. PROGRAMME: TECHNOLOGIE DE L ÉLECTRONIQUE INDUSTRIELLE (243.C0) HIVER 2013 PLAN D ÉTUDES ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE 243-416-SH 3-3-2 (2,66 unités) GROUPE: 2220 PRÉALABLE RELATIF ÉLECTROTECHNIQUE (243-317-SH) SERA PRÉALABLE RELATIF À COMMANDE ÉLECTRONIQUE QUALITÉ DE L ALIMENTATION (243-526-SH) (243-615-SH) PROFESSEUR Jean Mercier Bureau: 2-48-207 564-6350 poste 4095 Courriel : Jean.Mercier@cegepsherbrooke.qc.ca
NOTES PRÉLIMINAIRES L Électronique de puissance est un domaine en constante évolution. De nouveaux interrupteurs électroniques ayant des possibilités et des performances accrues ont continuellement vu le jour durant les dernières décennies et encore aujourd hui. Ce cours vise à permettre au futur technologue de mettre en service et de dépanner les convertisseurs électroniques de puissance. Il porte sur l analyse, le branchement et le diagnostic des redresseurs, des hacheurs, gradateurs et onduleurs. Il appartient au fil conducteur de l utilisation de l énergie électrique et à celui de l électronique. Le cours "ÉLECTROTECHNIQUE" a présenté des circuits linéaires à courant alternatif monophasé et triphasé. Dans le cours "ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE", les circuits étudiés seront en commutation avec des composants non-linéaires. Les circuits seront alimentés en monophasé, triphasé ou en courant continu. Le cours "ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE" est préalable au cours de "COMMANDE ÉLECTRONIQUE" en cinquième session. Le cours "ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE" porte exclusivement sur l étage de puissance des convertisseurs électroniques. Le cours de "COMMANDE ÉLECTRONIQUE" abordera la partie contrôle qui comporte une intégration de circuits et systèmes. Le cours "ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE" est également préalable au cours "QUALITÉ DE L ALIMENTATION" qui survient en sixième session. Les dispositifs à semi-conducteurs de puissance sont reconnus pour être sensibles aux surtensions et transitoires du système d alimentation. Il est notoire également que les convertisseurs d électronique de puissance sont responsables pour une grande partie des déformations harmoniques de l onde sinusoïdale. Le cours "QUALITÉ DE L ALIMENTATION" poursuivra sous un nouvel angle l étude des notions liées à l analyse harmonique qui auront été abordées dans le cours "ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE". Dans ce cours, on utilisera méticuleusement des instruments de mesure complexes, onéreux et relativement fragiles. Le niveau de préparation des interventions ainsi que la rigueur dans le branchement constituent des compétences transférables à de nombreuses autres situations de la vie professionnelle d un technologue en électronique industrielle. MODALITÉS D ENCADREMENT Je suis disponible en dehors de mes heures de cours. Vous trouverez mon horaire affiché à l entrée du mon bureau. Il est préférable de rencontrer le professeur avant afin de réserver un moment précis. Vous pouvez toujours passer à mon bureau sans rendez-vous, si je suis disponible il me fera plaisir de vous rencontrer. Un contact par "MIO" est toujours possible pour prévoir une rencontre. J.MERCIER PAGE 2
TEXTE MINISTÉRIEL 437- Vérifier des équipements de puissance. Préparer la prise de mesure ou l acquisition de données. Prendre les mesures ou procéder à l acquisition de données. Analyser les données. Rédiger un rapport de non-conformité. 43C- Régler le fonctionnement des éléments finals de contrôle. Analyser le fonctionnement du convertisseur et de l actionneur. Configurer le convertisseur et l actionneur. Étalonner l élément final de contrôle. Vérifier le fonctionnement de l élément final de contrôle. 43F- Effectuer l entretien préventif des équipements d un système de contrôle-commande. Procéder à l entretien des équipements de puissance. 43G- Effectuer le dépannage d un système de contrôle-commande. Diagnostiquer le problème de fonctionnement. J.MERCIER PAGE 3
À la fin de ce cours, l élève devra être en mesure de: Analyser des convertisseurs électroniques de puissance en vue de les mettre en service et de les dépanner: Redresseurs monophasés et triphasés, Hacheurs de courant, Gradateurs monophasés et triphasés, Onduleurs monophasés et triphasés. Vérifier l état des semi-conducteurs de puissance. Diagnostiquer un problème dans un convertisseur électronique de puissance à partir de mesures avancées telles que les formes d ondes des signaux. Élaborer les caractéristiques des diodes, thyristors et transistors en tension/courant. Mesurer précisément le contenu harmonique, le facteur de forme, le facteur de déplacement ainsi que le facteur de puissance. Utiliser un oscilloscope à mémoire portatif à double isolation et un analyseur d harmoniques. Calculer et mesurer les tensions, courants et puissances dans les circuits d électronique de puissance. Distinguer les valeurs: crête, efficace d ondulation, efficace vraie ainsi que la moyenne. Identifier les topologies des convertisseurs électroniques de puissance et dessiner leur schéma de branchement. Interpréter correctement les fiches techniques des manufacturiers. Décrire le principe de fonctionnement de différentes applications industrielles. J.MERCIER PAGE 4
OBJECTIFS ET CONTENU DU COURS THÉORIE MODULE #1 INTRODUCTION À L ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE (SEMAINE 1) Domaines d application de l électronique de puissance; Types de conversion d énergie; Identification des convertisseurs; Interrupteur en commutation et rendement; Calculs de valeur moyenne et efficace Exercices MODULE #2 LES REDRESSEURS À DIODES (SEMAINES 2 À 5) Caractéristiques principales d une diode de puissance; Redresseur monophasé en simple alternance avec charge résistive; Définitions et calculs: valeur crête, efficace d ondulation, efficace vrai, moyenne, facteur de forme, fréquence et période; Applications de calculs intégrales élémentaires; Redresseur monophasé en simple alternance avec filtre (inductif et capacitif); Redresseur monophasé en double alternance avec un transformateur à prise médiane; Redresseur monophasé en double alternance avec un pont de diodes; Redresseur triphasé en simple alternance; Redresseur triphasé en double alternance; Introduction aux harmoniques; Exercices MODULE #3 LES REDRESSEURS À THYRISTORS (SEMAINES 6 À 9) Caractéristiques principales d un thyristor de puissance; Redresseur monophasé en simple alternance avec charge résistive; Applications de calculs intégrales élémentaires; Redresseur monophasé en double alternance avec un pont mixte; Redresseur monophasé en double alternance avec un pont complet; Onduleur non autonome; Redresseur triphasé en simple alternance; Redresseur triphasé en double alternance en pont mixte et complet; Exercices J.MERCIER PAGE 5
MODULE #4 LES HACHEURS DE COURANT (SEMAINES 10 ET 11) Caractéristiques principales d un transistor de puissance (BJT, MOSFET et IGBT); Principe du hacheur dévolteur; Principe du hacheur survolteur; Exercices MODULE #5 LES GRADATEURS (SEMAINE 13) Principe de fonctionnement; Gradateur monophasé; Gradateur triphasé; Démarreur statique; Exercices MODULE #6 LES ONDULEURS AUTONOMES (SEMAINES 14 ET 15) Différence entre un onduleur non-autonome et autonome; Principe de fonctionnement d un onduleur monophasé; Principe de fonctionnement d un onduleur triphasé; Commande à 180 degrés; Principe de fonctionnement d un onduleur en mode PWM; Exercices J.MERCIER PAGE 6
MÉTHODOLOGIE THÉORIE La présence à tous les cours est absolument essentielle. L ensemble de la matière traitée dans chacune des périodes de cours se compose de notions fondamentales qui seront presque toutes récupérées et nécessaires dans tous les cours ultérieurs du même axe de formation. En général, les cours théoriques prendront la forme de leçons magistrales assistées de moyens didactiques tels des notes de cours et des moyens audiovisuels. L élève doit conserver la documentation fournie en ordre dans un cartable et prendre des notes dans un cahier à l usage exclusif à ce cours. L'élève devra aussi compléter sa formation et assurer la base de sa compréhension en solutionnant des exercices. Ces exercices seront fournis par le professeur en classe et/ou dans les notes de cours. L élève assume la responsabilité de préparer les heures de formation par ses lectures et de parfaire sa compréhension par des exercices. PRATIQUE La présence au laboratoire est obligatoire. Avant chaque période de laboratoire, l élève devra fournir une préparation (voir critères d évaluation: Préparation et compte-rendu de laboratoire). Les habiletés qui y sont développées ne peuvent s acquérir sans utiliser les équipements de laboratoire. L'élève absent obtiendra la note zéro pour la préparation et le compte-rendu dudit laboratoire. Si, pour des raisons sérieuses, un élève doit s absenter, il devra justifier son absence auprès du professeur et prendre les arrangements nécessaires pour réaliser ses travaux. Il y aura des comptes-rendus à présenter au professeur à la fin de chaque laboratoire. Le travail en laboratoire sera réalisé en équipe de deux, mais il est important que chaque élève prenne les moyens de développer ses compétences individuelles. On demande à chaque élève de tenir son propre cahier de laboratoire et d y consigner ses propres préparations et observations. J.MERCIER PAGE 7
JOURNÉES D ÉTUDES ET D ENCADREMENT Les journées d études et d encadrement auront lieu les 7 et 15 mai. Ses journées seront privilégiées pour des rencontres individuelles ou en petit groupe avec des élèves en difficulté concernant des reprises d activités de laboratoire manquées ou à compléter, des explications sur des exercices supplémentaires. RÉTROACTION La rétroaction se fera en continu, tout au long de la session. Les périodes de laboratoire sont des moments privilégiées pour la rétroaction puisque le professeur est alors en contact individuel direct avec les élèves. Les commentaires des élèves (par écrit ou verbalement) sur l orientation, la méthodologie, le contenu, les tests, la correction ou tout autre aspect susceptible d améliorer le cours sont les bienvenus. J.MERCIER PAGE 8
ÉVALUATION TYPE D ÉVALUATION PONDÉRATION Test #1 20% Test #2 20% Préparations + comptes-rendus de labs 30% Test final (récapitulatif) 30% TOTAL 100% CRITÈRES D'ÉVALUATION TESTS THÉORIQUES ÉCRITS (SANS DOCUMENTATION) Solutions claires et indication des calculs intermédiaires menant aux résultats; Utilisation correcte des éléments de topologie des circuits; Identification et utilisation adéquate des éléments de solutions graphiques. PRÉPARATION ET COMPTES-RENDUS DE LABORATOIRES Préparation complétée avant d'arriver au laboratoire (le moment et les modalités de la remise seront indiqués par le professeur); Réponse individuelle aux questionnaires à la fin des laboratoires; Solutions claires et indication des calculs menant aux résultats; Conformité aux normes des schémas, des graphiques et des tableaux; Interprétation juste des résultats obtenus. ÉVALUATION DE LA QUALITÉ DU FRANÇAIS (10%) Tous les travaux de laboratoires seront évalués selon les critères suivants: Présentation matérielle (page titre, pagination, structure du document, etc.) 10% Qualité de la syntaxe (phrases bien construites) 30% Qualité de l orthographe 30% Qualité de la grammaire 30% J.MERCIER PAGE 9
CALENDRIERS DES ACTIVITÉS THÉORIE SEMAINE MODULE SUJET HEURE 1 Plan d études 1 1 et 2 1 Introduction à l électronique de puissance 3 2 à 5 2 Les redresseurs à diodes 11 6 Test #1 et correction 3 7 à 9 3 Les redresseurs à thyristors 9 10 et 11 4 Les hacheurs de courant 6 12 Test #2 et correction 3 13 5 Les gradateurs 3 14 et 15 6 Les onduleurs autonomes 6 16 Test final 3 J.MERCIER PAGE 10
LABORATOIRE SEMAINE LABORATOIRE SUJET HEURE 1-2 1 Redresseur monophasé à diode en simple alternance 6 3 2 4 3 Redresseur monophasé à diodes en double alternance avec transformateur à prise médiane Redresseur monophasé à diodes en double alternance avec pont 3 3 5 4 Redresseur triphasé à diodes en simple alternance 3 6-7 5 Redresseur triphasé à diodes en double alternance 6 8-9 6 Redresseur monophasé à thyristors en double alternance 6 10 7 Redresseur triphasé à thyristors en double alternance 3 11 8 Le hacheur de courant 3 12 9 Applications du hacheur de courant 3 13 10 Gradateur monophasé et triphasé 3 14 11 L onduleur autonome monophasé 3 15 12 L onduleur autonome triphasé 3 16 Rétroaction 3 J.MERCIER PAGE 11
MÉDIAGRAPHIE VOLUMES OBLIGATOIRES 1. Électrotechnique, Théodore Wildi, Quatrième édition, Les Presses de l'université Laval, 1214p. VOLUMES DE RÉFÉRENCE - Machines électriques et Électronique de puissance, A. Hébert, C. Naudet, M. Pinard, Édition Dunod, 1985, 276p. - Les convertisseurs en électronique de puissance, G. Séguier, Édition Lavoisier, 1984, 358p. - Power Electronic Control of AC Motors, JMD Murphy, FG Turnbull, Pergamon Press, 1988, 524p. - Commande électronique des moteurs à courant alternatif, R. Chauprade, F. Milsant, Eyrolles, 1980 - Alimentations Thyristors et Optoélectronique, André Champenois, Éditions du Renouveau Pédagogique inc., 1988, 621p. (BIBLIOTHÈQUE TK 7881 C422 1988) - First course on power electronics, Ned Mohan, Minneapolis, MN : MNPERE, 2003 ISBN 0-9715292-2-1. - Power electronics for technology, Ahmed Ashfaq, Prentice-Hall, 1999 TK7881.15.A536 1999. - Power electronics handbook, Muhammad H Rashid, Academic Press, 2001 TK7881.15.R376 2001. SITES WEB - www.ipes.ethz.ch/ipes/f_index.html - www.irf.com - www.ixys.com - www.powerdesigners.com - www.pwrx.com ÉQUIPEMENTS DE SÉCURITÉ Tous les étudiants doivent obligatoirement posséder une paire de lunettes (sécurité) lors de travaux en laboratoire. J.MERCIER PAGE 12