoniques (celui-ci n es pas sinusoïdal) ; malgré l associaion des pons redresseurs. Ces harmoniques peuven perurber le foncionnemen des aures élémens du sysème ferroviaire (équipemens de signalisaions), ou comme ils peuven perurber l engin de racion lui-même n 98, la SNCF a expérimené sur cee locomoive un disposiif de relèvemen du faceur de puissance à base de filres passifs. Page n

3 xemple n : Figure n 4 : GV POS (Paris Os Frankreich Süd Deuschland) Le GV POS a éé mis en service juin 7, dépar de Paris vers Srasbourg, Mez, Munich, Francfor, Zurich e Luxembourg (viesse commerciale de 3 km.h - sur le parcours français e de 3 km.h - sur lignes grande viesse allemandes). I p Figure n 5 : Converisseurs saiques AC/DC sur le GV POS (PMCF : Pons monophasés à commuaion forcée à IGB) Page n 3

4 Chacune des morices es consiuée de 4 ensembles "essieux-moeurs" regroupés en blocs moeurs (de kw), un par bogie. Pour le GV POS, la pénéraion sur les réseaux allemands e suisses nécessie des rames ri-ensions adapées aux ensions 5kV-5Hz monophasée e 5V coninu du réseau français e, d aure par, à la ension spécifique 5 kv-6,7hz des réseaux allemands e suisses. Sur réseau alernaif, le couran absorbé au primaire du ransformaeur (couran noé I p sur le schéma, figure n 5, page précédene) es quasi-sinusoïdal. Les exemples précédens monren que, dans le cadre de la racion ferroviaire, le converisseur saique alernaif-coninu es réalisé par des monages de echnologies rès différenes suivan la dae de concepion du maériel roulan considéré. 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.. xemple n 3 : Figure n 6 : xemple de réseau d alimenaion élecrique de ramway Seul le redressemen monophasé non commandé à diodes es raié dans les pages suivanes (avec charge RL en conducion coninue). Page n 4

5 II. Redressemen monophasé à diodes A. Srucure du converisseur saique Ve() Ve() V sin(ω ) >, conducion coninue I K Vs() V K Figure n 7 : Srucure du converisseur direc (AC/DC) Figure n 8 : inerrupeurs saiques K (convenion récepeur) B. Inerrupeurs saiques uilisés Foncionnemen : Si Ve() >, K e K4 son fermés. Si Ve() <, K3 e K son fermés. I K I K V K V K Figure n 9 : Caracérisique saique de K diode I K I K V K V K Figure n : Caracérisique saique de K diode «inversée» Page n 5

6 C. Naure des commuaions (diodes considérées comme parfaies) Ve() I D () V D() D I D () Vs() K - K : commuaeur «plus posiif» : diodes à cahodes communes. K3 - K4 : commuaeur «plus négaif» : diodes à anodes communes. D3 D Figure n : Redresseur à diodes Ve I D I D Figure n : mpièemen des diodes D e D (conducion simulannée) I D I D V D V D Figure n 3 : Amorcage de D Blocage de D - À : D es passane, D es bloquée. - À : amorçage naurel de D par annulaion de la ension à ses bornes. - À : i D, i D : blocage naurel de D par annulaion du couran d anode. : durée de l empièemen (négligée par la suie). Page n 6

7 D. Valeur moyenne de la ension de sorie (diodes considérées comme parfaies) Ve() V sin( ω) π Vs() V sin (ω) avec ω V V S π ω Figure n 4 : ension d enrée du converisseur π ω Figure n 5 : ension de sorie De à s : Vs() Ve() V sin(ω ) s où : V < Vs ( ) > π Rappel : Valeur moyenne de x() : noée < x() > : x() < x() > + x() d A A A A Valeur efficace de x() noée RMS : Roo Mean Square, (moyenne quadraique). X X FF x²() RMS X FF + x²() d A A A A A Remarque : A ² A X FF Page n 7

8 . Ondulaion du couran de sorie sur charge RL Décomposiion harmonique de Vs() : V cos( pω ) Vs( ) π ( )( + ) p p p Figure n 6 : Specre de Vs() Approximaion du er harmonique (p) V 4V Vs ) cos( ω ) < Vs( ) > + Vsf π 3π ( (Composane coninu + fondamenal). Vs() <Vs>+Vsf V Vs s ime (ms) Figure n 7 : Vs() e <Vs>+Vsf Page n 8

9 Sur charge RL : d() V 4V L + R() + cos(ω) d π 3π d() V 4V L + R() cos(ω) d π 3π soi τ L R ime (s) Figure n 8 : () duran le régime ransioire <> ime (ms) Figure n 9 : () en régime permanen ( >> 3τ) : Page n 9

10 La réponse du sysème es forcée par une exciaion considérée sinusoïdale 4V V Vsf cos(ω ) plus une composane coninue < Vs >. 3π π Schémas équivalens en régime permanen : À la pulsaion ω : f Vsf ( R + jl ω ) f Vsf R jlω Soi : f max f max Vsf max R² + (Lω )² Vsf max R² + (Lω ) ² 8V 3π R² + (Lω ) ² Figure n : Schéma équivalen à la pulsaion ω f(jω) Gain : log Vsf(jω) - 3 db log(r² + ( Lω )²) L τ avecτ R ω Figure n : Diagramme de Bode Afin de minimiser l ondulaion du couran de sorie, il fau que τ << ω Page n

11 A la pulsaion ω : <> R <Vs> < Vs > < > R Figure n : Schéma équivalen à la pulsaion ω F. Condiion d une conducion coninue (ininerrompue) is() ne s annule pas si <> es supérieur à. n conducion coninue, la ension Vs() 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 (Vs dans le cas d une charge acive RL) () Vs ime (ms) Figure n 3 : () e Vs() en conducion disconinue (inerrompue) 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). Page n

12 G. Faceur de puissance Rappels : La puissance insananée égale au produi des valeurs insananées du couran e de la ension p() v().i() Si p() es périodique, de période, la puissance moyenne es égale à : + + P p() d v(). i() d Si i() e v() son périodiques : ' i() < i() C.cos(nω -ϕ ) e v() < v() C.cos(mω -ϕ ) > + n n n > + Seuls les harmoniques de même rang (m n) ransporen de la puissance xemple pour signaux périodiques i() e v() de période - v h () : fondamenal de v() ; - i h () : harmonique de rang de i(). v h ().i h () m m m + v ().ih ()d h de (m+n) ou de (m-n) périodes. Si (m n) : + car (m n), on inègre foncion sinusoïdales sur un nombre enier + cos(nω -ϕ ω ( n m + + m + n ) n ).cos(m -ϕ m ) cos(( ) ω ϕ n ϕ m ) cos(( ) ω ϕ n ϕ m ) d. Page n

13 Puissance délivrée à la charge (couran de sorie considéré parfaiemen coninu) : P s Vs().() d or, si () es coninu (considéré parfaiemen lissé) : P. V Vs() d π s <> Seul quadran de foncionnemen possible <Vs> Figure n 4 : seul quadran de foncionnemen possible Afin d adaper la ension de sorie du pon redresseur à la charge, on uilise en amon de celui-ci un ransformaeur. Ve( ) V sin( ω ) V( ) V ' sin( ω ) Rappor de ransformaion : V m V' ension secondaire ension primaire I() Ie() V() ransformaeur Figure n 5 : Pon redresseur avec ransformaeur de disribuion Le ransformaeur es dimensionné en foncion de la valeur efficace (V) de la ension qu il délivre au pon redresseur e de la valeur efficace (Ie FF ) du couran absorbé par celui-ci. Page n 3

14 Ie() Ie Ie FF ime (ms) Figure n 6 : Couran absorbé par le pon redresseur. La charge éan foremen inducive, le pon redresseur se compore comme une charge non linéaire vis-à-vis du réseau d alimenaion (alimené par une ension sinusoïdale, celui-ci absorbe un couran non sinusoïdal, d où un faceur de puissance Fp inférieur à ). Puissance délivrée par le ransformaeur au pon redresseur : V P (peres dans les diodes négligées) ; π Puissance apparene du ransformaeur : S V. Ie V. I FF S D où : Fp P S V π V. π, 9 Conséquence d une charge non linéaire : Les inerférences sur les réseaux de disribuion d élecricié peuven êre imporanes, surou lorsque la puissance conrôlée es grande. On uilise alors des filres résonnans qui présenen une impédance minimale à la fréquence de l harmonique du couran à supprimer, ce qui évie à la ligne d alimenaion de fournir l harmonique de couran à la fréquence correspondane. Page n 4

15 H. Choix des diodes Pour la diode D par exemple (voir figure 5) : - A l éa passan : I DFF, < i D () > - A l éa bloqué V ID VD VD max V ime (ms) Figure n 7 : I D () e V D () Noa : Lorsque les conraines en ension e/ou en couran ne permeen pas d uiliser une seule diode, il es possible d uiliser une associaion série/parallèle de diodes en assuran à l aide de composans passifs une répariion équiable des courans e des ensions enre celles-ci. Figure n 8 : Réalisaion d un inerrupeur saique de ype DIOD Page n 5

16 H. Peres par conducion dans les diodes i D en A v D en V nergie dissipée (en joule) duran : W ( ) v D() i D() d Puissance moyenne dissipée dans la diode D duran : X P D v D () i D () d p D () P D Caracérisique I F f(v F ) Figure n 9 : Peres en conducion dans une diode I V F F rd rd : résisance dynamique Vs : ension de seuil Figure n 3 : xemple de caracérisique I F f(v F ) d une diode Page n 6

17 A i D K I D V S rd V D V D Figure 3 : Modélisaion de la diode à l éa passan P D vd () id () d rd id () + V S i D () d P D avec r I d I D FF D FF + V S < i e < i D D () > () > H. Rendemen du redresseur V Puissance moyenne uile duran : P u π Peres par conducion dans les diodes duran : 4P D Soi : η P u + P u 4P D Page n 7