Cours Cycle 1 : Cours AM-2 TSI1 TSI2 La conversion alternatif-continu Alimenter Moduler - Transmettre X Période Le redressement triphasé 1 2 3 4 5 Durée : 4 semaines X Réseau Tri 400 V Redresseur Triphasé 1 Introduction Pour le transport et la conversion d énergie pour les fortes puissances, il est plus intéressant de travailler avec un réseau de tension triphasé plutôt que monophasé. Le montage étudié par la suite est un montage redresseur à diodes (parallèle double) triphasé (PD3) qui présente l intérêt d avoir un meilleur facteur de puissance qu un redresseur monophasé. Ce redresseur fait partie de la famille des convertisseurs statiques d énergie. Réseau triphasé Alternatif Ue Ie AC DC Is Us Réseau continu Il faudra donc veiller à respecter la règle d association des sources de tension et courant. Lycée Jules Ferry Page 1 sur 6 TSI2
2 Rappel interrupteurs statiques : Dans un montage de type redresseur non commandé, les interrupteurs statiques utilisés sont des diodes en montage à anode commune ou cathode commune. Exemple : montage à cathode commune P3 (parallèle 3 diodes) Propriété des diodes à cathodes communes La diode qui conduit est celle qui dispose du potentiel d anode le plus élevé. Hypothèse : La diode est considérée comme un interrupteur parfait Ve 1~ D1 I D1 Us = f(t) N Ve 2~ Ve 3~ D2 D3 I D2 I D3 Propriété des diodes à anodes communes La diode qui conduit est celle qui dispose du potentiel de cathode le plus faible. On peut conduire le même résonnement pour un montage à anode commune, la diode conductrice sera celle qui dispose du potentiel de cathode le plus faible. Hypothèse : La diode est considérée comme un interrupteur parfait N D1 D2 Ve 1~ I D1 Ve 2~ D3 Ve 3~ I D2 I D3 Us = f(t) Lycée Jules Ferry Page 2 sur 6 TSI2
3 Structure du convertisseur : PD3 (parallèle double) MODELISER Associer les grandeurs physiques aux échanges d énergie et à la transmission de puissance Proposer des hypothèses simplificatrices en vue de la modélisation RESOUDRE Proposer une méthode de résolution permettant la détermination des courants, des tensions, des puissances échangées. Déterminer les courants et les tensions dans les composants 3.1 Tracés et caractéristiques des signaux N Ve 1~ Ie 1 Ve 2~ Ve 3~ D1 Ie 2 D4 D2 D5 Ie 3 D3 D6 Is A B 2... 2... 2 3 2... 2 3 Déphasage / par lecture des courbes : Le déphasage / est la phase dont il faut décaler V e2 pour le rabattre sur V e1 : / (<0 donc Ve2 est en retard sur Ve1) On s'arrange souvent pour que. La tension de sortie = V A - V B V A : sortie du montage redresseur parallèle simple à cathodes communes : + positive des tensions simples V B : sortie du montage redresseur parallèle simple à anodes communes : + négative des tensions simples. L allure des tensions en entrée et en sortie prend la forme suivante : 600 400 Ve1 Ve2 V A 200 Ve3 U12 0-200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 U13 U23 U21-400 φ / U31 U32 V B -600 Figure 1 : Tensions d'entrées et de sortie d'un redresseur triphasé PD3. Lycée Jules Ferry Page 3 sur 6 TSI2
3.2 Grandeurs en sortie du redresseur PD3 La valeur moyenne de la tension de sortie s exprime de la manière suivante : < > = < V A > - < V B > En intégrant ces expressions à partir de la définition de la valeur moyenne <!">= #$ % '!"&" (avec la tension V A et V B de période 2/3 ou la tension Us de période 2/6 on obtient le résultat suivant : ) * +.., (ce résultat n'est pas à connaitre calculatrice) Attention : V représente la valeur efficace de la tension simple alternative entre phase et neutre La puissance en sortie du redresseur (courant et tension continu) est -. +. / +. Si on suppose de plus le courant comme constant (/0 / +) alors 1*..,. 23. 3.3 Dimensionnement des diodes La tension inverse maximale à laquelle les diodes seront soumises est l'amplitude de la tension composée, 445, Si on considère la source de courant comme étant parfaite : Is = Ic = constante Le courant qui traverse chaque diode sera le même et aura l allure suivante : (ex D1) Is 2π/3 Ic #$ π/6 5π/6 2π θ Soit la valeur moyenne et efficace du courant traversant une diode (se retrouve facilement à partir des définitions des valeurs moyenne et efficace) : /& + 2 3 et 26 2 3 3.4 Tracés et caractéristiques du courant à la sortie En appliquant la loi des nœuds à la sortie des générateurs de tension, on peut déterminer le courant d entrée du pont redresseur dans une phase noté i e1 comme étant la somme du courant circulant dans la diode 1 et dans la diode 4 : i e1 Ic π - Ic π/6 5π/6 2π θ Ce courant est alternatif car il se situe à l entrée du convertisseur : sa valeur moyenne devra toujours être nulle. sa valeur efficace notée I e1 génère la puissance d entrée du convertisseur 2 7 8. 23 ( calculatrice ; à savoir retrouver à partir de la valeur efficace / 8 9: % 9: ' ²"&" avec ici <= 2). Lycée Jules Ferry Page 4 sur 6 TSI2
3.5 Puissances à l'entrée Le courant n'étant pas sinusoïdal mais la tension étant sinusoïdale, il faudra accéder à la valeur efficace / du fondamental de courant et à son déphasage > par rapport à la tension pour pouvoir déterminer la puissance active en entrée. - 3... /. cos > où. 3. est la valeur efficace de la tension composée, / est le valeur efficace du fondamental de courant à l'entrée du PD3 φ est le déphasage du fondamental de courant Remarque : > 0 à priori car les diodes commutent de façon naturelle lorsque les tensions sont nulles) Par ailleurs, la puissance apparente est à l'entrée : C 7.,. 2 7 En absence d'informations sur les harmoniques de courant, le seul moyen de déterminer la puissance active en entrée et de connaitre le rendement du convertisseur : D 1 * /1 7 où η est le rendement du convertisseur (souvent supposé unitaire) ; Ps est la puissance moyenne des signaux continus en sortie ; Pe est la puissance active à l'entrée du convertisseur. 3.6 Amélioration du facteur de puissance en comparaison du PD2 Le facteur de puissance est défini par le rapport de la puissance active sur la puissance apparente (à l'entrée du convertisseur) : EF - G Remarque : à la sortie du convertisseur seule la puissance moyenne est définie. Hypothèse : diodes parfaites H 1 ou Pe = Ps. C.,. 2 7.,. J. 23 -K -. + /0 MN 17 C 3. 6.. /0..,. 23.,. 8 O, QRR. 23 Le facteur de puissance a donc progressé par rapport au redresseur PD2 qui était de 0,9. Lycée Jules Ferry Page 5 sur 6 TSI2
4 Refroidissement des semi-conducteurs (Rappel) MODELISER Identifier les pertes d énergie dans un convertisseur statique d énergie. RESOUDRE Déterminer les pertes en conduction dans un interrupteur statique Déterminer les courants et les tensions dans les composants Déterminer les puissances échangées 4-1 Pertes par conduction En réalité la diode n'est pas parfaite et consomme de l'énergie. Modélisation d'une diode non parfaite passante : V F i K I K V K V T0 r T Schéma équivalent de la diode non parfaite à l état passant La diode dissipe de l énergie en conduction : 1 3, M 2 MS, où P c est la puissance dissipée en conduction (en W), V F est la tension de seuil aux bornes de la diode pour un courant moyen I FAV la traversant (une courbe du constructeur de la diode permet de déterminer V F à partir de la valeur du courant I FAV). Les pertes générées par la diode doivent être évacuées : * par conductions entre la puce et le boitier, * puis entre le boitier et le radiateur, et enfin * par convection entre le radiateur et l air ambiant. Analogie entre un schéma équivalent thermique et un schéma électrique : pertes P D source de courant résistances thermiques résistances électriques différences de tempétatures différences de potentiels Modèle pour 6 diodes sur un même boitier : θ j-θ amb jonction θ j θ b θ d θ amb 6*P D _`abc 6 R thbd R thda Air ambiant boitier En appliquant la loi d ohm : θ j - θ amb = ΣR th*p D On peut alors dimensionner le dissipateur thermique : 4 TUVS dissipateur WX Y WZ[\ 1 V 4 TU]^ 4 TU^V Lycée Jules Ferry Page 6 sur 6 TSI2