Centre d Intérêt 5 : DISTRIBUER l'énergie Compétences : MODELISER, CONCEVOIR CONVERTISSEURS STATIQUES DE PUISSANCE Règles générales Associer les grandeurs physiques aux échanges d'énergie et à la transmission de puissance Modéliser l'association CVS / machine Adapter la typologie d'un CVS à la nature des sources Choisir un CVS en fonction des transferts énergétiques souhaités COURS 1 TP TD 1 er exemple : Comment adapter la puissance produite par une éolienne au réseau de distribution EDF? Alternatif à f variable, tension efficace variable conversion alternatif/continu puis continu/alternatif Alternatif à 50 Hz, tension efficace fixe 2 ème exemple : Comment échanger 2000 MW entre France et Angleterre, par câbles sous-marins? Schéma de principe de la liaison France-Angleterre IFA 2000 (alimentation de 3 millions de foyers britanniques) : 2000 MW ± 270 kv Le HVDC (Haute tension continue) permet de transporter, sur de longues distances, des puissances souvent supérieures à 1 000 MW. Il est dans ce cas technicoéconomiquement préférable d'utiliser du courant continu plutôt qu'alternatif classique (HVAC). Le coût élevé de l'électronique de puissance est compensé par deux avantages décisifs : - 2 conducteurs sont nécessaires au lieu de 3 en tension alternative, ce qui peut compenser le surcoût pour des liaisons longues ; - au-delà d'une certaine distance, (50 à 100 km environ pour des liaisons sous-marines, 500 à 1 000 km pour les lignes électriques aériennes), les chutes de tension le long d'une liaison alimentée en courant alternatif sont trop importantes pour permettre la transmission (effet capacitif des câbles). Plan du cours La conversion statique d'énergie électrique p. 1 Les sources de courant et de tension p. 2 Convertisseurs statiques directs et indirects p. 3 Les semi-conducteurs utilisés comme interrupteurs p. 5 LA CONVERSION STATIQUE D'ENERGIE ELECTRIQUE Dans l'architecture fonctionnelle générique d'un système pluritechnique, les convertisseurs statiques de puissance assurent la fonction technique "DISTRIBUER" de la chaîne d'énergie. Informations destinées à d autres systèmes et aux interfaces H/M Chaîne d information ACQUÉRIR TRAITER COMMUNIQUER Grandeurs physiques à acquérir Ils convertissent l'énergie électrique en énergie électrique de forme différente, et ne doivent donc pas être confondus avec les convertisseurs électromécaniques (machines, vérins) de la fonction "CONVERTIR". Informations issues d autres systèmes et d interfaces H/M Energie d entrée ALIMENTER Energie en entrée CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 1 - P E Chaîne d énergie Ordres DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE AGIR Convertisseur(s) statique(s) d énergie P S Energie en sortie Chaîne directe Chaîne inverse
1/ L électronique de puissance et le rôle des convertisseurs statiques L'Electronique de Puissance est la branche de l'electrotechnique qui a pour objet l'étude de la conversion statique d'énergie électrique (notamment les structures, les composants, les commandes et les interactions avec l'environnement ), c'est-à-dire l'échange d'énergie entre 2 systèmes électriques (réseaux ou actionneurs). Cette énergie est disponible soit sous une forme alternative (réseau de distribution électrique, alternateur ) soit sous une forme continue (batterie d'accumulateurs, génératrice à courant continu, alimentation par caténaire ). Il est donc nécessaire d'assurer, d'une part, une fonction de conversion de l'énergie électrique en rendant compatible les différentes caractéristiques (tension, courant, fréquence) des 2 systèmes et d'autre part, une fonction de contrôle de cet échange d'énergie. C'est le rôle des convertisseurs statiques. Ceux-ci utilisent des semi-conducteurs (transistors, thyristors, diodes ) travaillant en commutation, c'est-à-dire en interrupteur (ouvert-fermé) et des éléments réactifs (inductances, condensateurs) pour assurer un rendement de conversion proche de 100 %. L'Electronique de Puissance permet : - une utilisation plus souple et plus adaptée de l'énergie électrique ; - une amélioration de la gestion du transport et de la distribution de l'énergie électrique ; - une discrétion par une réduction des masses et des volumes. Elle est présente dans tous les grands secteurs technologiques (transport, production, santé ). 2/ Fonctions de base et terminologie des convertisseurs statiques de puissance Un convertisseur statique est un dispositif qui transforme de l'énergie électrique disponible en une forme appropriée à l'alimentation d'un récepteur (= une charge). Les différentes possibilités apparaissent sur le diagramme suivant : Les pertes en conduction et en commutation des interrupteurs ne doivent représenter qu une fraction minime de l énergie convertie pour avoir un rendement élevé et réduire le poids et le coût des dispositifs de refroidissement. Rq : la notion de REVERSIBILITE est très importante. Un convertisseur statique est dit réversible lorsqu il permet un transit de l énergie dans les 2 sens. Les principaux convertisseurs statiques au programme de TSI : il existe de nombreuses sortes de convertisseurs, que l on classe généralement selon les énergies mises en jeu en entrée et en sortie. Les fonctions réalisées par les convertisseurs étudiés sont résumées ci-dessous : Type de convertisseur Energie en entrée Energie en sortie Réglage de la puissance HACHEUR Continu Continu Oui (réversible) ONDULEUR Continu Alternatif Oui (réversible) REDRESSEUR A DIODES Alternatif Continu Non (non réversible) LES SOURCES DE COURANT ET DE TENSION En électronique de puissance, la charge en sortie est considérée comme une source. Source d entrée CVS Source de sortie CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 2 -
1/ Nature et réversibilité des sources On distingue : - les sources de tension alternatives ou continues ; - les sources de courant alternatives ou continues. Une source est dite réversible si la puissance fournie peut être positive ou négative, c'est-à-dire qu elle peut avoir un fonctionnement récepteur ou générateur (ex : batterie, MCC). Rq : En électronique de puissance, on emploie le terme de source indifféremment pour les générateurs ou les récepteurs. 2/ Les sources de tension Une source est dite de tension lorsque la tension à ses bornes ne peut pas subir de discontinuité lorsque la charge varie. Elle impose donc la tension quel que soit le courant absorbé par le récepteur. 3/ Les sources de courant Une source est dite de courant lorsque le courant qui la traverse ne peut subir de discontinuité lorsque la charge varie. Elle impose le courant quelle que soit la tension imposée par le récepteur. 4/ Règles d'interconnexion des sources Le convertisseur statique établit et interrompt périodiquement la connexion entre 2 sources grâce à des interrupteurs. Compte tenu des définitions précédentes, il est impératif de respecter les 3 règles suivantes : Règle 1 : Une source de tension ne peut être court-circuitée mais peut être ouverte. Règle 2 : Une source de courant ne peut être ouverte mais peut être court-circuitée. Règle 3 : On ne peut pas connecter directement et instantanément 2 sources de même nature mais uniquement 2 sources de nature différente. CONVERTISSEURS STATIQUES DIRECTS ET INDIRECTS 1/ Structure des convertisseurs La structure des convertisseurs dépend : - de la nature des sources d entrée et de sortie (tension ou courant) ; - du type des sources d entrée ou de sortie (monophasé, triphasé). On parle alors de : - convertisseurs statiques DIRECTS - convertisseurs statiques INDIRECTS (Hors-programme) tension courant ou courant tension tension tension ou courant courant 2/ Convertisseurs directs Convertisseur direct tension-courant Possibilité d interconnexion des sources : Situation 1 Situation 2 Situation 3 La source d entrée fournit la puissance à la source de sortie : P = Ve.Is La source d entrée reçoit de la puissance de la source de sortie : P = -Ve.Is Il n y a pas d échange de puissance entre les 2 sources : P = 0 CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 3 -
La structure du convertisseur est la suivante : Situation 1 : K1 = K4 = 1 Situation 2 : K2 = K3 =1 Situation 3 : K1 = K3 = 1 ou K2 = K4 = 1 Rq : Ki = 1 signifie "interrupteur Ki fermé" et Ki = 0 signifie "interrupteur Ki ouvert". Convertisseur direct courant-tension La configuration de base reste la même. On a simplement l habitude de la dessiner en plaçant la source d entrée, c'est-à-dire la source de courant, à gauche du dessin. Possibilité d interconnexion des sources : Situation 1 Situation 2 Situation 3 La source d entrée fournit la puissance à la source de sortie. P = Ve.Is La source d entrée reçoit de la puissance de la source de sortie P = -Ve.Is Il n y a pas d échange de puissance entre les 2 sources P = 0 La structure du convertisseur est la suivante : Situation 1 : K1 = K4 = 1 Situation 2 : K2 = K3 =1 Situation 3 : K1 = K2 = 1 ou K3 = K4 = 1 3/ Conversion indirecte 2 solutions sont envisageables : - en modifiant la nature des sources et en utilisant des convertisseurs statiques DIRECTS ; - en utilisant des convertisseurs statiques INDIRECTS. Convertisseurs statiques INDIRECTS par modification de la nature des sources Il faut utiliser des composants supplémentaires qui ne dissipent pas de puissance active, donc soit des inductances, soit des condensateurs. Leur rôle est de modifier la nature des sources d entrée ou de sortie. Il sera donc possible d utiliser les structures des convertisseurs statiques DIRECTS. Changement d une source de tension en source de courant di u L = L. = E - v di E - v = L CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 4 - Si L suffisamment grand, alors : di 0 soit i C ste
Changement d une source de courant en source de tension dv i C = C. = I- i dv I- i = C Si C suffisamment grand, alors : dv 0 soit v C ste D'où la structure des convertisseurs statiques INDIRECTS par modification de la nature des sources : Structure du CVS indirect TENSION / TENSION Structure du CVS indirect COURANT / COURANT Convertisseurs statiques INDIRECTS TENSION/TENSION ET COURANT/COURANT Pour la 2 ème solution, il faut aussi utiliser un composant supplémentaire qui ne dissipe pas de puissance active. Son rôle est de créer un étage d accumulation d énergie, donc il s'agira d'une inductance ou d'un condensateur. Après une phase de stockage de l énergie électrique dans l inductance ou le condensateur, cette énergie sera fournie à la source de sortie. Ces structures étant hors-programme ne sont pas détaillées ici. 1/ Caractéristique statique LES SEMI-CONDUCTEURS UTILISÉS COMME INTERRUPTEURS L'interrupteur étant en convention récepteur, la caractéristique statique Ik = f(vk) d'un interrupteur statique est composée de segments et représente l'ensemble des points de fonctionnement possibles. Exemple : Interrupteur idéal à 4 segments : L'interrupteur idéal possède les propriétés suivantes : - supporte (bloque) des tensions directes (> 0) ou inverses (< 0) de valeur arbitraire avec un courant nul à l'état ouvert ; - conduit des courants de valeur quelconque avec des chutes de tension nulles à l'état fermé ; - commute de façon instantanée de l'état ouvert à l'état fermé et vice-versa ; - nécessite une puissance nulle pour la commande. On peut envisager des interrupteurs à 2, 3 ou 4 segments adaptés à la nature et aux réversibilités des sources et des charges du convertisseur. CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 5 -
Pertes en conduction Propriétés Caractéristique idéale Commande - symbole Sciences Industrielles pour l Ingénieur 2/ Caractéristique dynamique C est la trajectoire suivie par le point de fonctionnement pour passer d un point situé sur un segment à un point situé sur un autre segment. La caractéristique dynamique dépend du semi-conducteur utilisé et de l'environnement extérieur de l'interrupteur. Celui-ci étant toujours dissipatif, le trajet du point de fonctionnement sera toujours dans les quadrants où Ik. Vk > 0 : Passage de l état ouvert (O) à l état fermé (F) : "AMORÇAGE" Passage de l état fermé (F) à l état ouvert (O) : "BLOCAGE" Energie de commutation : W = v k (t).i k (t). W = 0 commutation spontanée (le long des axes) W > 0 commutation commandée 3/ Les semi-conducteurs de puissance La diode Le transistor MOS L IGBT Amorçage et blocage spontanés Amorçage et blocage commandés par V GS Amorçage et blocage commandés par V GE Unidirectionnel en courant : i D > 0 Unidirectionnel en tension : v D < 0 Unidirectionnel en courant : i D > 0 (Bidirectionnel en courant avec diode) Unidirectionnel en tension : v DS > 0 Unidirectionnel en courant : i C > 0 Unidirectionnel en tension : v CE > 0 CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 6 -
Choix Sciences Industrielles pour l Ingénieur F : Forward (direct) AV : AVerage (moyen) RRM : Reverse Repetitive Maximum DC : Direct Current Rq : Le transistor bipolaire et le thyristor ne sont pas au programme. 4/ Les territoires des composants de puissance Résumé des domaines d utilisation des interrupteurs de puissance actuels : Thyristor = Diode commandée à la fermeture GTO = Thyristor commandé à la fermeture et à l'ouverture (Gate Turn-Off) MCT = Thyristor MOS commandé à la fermeture et à l'ouverture (MOS Controlled Thyristor) CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 7 -