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ELECTRONIQUE DE PUISSANCE IICOMMUTATIONS FORCEE ET NATURELLE
CHAP I : INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAP II : COMPOSANTS ACTIFS DES CONVERTISSEURS STATIQUES
CHAP III : INTRODUCTION A L'ETUDE DES CONVERTISSEURS
STATIQUES
CHAP IV: LA COMMUTATION DANS LES CONVERTISSEURS STATIQUES
CHAPV : DUALITE DANS LES CONVERTISSEURS STATIQUES
CHAP VI: LES HACHEURS
CHAP VII: LA COMMUTATION FORCEE
CHAP VIII: LES ONDULEURS
CHAP IX: LES ALIMENTATIONS A DECOUPAGE
CHAP X : CIRCUITS D'AIDE A LA COMMUTATION (C.A.L.C)
CHAP XI: COMMANDE DES ELEMENTS SEMI‑CONDUCTEURS
CHAP XII: COMMUTATION NATURELLE
- Convertisseurs d’énergie? : Transformation de la forme de l’énergie
(Thermique-Mécanique-Electrique).
-Convertisseurs d’énergie d’une forme quelconque en énergie
électrique:
- En continu: Batteries d’Accumulateurs
(Inconvénients: Encombrement, Entretien
régulier et coûteux)
- En alternatif: Alternateurs synchrones (Fréquence fixe)
- Essor industriel de l’occident (années 50): Nécessité de l'énergie
électrique sous ses formes les plus diverses:
Tension variable en continu ou en alternatif
Fréquence variable en alternatif.
D'où la nécessité de convertisseurs d'énergie.
- Solution électromécanique: Machines (Transformateurs, Groupes
convertisseurs, Commutatrices....)
- Inconvénients: Ensembles lourds, peu souples et nécessitent un
entretien fréquent et coûteux.
- Disparition des ensembles convertisseurs-machines au profit des
convertisseurs statiques: Enormes progrès dans le domaine des
composants électroniques de faibles
puissances (commande, contrôle) et de
puissances élevées (Interrupteurs: Diode,
Transistor bipolaire, M.O.S, I.G.B.T, G.T.O…).
- Les différents types de conversion possibles sont:
- Redresseurs et Convertisseurs directs (cyclo-convertisseurs):
Cours 2ème année (Commutation naturelle assistée par le réseau)
HACHEURS
- Hacheurs: Convertisseurs statiques permettant d'obtenir une tension
continue variable en amplitude à partir d'une tension
continue à amplitude constante à l'entrée.
ONDULEURS
- Onduleurs: Convertisseurs statiques permettant d'obtenir une tension alternative à partir d'une tension continue.
Onduleur Monophasé
- La forme du courant dépend de la nature de la charge (R, L ou C)
CONVERTISSEUR INDIRECT DE TENSION
- Convertisseurs permettant d'obtenir une tension continue E2 à partir
d'une tension continue E1 en passant par l'intermédiaire d'un onduleur
(isolement galvanique entre l'entrée et la sortie).
CONVERTISSEUR INDIRECT DE FREQUENCE
- CONVERTISSEURS INDIRECTS DE FREQUENCE: Convertisseurs qui
fournissent, à leur sortie, une tension alternative dont l'amplitude et la
fréquence sont différentes de celles de l'entrée.
- Fonctionnement des convertisseurs statiques: Commutation de
courant entre mailles adjacentes
- Elément de base: Interrupteur pour ouvrir ou fermer un circuit
considéré.
- Convention récepteur pour l'interrupteur:
- Caractéristique idéale de n'importe quel interrupteur
sera dans la caractéristique idéale suivante:
AVANT COMMUTATION APRES COMMUTATION
-
- Différentiation des composants:
- Réalisation technologique
- Fonction interrupteur assurée: *Caractéristique statique I(V) (Nombre de branches de la
caractéristique idéale).
*Caractéristique dynamique (Commande au blocage et/ou à l’amorçage).
CLASSIFICATION DES INTERRUPTEURS
- Caractérisation d’un interrupteur: Définition de ses caractéristiques
statique et dynamique.
- Caractéristique dynamique: Façon par laquelle se font les transitions
d'une branche à l'autre de la caractéristique
statique: commandées ou spontanées.
- Classification de tous les semi-conducteurs (en tant qu’interrupteur):
- Quatre catégories:
* Amorçage et Blocage spontanés: DIODE.
*Amorçage et Blocage commandés: TRANSISTORS
(bipolaire, M.O.S, I.G.B.T), G.T.O.
*Amorçage commandé, Blocage spontané: THYRISTOR
*Amorçage spontané, Blocage commandé: Pas de
composant sous forme discrète:
Synthétisation de cette fonction
(duale de celle du thyristor) autour
d'un semi-conducteur à amorçage et
blocage commandés (En rendant
son amorçage commandé en
spontané: C'est le "thyristor dual« ).
- Commutation spontanée: Elle produit le minimum de pertes (le produit
V.I est toujours faible). La commutation s’effectue
le long des axes si on néglige les phénomènes
secondaires (Courant de fuite à l'état bloqué et
Chute de tension à l'état passant).
- Commutation commandée: Elle produit d’importantes pertes (Elle oblige
le point de fonctionnement de sauter d'une
branche à l'autre de la caractéristique statique
Apparition de contraintes instantanées
importantes (existence simultanée de V et I) .
Danger si la durée de la commutation
s'allonge et/ou la fréquence de commutation
augmente.
DIODE
Caractéristique statique réelle Caractéristique idéalisée
- VRRM : Reverse Recovery Maximum
Tension de seuil inverse maximale
- Caractéristique dynamique: Passage de l'état bloqué à l'état passant
(amorçage) et inversement (blocage).
Amorçage de la diode
Phénomène transitoire: Présente en général une faible importance.
- Apparition d'une surtension pendant le temps de
rétablissement tfr.
- Surtension présente un inconvénient dans certains
montages (Conduction inverse de transistors bipolaires)
-
Cas où la charge est inductive
- Même si D2 présente une surtension pouvant faire conduire en
inverse T2, ce dernier ne sera pas soumis à de fortes contraintes
puisqu'il conduit en direct juste après le blocage de D2.
Courant et Tension dans une charge inductiveCourant et Tension dans une charge inductive
Cas où la charge est capacitive
- Par contre, si le transistor sera soumis à une tension élevée
(blocage) après sa conduction en inverse, la focalisation des
courants peut mener à la destruction du composant (Apparition de
points chauds).
Courant et Tension dans une charge capacitiveCourant et Tension dans une charge capacitive
Blocage de la diode
- Lorsqu’on polarise en inverse une diode après la conduction en
direct, elle ne retrouve pas immédiatement son pouvoir de blocage et
elle continue à conduire en se comportant comme un court-circuit
pendant un certain temps appelé temps de recouvrement inverse
noté trr.
- Phénomène de recouvrement: Présence de charges stockées
pendant la conduction directe (Q0=J.IF où J est la durée de vie
des porteurs minoritaires et IF le courant moyen direct avant la
commutation).
- Pendant la commutation: une partie de Q0 disparaît spontanément
par recombinaison interne. L'autre partie, appelée charge
recouvrée QR est évacuée par le courant inverse circulant dans la
diode.
- La deuxième partie de recouvrement, après t1, c'est la diode qui
impose la décroissance du courant inverse, la jonction P-N
commence à retrouver son pouvoir de blocage.
A l'instant t1, , Ec est appliquée en inverse à
la diode.
Au moment où la pente change de signe (point d'inflexion
de irr(t)), il y'a apparition d'une surtension
d i
d trr 0
d i
d trr
E Ldi
d tC crr .
THYRISTOR
- Thyristor: Semi-conducteur de structure PNPN assimilable à
un ensemble de trois jonctions.
-
- VRRM: Reverse Recovery Maximum
- VM : Tension de retournement
Caractéristique statique réelle Caractéristique idéalisée
Amorçage du ThyristorPour amorcer un thyristor:
- Tension entre anode et cathode positive
- Envoie d’une impulsion de courant entre la gâchette et la cathode (attaque en courant)
Précautions: Limitation de la vitesse de croissance du courant à
l'amorçage (di/dt: gradient de courant)
- Solution: Adjonction, en série avec le thyristor, d'une inductance de
faible valeur (quelques µH).
Blocage du Thyristor
Pour bloquer un thyristor:
- Annuler le courant anode-cathode (ou le rendre
inférieur au courant de maintien)
- Appliquer une tension inverse négative pendant
un temps au moins égal à tq (temps de désamorçage
(de 10 µs à 100 µs selon le type de thyristor).
-
tq= tr+trg
- Lors du dimensionnement des circuits de commutation forcée ou
naturelle, il faut que le temps d'application de la tension inverse
soit au moins égal à tq (tinv>tq).
TRANSISTORS
TRANSISTOR BIPOLAIRE
Transistor bipolaire: Semi-conducteur de structure NPN ou PNP
C’est la structure NPN qui s’est nettement développée par rapport
à la structure PNP. Aujourd’hui, Transistors 1600V,400A.
Symbole:
Symbole du transistor bipolaire NPNSymbole du transistor bipolaire NPN
-
- Transistor bipolaire en tant qu’ Interrupteur Points de
fonctionnement statique qui se trouvent au voisinage des deux axes:
Axe 0-VCE à l'état bloqué
Axe 0-IC à l'état passant
Caractéristique statique réelle Caractéristique idéaliséeCaractéristique statique réelle Caractéristique idéalisée
FONCTIONNEMENT STATIQUE
- ETAT BLOQUE:Courant Collecteur-Emetteur nul.
Valeurs maximales de la tension Collecteur-Emetteur que peut
supporter le transistor sont:
Vce0(sus): Circuit de base ouvert (iB=0)
VCER : Base reliée à l'émetteur par une
résistance RBE
VCEX : Jonction base-émetteur polarisée
négativement (VBE <0).
EXEMPLE: BUX 48: Vce0(sus)=450V; VCER=600V;
VCEX=850V.
- ETAT PASSANT: Au voisinage de l'axe vertical IC de la
caractéristique statique I(V), trois zones:
-
Zone 1: Zone de fonctionnement en linéaire ou
zone d'amplification.
Zone 2: Zone de quasisaturation. Elle correspond
à de faibles valeurs de la tension VCE
notée VCEsat. Le rapport IC/IB décroît
rapidement (VCE=VBE).
Zone 3: Zone de saturation. Toute augmentation
de IB ne modifie pas la valeur de VCesat
qui a atteint sa valeur minimale.
- En régime de commutation, le transistor ne peut être utilisé que dans
les zones 2 ou 3 lorsqu'il est conducteur. Car dans la zone 1, le
produit VCE.IC est important Apparition d'importantes
contraintes pouvant mener à la destruction du composant.
FONCTIONNEMENT DYNAMIQUE
- En commutation: Nécessité d’études des phénomènes
accompagnant le passage de l'état bloqué à
l'état conducteur et inversement lorsqu'une
commande est appliquée à la base du transistor.
-
td : temps de retard à la croissance
tr : temps de montée du courant collecteur
ts : temps de stockage
tf : temps de descente du courant collecteur
ten; ton: temps d'enclenchement (de l'ordre de la µs)
tde; tOFF: temps de déclenchement (quelques µs)
- Le temps de stockage ts dépend fortement du circuit de commande.
Ce temps peut être limité à de faibles valeurs par le choix d'une
commande appropriée du transistor bipolaire.
TRANSISTOR M.O.S DE PUISSANCE
MOSFET: Metal-Oxyde-Semiconductor
Field-Effect-Transistor
- Le M.O.S de puissance: Elément semi-conducteur à effet de
champ avec trois électrodes: grille G
(équivalent de la base B d'un transistor
bipolaire), drain D (équivalent au
collecteur C d'un N.P.N) et la source S
(équivalent à l'émetteur E d'un N.P.N)
- Le symbole utilisé pour le M.O.S est:
La structure physique du M.O.S fait
apparaître une diode en anti-parallèle
avec le transistor. Elle supporte le même
courant nominal du transistor mais elle
présente un temps de recouvrement
relativement élevé.
Caractéristique de commande
- Caractéristique statique
Pour bloquer le transistor MOSFET, il suffit de lui appliquer une
tension UGS nulle entre la grille et la source. Pour le faire conduire, il
faut appliquer une tension UGS positive. Pour une valeur de UGS de
l'ordre de 10V, le transistor M.O.S se transforme en une résistance
de faible valeur et fonctionne en zone de saturation.
-
- Etat bloqué d'un transistor M.O.S:
caractéristique de blocage
Caractéristique statiqueCaractéristique statique Caractéristique de commandeCaractéristique de commande
Caractéristique de blocage d'un transistor M.O.SCaractéristique de blocage d'un transistor M.O.S
- Blocage du M.O.S: Application d'une tension UGS nulle ou même
négative. Le courant de drain est pratiquement
nul. Si, dans ces conditions de
fonctionnement, la tension VDS dépasse une
certaine valeur fournie par le
constructeur notée VDSS, il se produit un
phénomène de claquage qui conduit à la destruction
du composant.
- Etat de conduction d'un transistor M.O.S:
Pour une tension de grille source UGS positive, le M.O.S présente une zone résistive:
- Le comportement du transistor M.O.S dans cette zone est équivalent à
celui d'une résistance appelée RDSon.
- Le transistor MOSFET présente l'avantage de commuter rapidement
d'un état à l'autre par rapport au transistor bipolaire. Un autre avantage
réside dans la simplicité de circuits de commande puisque le M.O.S est
commandé en tension alors que le bipolaire est commande par un
courant.
- Cependant, il présente deux inconvénients par rapport au transistor
bipolaire:
Les pertes par conduction sont plus importantes
La tenue en tension est plus faible.
TRANSISTOR I.G.B.T
(Insulate Gate Bipolar Transistor)
- Transistor I.G.B.T: Semi-conducteur de puissance combinant les
avantages du transistor bipolaire à ceux du
M.O.S (Simplicité de commande, Rapidité de
commutation, Tenue en tension élevée)
- Symbole de L'I.G.B.T:
Symbole de L'I.G.B.T Schéma équivalent de L'I.G.B.T
-
- I.G.B.T commercialisés: Tensions allant jusqu'à 1600V et Courants
pouvant aller jusqu’à 2000A pour les modules.
- La commande adéquate d'un I.G.B.T est identique à celle d'un MOSFET
de puissance.
THYRISTORS BLOCABLES G.T.O (Gate Turn Off)
- Thyristor G.T.O: Semi-conducteur composé de trois jonctions
(PNPN) similaire à un thyristor.
- Allumage G.T.O: Idem au thyristor: (impulsion positive entre
gâchette et cathode)
Caractéristique statiqueCaractéristique statique Caractéristique de commandeCaractéristique de commande
- Avantage/ au Thyristor: Possibilité de le bloquer par la gâchette
en appliquant une impulsion négative.
- Inconvénient G.T.O: Pas de blocage de tension inverse. Si
nécessité de blocage de tension
inverse, mise en série avec le G.T.O
d’une diode.
- Le symbole utilisé pour représenter le G.T.O est le suivant:
- Les caractéristiques directes correspondent à:
- Si le courant anode iA < au courant d'accrochage IL, le G.T.O se
comporte comme un transistor avec un gain iA/iG. Ce gain augmente
fortement avec le courant iA.
Commutation du thyristor G.T.O- Le comportement dynamique du G.T.O est représenté par la figure
suivante:
td(on) : retard à la croissance du courant iA
tr : temps de croissance
td(OFF)=ts : temps de stockage
tt : temps de traînage du courant à la décroissance
ton=td(on)+tr : temps d'enclenchement.
- Pour réduire ton, on envoie une impulsion à l'amorçage deux à cinq
fois le courant IGT.
- Au blocage, il faut que la rapidité de décroissance du courant iG ne
soit pas trop élevée sous risque que le G.T.O ne se bloque pas.
Cependant, un fort courant IGR favorise la rapidité de blocage.
INTRODUCTION A L'ETUDE DES CONVERTISSEURS STATIQUES
- L'objectif est de réaliser, à partir de la connaissance d'un cahier
de charges, la synthèse de la structure d'un convertisseur
statique.
- Un convertisseur statique est un montage utilisant des
interrupteurs à semi-conducteurs et permettant, par un choix
judicieux de séquences convenables de ces derniers, un transfert
d'énergie entre un générateur et un récepteur.
- Ce transfert pouvant être dans certains cas réversible. Les termes
entrée et sortie remplaceront désormais ceux de générateur et de
récepteur pour tenir compte des réversibilités.
- Le problème de la synthèse d'un convertisseur statique se posera
donc de la manière suivante:
On désire effectuer un certain type de conversion d'énergie
entre une entrée et une sortie connues par le cahier des charges
et cela à travers des interrupteurs sur lesquels on connaît rien à
priori. Il faut déterminer:
- la structure du convertisseur c.à.d le nombre et la
place des interrupteurs ainsi que la présence ou non
d'éléments de stockage (inductance ou
condensateur)
- les caractéristiques statiques et dynamiques des
interrupteurs.
- Au départ, les seuls éléments connus sont les entrées et les sorties
du convertisseur. La première étape consiste donc à les caractériser.
- Deux grandes familles doivent être distinguées:
- les sources de courants
- les sources de tension
- Ces termes seront utilisés indifféremment pour les générateurs et les
récepteurs d'énergie.
- Classiquement, une source est dite de tension lorsqu'elle impose une
tension quelque soit le courant de charge. Ceci implique que son
impédance série est nulle (ou très faible devant celle de la charge).
- De même, source de courant lorsqu'elle impose un courant quelque soit
la charge impédance série infinie (ou >> devant la charge).
- Cette caractérisation correspond à une propriété permanente. Or, le
fonctionnement des convertisseurs statiques, en raison de la présence
des interrupteurs, provoque des variations instantanées de certaines
grandeurs électriques. Il faut donc généraliser ces définitions à des
sources qui possèdent ces propriétés de façon instantanée.
- Source de tension lorsque la tension à ses bornes ne peut pas subir
de discontinuité du fait de la variation de la charge.
- Source de courant lorsque le courant qui la traverse ne peut pas
subir de discontinuité du fait de la variation de la charge.
- Pour préciser ces définitions, il est commode d'utiliser la notion
d'impédance instantanée.
- Source de tension lorsqu'elle présente une impédance instantanée
nulle.
- Source de courant lorsqu'elle présente une impédance instantanée
infinie.
EXEMPLES
- Condensateur:
Si l'on tentait de faire varier instantanément la tension aux
bornes d'un condensateur, on créerait un dv/dt infini, donc un
courant instantané infini puisque i=c.dv/dt.
- L'impédance instantanée d'un condensateur est nulle qu'un
condensateur sera considéré comme une source de tension dans la
synthèse des convertisseurs statiques.
- Inductance:
Si l'on tentait de faire varier instantanément le courant dans
une inductance, on créerait un di/dt infini, donc une tension
instantanée infinie puisque v=l.di/dt.
V Z I Z V I . p uisq ue finie e t infinie0
Z pC p
Z pC pC C p
p
( ).
, ( ).
1 10 lim lim
V Z I Z V I . p uisq ue infinie e t finie Z p L p Z p L pL L p p
( ) . , ( ) . lim lim
- L'impédance instantané d'une inductance est infinie
qu‘une inductance sera considérée comme une source de courant
dans la synthèse des convertisseurs statiques.
- Batterie d’accumulateurs:
Une batterie d’accumulateurs est elle une source de tension
ou de courant?
Pour la caractériser, il faut analyser les conditions
d'utilisation de cette batterie.
Supposons que cette batterie alimente une charge par
l'intermédiaire d'un interrupteur T et que le courant de charge est de
20 A. Si le câble de liaison a une longueur de 1 m et que l'interrupteur
T commute en 1 µs.
- A l'ouverture de T, on aura une surtension:
- Si la batterie présente une tension à ses bornes de 20 V, la
surtension est du même ordre de grandeur que la tension E de la
batterie.
- A cause des câbles de liaison, la charge ne peut pas être
considérée comme alimentée par une source de tension.
- Si on place un condensateur de valeur convenable entre les
points A et B, la charge sera alors alimentée par une source de
tension.
- Difficulté de caractérisation: Imposition pour Source type continue
-Transformation en source de tension : Ajout d'un condensateur en parallèle
-Transformation en source de courant : Ajout d'une inductance en série
v ld i
d tH
I
TH V . . .1 1
2 0
1 02 0
6
- Dans le cas où la source est de type alternatif, on ne peut que la
transformer en une source de courant en insérant en série avec elle
une inductance.
- Dans le cas où on veut transformer une source de type alternatif en
une source de tension en plaçant en parallèle un condensateur, on
risque de provoquer le court-circuit de cette source (si C est grand,
1/C.ω 0).
Réversibilités des entrées-sorties
- Lorsque une source de tension (ou de courant) impose une
tension (ou un courant) unidirectionnelle, on parlera de source de
tension (ou de courant) continue.
- Dans le cas où la tension (ou le courant) est bidirectionnelle, il
y'a lieu de distinguer deux cas:
- la tension (ou le courant) change de polarité de
manière périodique, on parlera de grandeur alternative
- la tension (ou le courant) change de sens de manière
non cyclique, on parlera de grandeur réversible.
- Pour déterminer les caractéristiques statiques et dynamiques
des interrupteurs, il faut préciser les divers modes de réversibilités
des entrées sorties.
- Une source sera de tension ou de courant:
soit deux possibilités
réversible ou non en tension: soit deux possibilités
réversible ou non en courant: soit deux possibilités
Soit donc au total 8 possibilités:
- EXEMPLE:
- Batterie d'accumulateurs: Une source de tension réversible en
courant puisqu'elle se comporte comme récepteur lors de la charge et
générateur lors de la décharge. Elle sera représentée comme suit:
REGLES D'INTERCONNEXIONS
- Au cours de son fonctionnement, le convertisseur statique connecte
ou déconnecte, par l'intermédiaire des interrupteurs, les sources
entre lesquelles il assure et contrôle l'échange d'énergie. Pour que
ces liaisons puissent se faire, il est nécessaire de respecter certains
règles:
- 1) Une source de tension ne doit jamais être court-circuitée
- 2) Le circuit d'une source de courant ne doit jamais être ouvert
- 3) On ne peut connecter entre elle que deux sources de nature
différente
- 4) On ne peut jamais relier deux sources de même nature.
CONFIGURATIONS DE BASE
- Nous appellerons configuration de base le schéma, qui sans
hypothèse sur les caractéristiques des interrupteurs, permet toutes
les interconnexions possibles entre une entrée et une sortie.
- L'interdiction de connecter deux sources de même nature
nous permet de distinguer deux configurations de base:
- les configurations de base à liaison directe lorsque
les sources sont de nature différente
- les configurations de base à liaison indirecte lorsque
les sources sont de même nature.
Configuration de base à liaison directe
- Une structure à liaison directe ne peut donc transmettre
l'énergie que d'une source de tension à source de courant et
inversement. La majorité des convertisseurs rentre dans cette
catégorie
- Convertisseur tension-courant
On dispose d'une source de tension (entrée) et d'une source
de courant (sortie):
Problème: Quelles sont les différentes possibilités
d'interconnexion de ces deux sources.
Quelle est la structure qui permet de réaliser toutes ces
interconnexions.
On peut (en respectant les règles d'interconnexion des
sources):
a) Relier dans un certain sens l'entrée et la sortie:
b) Relier dans l'autre sens l'entrée et la sortie:
c) les séparer en ouvrant la source de tension et en court- circuitant la source de courant:
- La structure en pont à 4 interrupteurs réalisant ces trois états aura
l’une des deux formes suivantes:
- K1 et K3 fermés donnent l'état a
- K2 et K4 fermés donnent l'état b
- K1 et K4 ou K2 et K3 fermés donnent l'état c
Variante 1 Variante 2
- Cette configuration pourra se simplifier dans les cas particuliers de
certaines réversibilités.
- Le fonctionnement interne des deux variantes précédentes étant
identique Dans la suite, on ne considérera que la variante 1.
Convertisseur courant tension
- Si l’entrée est une source de courant et la sortie est une source de
tension, une étude analogue à la précédente permet de montrer que la
structure suivante réalise toutes les interconnexions possibles entre
ces deux types de sources:
Configuration de base à liaison indirecte
- Interconnexion deux sources de même nature appel à des
éléments supplémentaires ne consommant pas d'énergie active
(capacité ou inductance). Ceci peut être réalisé en utilisant trois
méthodes:
- 1ère méthode: On modifie la nature de l'entrée ou de la sortie.
- Les convertisseurs (V,I) et (I,V) utilisés dans cette méthode sont à
liaison directe et que les éléments supplémentaires sont extérieurs au
convertisseur.
- 2ème méthode:
* Pour réaliser la conversion V V, on réalise une
double conversion V I puis I V en utilisant un étage
tampon constitué par une inductance.
- Pour réaliser I I, on utilise une double conversion I V puis
V I en utilisant un condensateur comme étage tampon.
- 3ème méthode:
* On résout le problème à l'aide d'une seule structure en
utilisant un élément de stockage (inductance ou capacité). Le
stockage fait partie du fonctionnement propre du
convertisseur.
Convertisseur tension-tension
- L'interconnexion de deux sources de tension se fait par
l'intermédiaire d'un élément tampon inductif. Les liaisons à effectuer
sont:
- La structure permettant de réaliser ces interconnexions est:
K1 fermé; K2, K3, K4, K5 ouverts donnent l’état a)
K1 ouvert; K2 et K5 fermés; K3 et K4 ouverts donnent l’état b)
K1 ouvert; K2 et K5 ouverts; K3 et K4 fermés donnent l’état c)
Convertisseur courant – courant
- L'interconnexion de deux sources de courant est réalisée par
l'intermédiaire d'un élément tampon capacitif.
- les différentes interconnexions à réaliser sont:
- La configuration de base pouvant réaliser ces interconnexions est la suivante:
K1 ouvert, (K2, K3, K5 fermés, K4 ouvert) ou (K3, K4, K5
fermés, K2 ouvert donnent l’état a)
K1 fermé, K2 et K5 fermés, K3 et K4 ouverts donnent l’état b)
K1 fermé, K2 et K5 ouverts, K3 et K4 fermés donnent l’état c)
- Les trois structures suivantes représentent les structures de tous les
convertisseurs:
SYNTHESE DES CONVERTISSEURS STATIQUES
Pour faire la synthèse d'un convertisseur statique, il faut
procéder comme suit:
1) Caractériser les entrées sorties pour déduire la
configuration de base correspondante
2) Déduire du cahier des charges les réversibilités des entrées
sorties
3) Identifier, pour la configuration de base correspondante, les
séquences de fonctionnement compte tenu des réversibilités
en tension et en courant
4) Observer, pour les différentes séquences, le sens du courant
dans les interrupteurs passants et le signe de la tension aux
bornes de ceux bloqués pour en déduire les caractéristiques
I(V) de chaque interrupteur
5) Reconnaître chaque interrupteur à partir de la caractéristique
statique ou de le synthétiser à partir d'interrupteurs usuels.
ETUDE DE QUELQUES CAS
Hacheur réversible en courant:
Cahier des charges:
- On veut alimenter, à partir d'une batterie d'accumulateurs, une
machine à courant continu sous tension continue variable. Cette
machine est à excitation indépendante. Elle devra fonctionner en
moteur et en génératrice pour le même sens de la vitesse de rotation.
On notera que pour assurer le freinage, on choisit de ne pas toucher à
l’inducteur mais, d’inverser le courant dans l’induit.
- SOLUTION:
a) caractérisation des entrées sorties et déduction des
réversibilités
L'entrée est une source de tension réversible en courant.
La sortie étant une source de courant non réversible en tension
mais réversible en courant. Donc, la configuration de base
est à liaison directe:
-
b) Séquences de fonctionnement et observation du sens du
courant dans les interrupteurs passants et du signe de la tension
aux bornes de ceux bloqués.
Les séquences de fonctionnement qui peuvent exister sont:
- phase active de traction
- phase active de freinage
- phase de roue libre en traction
- phase de roue libre en freinage.
- Phase active en traction
- Phase active de freinage:
- Roue libre en traction:
- Roue libre en freinage:
- Caractéristiques statiques des interrupteurs:
- K1 et K2 doivent être synthétisés à partir d'interrupteurs usuels. Par
exemple un transistor (ou un thyristor avec son circuit d'extinction) et
une diode en antiparallèle.
- K3 est un fil.
- K4 est un circuit ouvert.
-
Hacheur non réversible en courant:
Cahier des charges:
On désire alimenter à partir d’une batterie d’accumulateurs,
une machine à courant continu fonctionnant en moteur sans aucune
réversibilité. Ce moteur devra être alimenté sous tension continue
variable.
Trouver la structure du convertisseur ainsi que la nature des
interrupteurs le constituant.
Onduleur de tension:
Cahier des charges:
On désire obtenir une tension rectangulaire E aux bornes
d’une charge à partir d’une batterie d’accumulateurs.
Trouver la structure du convertisseur ainsi que la nature des
interrupteurs le constituant.
LA COMMUTATION DANS LES
CONVERTISSEURS STATIQUES
- GENERALITES SUR LA COMMUTATION DANS LES CONVERTISSEURS
Définitions relatives à la commutation
Fonctionnement d’un convertisseur statique: Succession de
séquences élémentaires. Chaque séquence réseau électrique
maillé différent du précédent (Modification de l’interconnexion des
différentes branches du convertisseur par le changement d’état
d’interrupteurs).
L’étude de la commutation dans les convertisseurs Analyse
du processus de modification successive des interconnexions sans
contraintes excessives sur les interrupteurs. Processus de
modification est réalisé par un «Commutateur»: Appareil ayant pour
fonction la substitution d’une portion de circuit à un autre ou la
modification successive des connexions d’un ou plusieurs circuits.
- Les phénomènes apparaissant lors du fonctionnement du
commutateur sont regroupés sous le terme général de
«Commutation».
Le commutateur a pour fonction de connecter la branche du circuit
associé au contact mobile C à un et un seul des autres contacts
fixes A1, A2, A3 et A4. La commutation est le passage du contact
mobile d’un contact fixe à un autre.
Processus de commutation
- Il ne concerne que trois branches: la branche liée au point
C et les deux branches qui vont échanger leur connexion avec C.
- Règles d’interconnexions branches reliées aux
contacts fixes ne peuvent être que des branches tensions (Elles
peuvent être ouvertes) et que la branche reliée au contact mobile C
est une branche courant (On ne peut connecter entre elles que
deux sources de nature différente).
- Réellement, le commutateur précédent est réalisé par un
groupement en étoile de semi-conducteurs fonctionnant en
interrupteur électronique comme indiqué sur la figure suivante:
-
Commutateur électronique à quatre voies
On parlera de voies plutôt que de positions et de pôles plutôt
que de contacts.
Pour réaliser la fonction commutateur si et seulement si:
- Entre deux commutations, un seul interrupteur est passant
- La commutation implique le changement d’état simultané et
complémentaire de deux interrupteurs et deux seulement
(toujours dans l’hypothèse de sources parfaites).
- L’étude du processus de commutation global dans la
majorité des convertisseurs statiques peut se ramener à l’étude de
l’aspect local de la commutation se déroulant dans la cellule de
commutation élémentaire suivante à deux voies isolée de la structure
globale du convertisseur:
Cellule de commutation élémentaire
Cellules de commutation élémentaires dans
les structures de base des convertisseurs statiques
Le hacheur L’onduleur de tension monophasé
L’onduleur de courant
monophasé
L’onduleur de
tension triphasé
L’onduleur de
courant triphasé
- La commutation est fondamentalement liée au
fonctionnement des deux interrupteurs de la cellule élémentaire
(Amorçage de l’un et blocage de l’autre). Ce qui représente l’aspect
local de la commutation. Cependant cette commutation présente
aussi l’aspect système lié au passage d’une séquence de
fonctionnement du circuit à une autre (Respect des règles
fondamentales d’interconnexions des sources).
- Lors de l’analyse du processus général d’une commutation, il
y’a lieu d’associer les deux aspects.
ASPECT LOCAL DE LA COMMUTATION
- L’aspect local de la commutation d’un interrupteur consiste à
observer les phénomènes accompagnant son changement d’état d’un
point de vue strictement local, c’est-à-dire limité au seul dipôle
constitué par le modèle électrique, plus ou moins complexe, de
l’interrupteur.
- L’étude des caractéristiques statiques et dynamiques des
Interrupteurs ainsi que les règles qui les lient font apparaître le lien
entre l’aspect local et l’aspect système de la commutation.
Régime statique
- L’analyse de chaque séquence élémentaire de fonctionnement d’un
convertisseur permet de localiser toutes les valeurs de Vk et Ik d’un
interrupteur de la structure et d’en déduire la caractéristique
statique qu’il doit posséder (Détermination de l’uni ou de la
bidirectionnalité en tension ou en courant et qui est insuffisante
pour identifier complètement le type d’interrupteur).
Régime dynamique – Mode de commutation
- L’étude du régime dynamique consiste à déterminer si la
commutation sera commandée ou spontanée (naturelle) tant pour
l’amorçage que pour le blocage lorsque le point de fonctionnement
passe d’un demi axe à l’autre de la caractéristique statique Ik=f(Vk).
- Commutation commandée d’un interrupteur
Un interrupteur est susceptible d’être commandé à l’amorçage
et/ou au blocage s’il possède une électrode de commande permettant
de provoquer son changement d’état de manière quasi instantanée.
«Si les points de fonctionnement statique imposés par la
séquence précédant la commutation et la séquence suivante se
trouvent sur deux demi-axes de mêmes signes, la commutation ne peut
être que commandée»
- Commutation spontanée d’un interrupteur
C’est le type de commutation se déroulant dans une jonction P-
N. Elle ne dépend que du circuit électrique extérieur.
«Si les points de fonctionnement statique imposés par la
séquence précédant la commutation et la séquence suivante se
trouvent sur deux demi-axes de signes contraires, la commutation ne
peut être que spontanée»
- Cycle de fonctionnement d’un interrupteur
Ce cycle représente l’ensemble des points de
fonctionnement de l’interrupteur mais aussi la chronologie de
parcours de ces divers points faisant ainsi apparaître les
mécanismes de commutation associés et donc l’identification
complète de l’interrupteur.
ASPECT SYSTEME DE LA COMMUTATION
- Si l’aspect local de la commutation se limite à l’étude des
phénomènes apparaissant aux bornes du seul dipôle constitué par
un interrupteur, l’aspect système concerne la manière dont doivent
fonctionner les deux interrupteurs d’une même cellule élémentaire
pour que la commutation s’effectue correctement en tenant compte
des contraintes électriques imposées par la séquence considérée du
convertisseur.
- Nous supposerons, dans un premier temps, les sources de
tension et de courant parfaites.
LOI FONDAMENTALE DE LA COMMUTATION
Cellule élémentaire avant et après la commutation
- On peut écrire en permanence:
( )
( )
1
21 2
1 2
1 2
v v V V V
i i I
k k
k k
- Avant et après la commutation, les états des deux interrupteurs sont
complémentaires. Les points de fonctionnement correspondants sur
leurs caractéristiques statiques sont définis comme suit (V et I >0).
- Pendant la commutation, les deux relations précédentes
doivent être constamment vérifiées. Sinon, risque de court-circuit de
la source de tension ou ouverture du circuit de la source de courant.
- Naturellement le problème de synchronisation, entre l’ouverture
de l’un des interrupteurs et la fermeture de l’autre, est résolu grâce aux
propriétés des interrupteurs électroniques. En effet, on remarque que
les caractéristiques dynamiques des deux interrupteurs se situent dans
deux quadrants adjacents. L’un de ces deux quadrants correspond à
deux demi axes de même signe (Quadrant I de K1) K1 doit obéir à un
mode de commutation de type commandé. Le deuxième quadrant
(Quadrant VI de K2), correspond à deux demi axes de signe contraire
K2 doit donc obéir à un mode de commutation de type spontané.
- En fait, c’est la commande de l’un des interrupteurs, soit à
l’amorçage, soit au blocage qui provoque la commutation spontané de
l’autre. Puisque la commutation spontané oblige le point de
fonctionnement à se déplacer le long des axes, le point de
fonctionnement de l’interrupteur commandé doit se déplacer dans le
quadrant correspondant suivant une caractéristique quasi-
rectangulaire comme l’indique la figure suivante:
-
Loi fondamentale de la commutation naturelle:
Dans une cellule élémentaire de commutation d’un
convertisseur statique, la commutation naturelle est provoquée par
le changement d’état commandé de l’un des interrupteurs entrainant
le changement d’état spontané de l’autre.
La commutation commandée de l’un des deux interrupteurs
de la cellule élémentaire peut être de deux natures:
* Commutation par commande à l’amorçage de l’interrupteur ouvert Ou
* Commutation par commande au blocage de l’interrupteur fermé
- La détermination des points de fonctionnement des deux
interrupteurs sur la caractéristique statique avant et après la
commutation, avec les signes réels de V et I, permet d’effectuer cette
distinction. On peut énoncer la règle suivante: Si le signe du courant
traversant l’interrupteur fermé avant la commutation est le même que
celui de la tension à ses bornes après la commutation, celui-ci doit être
commandé au blocage. Si ces deux grandeurs sont de signe contraire,
la commande à l’amorçage de l’autre interrupteur est nécessaire.
1er Cas:
- Le signe de V après l’ouverture est le même que celui de I avant
l’interrupteur doit être commandé au blocage.
2ème Cas:
- Le signe de V après l’ouverture est le contraire de celui de I avant
l’autre interrupteur doit être commandé à l’amorçage.
- Cependant, il est plus intéressant de rattacher le mode de
commutation au fonctionnement du convertisseur et aux formes
d’ondes qui en découlent.
- On appelle commutation positive lorsqu’elle entraîne un
accroissement du potentiel du nœud de commutation C et
commutation négative dans le cas contraire. Soit la figure suivante:
-
- Règle:
Si la commutation et le courant sont de même signe, il y’a
commutation par commande à l’amorçage de l’interrupteur ouvert.
Si la commutation et le courant sont de signe contraire, il y’a
commutation par commande au blocage de l’interrupteur fermé.
- Pour la commutation précédente, les cycles dynamiques des
deux interrupteurs K1 et K2 ont la forme suivante:
- 1er Cas:
- 2ème Cas:
Synthèse des interrupteurs de
la cellule de commutation
- L’étude précédente permet, pour une commutation donnée
et en connaissant le signe de V et le sens I, d’en déduire lequel des
deux interrupteurs de la cellule élémentaire, doit être commandé et
s’il doit être commandé au blocage ou à l’amorçage. Or le
fonctionnement d’un convertisseur statique étant composé de
plusieurs séquences successives constituant un cycle complet, il
est nécessaire de connaitre toutes les commutations susceptibles
d’être imposées à la cellule au cours de ce cycle. En déterminant le
cycle dynamique de chaque interrupteur pour les différentes
commutations imposées à chaque cellule de commutation
élémentaire du convertisseur, la synthèse des interrupteurs de la
cellule a ainsi été effectuée, l’identification et le choix de
l’interrupteur le mieux adapté en découlent
- Dans un premier temps, on appliquera cette méthode à
plusieurs cas de fonctionnement cycliques élémentaires que l’on
rencontre dans les structures de base des convertisseurs statiques. Ce
sont des fonctionnement à « cycle unique ». Dans un deuxième temps,
on traitera le cas de fonctionnement plus complexes, où le
convertisseur impose à la cellule de commutation élémentaire plusieurs
modes de fonctionnement, donc des cycles différents.
FONCTIONNEMENT A CYCLE UNIQUE
- Plusieurs convertisseurs ont un fonctionnement cyclique simple
où il y’a alternance des commutations:
*Pour une cellule à deux voies, après la commutation K1 K2,
il faut effectuer la commutation K2 K1 avec les nouvelles
conditions de signe de V et de I.
*Pour une cellule à plus de deux voies, les commutations se
succèdent cycliquement K1 K2, K2 K3, ….., Kn K1
1er Cas: V et I ne changent pas de signe entre deux
commutations
- Les deux commutations sont de signes contraires. Si la
première est positive, la seconde est négative ou inversement. Le
courant gardant le même sens pour les deux commutations, on aura
une commande à l’amorçage pour l’interrupteur bloqué et une
commande au blocage pour l’interrupteur passant. Il s’agit du même
interrupteur qui est commandé à chaque commutation, l’autre et à
amorçage et blocage spontanés. Les cycles dynamiques permettant
d’identifier les deux interrupteurs auront la forme suivante:
-
- La structure du commutateur est asymétrique (les deux
interrupteurs sont de natures différentes). C’est le hacheur dévolteur
non réversible.
2ème Cas: le sens du courant change entre deux commutations
- Le signe de V étant invariable, la source de courant est
bidirectionnelle et son courant est alternatif. Il se produit une
commutation à chaque demi-période.
- Supposons que la première commutation est > 0 (fermeture
de l’interrupteur relié au plus haut potentiel de C). Sil le courant est
positif commutation et courant sont > 0 il y’a
commutation à l’amorçage de l’interrupteur ouvert.
- La commutation suivante sera forcément négative (fermeture
de l’interrupteur relié au plus bas potentiel de C). Le courant aura
changé de sens commutation et courant sont < 0 il y’a
de nouveau commutation par commande à l’amorçage de
l’interrupteur ouvert. Les cycles dynamiques permettant d’identifier
les interrupteurs de la cellule auront la forme suivante:
-
- Les deux interrupteurs auront donc un amorçage commandé
et un blocage spontané, unidirectionnels en tension et
bidirectionnels en courant: C’est le thyristor en antiparallèle d’une
diode.
- On peut résumer les deux cas correspondant à un courant
positif ou négatif comme suit:
3ème Cas: Le signe de V change entre deux commutations
- La d.d.p V est alternative. Il se produit une commutation à
chaque demi-période. Les deux interrupteurs seront donc
unidirectionnels en courant et bidirectionnels en tension.
- Si le courant I est > 0 et si la première commutation est elle-
même positive (fermeture du point lié au plus haut potentiel), il y’a
commutation par commande à l’amorçage de l’interrupteur ouvert
(K1).
- Le signe de la tension V ayant changé, la commutation
suivante sera à nouveau positive et donc commutation par
commande à l’amorçage de l’interrupteur ouvert (K2) les deux
interrupteurs sont du même type : des thyristors. Ce qui est en
concordance avec les deux cycles précédents.
- Dans le cas où commutation et courant sont de signes
contraires, les interrupteurs, toujours unidirectionnels en courant et
bidirectionnels en tension, seront à blocage commandé et amorçage
spontané. Ceci peut être résumé par la figure suivante:
-
Commutation et courant de même Commutation et courant de
signe
signe Commande à l’amorçage contraire Commande au
(Redresseurs) blocage (Onduleur parallèle)
4ème Cas: Cellule de commutation polyphasée
- La cellule élémentaire comporte n interrupteurs (n>2)
groupés comme suit:
- Les interrupteurs Ki (i=1,…,n) seront:
- Commandés à l’amorçage et blocage spontané si le courant est >0 et la
commutation est >0 (Vj+1>Vj) ou si le courant est <0 et la commutation
est <0 (Vj+1<Vj) (Cas A).
- Commandés au blocage et à amorçage spontané si le courant est >0 et
la commutation est <0 (Vj+1<Vj) ou si le courant est <0 et la
commutation est >0 (Vj+1>Vj) (Cas B).
FONCTIONNEMENT A PLUSIEURS CYCLES
Cellule réversible
- Les cellules élémentaires étudiées précédemment ont toutes
un fonctionnement régulier et cyclique où les cycles dynamiques des
interrupteurs restent toujours les mêmes. Cependant, certains
convertisseurs ont un fonctionnement plus élaboré et les cellules
élémentaires le constituant doivent fonctionner sous des cycles
différents. Les interrupteurs de la cellule doivent être capables de
fonctionner suivant l’un ou l’autre des cycles dynamiques imposés à
la cellule.
- Exemple:
- Soit une cellule élémentaire de commutation à deux voies à
laquelle le convertisseur impose les conditions suivantes:
- Dans un premier temps, il y’a fonctionnement cyclique
de la cellule avec V constant et I > 0.
- Dans un deuxième temps, I s’inverse et devient <0.
-
- La cellule est asymétrique et réversible en courant.
- Applications: - Hacheur dévolteur réversible en courant
- - Onduleur de tension à modulation ±E
COMMUTATION COMMANDEE AU BLOCAGE
- L’étude précédente suppose l’existence de semi-conducteurs
commandables à l’amorçage ou au blocage couvrant des domaines
de puissance très étendu. Cependant, la commande au blocage
souffre d’un certain retard technologique par rapport à la commande
à l’amorçage.
- Lorsque les tensions et courants mis en jeu imposent
l’utilisation d’interrupteurs de gros calibres et qu’il s’avère
nécessaire d’utiliser le thyristor, il faut procéder à la modification de
la structure de la cellule de commutation pour pouvoir provoquer le
blocage spontané. Cette modification présente certains
inconvénients tel que l’augmentation du coût du convertisseur, une
limitation en fréquence due à l’allongement des durées de
commutation. Ce mode de commutation s’appelle Commutation
Forcée.
- Principe de la commutation forcée:
- La commutation forcée consiste à provoquer le blocage
spontané du thyristor par le biais d’un circuit auxiliaire ayant la
configuration de principe suivante:
- Le circuit auxiliaire de commutation est composé d’un
interrupteur K3 commandé à l’amorçage (En l’occurrence un thyristor) et
d’un condensateur préalablement chargé d’une tension initiale Vc0
d’amplitude et de polarité telles que le blocage spontané de K1 soit
possible lorsque K3 est commandé à l’amorçage.
- Lorsque K1 se bloque (blocage spontané quasi-instantané), la
continuité du courant est assurée par le condensateur C à travers K3. La
tension Vc aux bornes du condensateur évolue au cours du temps selon
l’équation suivante:
- Lorsque vK2 s’annule, il y’a commutation naturelle libre entre K3
et K2. K3 se bloque naturellement et K1 s’amorce tout naturellement. La
commutation du courant de K1 vers K2 est terminée.
v V VI
Ctk C2 0
.
- Le circuit de commutation précédent est très simplifié. Les
circuits de commutation complets seront étudiés dans le chapitre
consacré à la commutation forcée. Sauf qu’à partir de ce circuit,
quelques conclusions importantes peuvent être tirées, à savoir:
- - une plus grande complexité de la cellule de commutation
munie de son circuit d’extinction pouvant entrainer un
changement dans le fonctionnement global du convertisseur
considéré,
- - augmentation de la durée de commutation limitant la fréquence
de fonctionnement,
- - contraintes supplémentaires sur les interrupteurs,…
- INFLUENCE DE LA NATURE REELLE DES SOURCES
- L’étude précédente a été menée en considérant les sources de
tension et de courant parfaites. La commutation dans la cellule
élémentaire se déroulait en respectant les deux relations
suivantes:
( )
( )
1
21 2
1 2
1 2
v v V V V
i i I
k k
k k
- Les deux grandeurs (V1-V2) et I sont invariables à l’échelle de
la commutation ou très lentement variables.
- Cependant, une source de tension ne peut jamais être parfaite
et la présence d’impédance interne inductive, aussi faible que soit-
elle, ne peut être négligée au moment de la commutation. Ainsi, la
source de tension n’impose plus un potentiel V, mais un potentiel
v=V-l.di/dt. Le terme l.di/dt pouvant présenter une amplitude
élevée en régime transitoire rapide de courant (di/dt élevé).
- De même, une source de courant ne peut être jamais parfaite
et la présence d’une impédance interne capacitive, aussi faible que
soit-elle, ne peut être négligée au moment de la commutation. Ainsi la
source de courant n’impose plus un courant I, mais un courant I-
c.dv/dt. Le terme c.dv/dt ne peut être négligée que si c est faible et
que v est lentement variable. La représentation des sources de
tension et de courant imparfaites peut se faire comme suit:
-
- C’est le premier cas qu’on rencontre souvent dans la
conversion statique de l’énergie électrique. La nature des
générateurs et des récepteurs dont on contrôle l’échange d’énergie
est généralement constituée par des machines électriques, des
réseaux de distribution,…L’identification de certaines sources à des
sources de tension est une hypothèse souvent grossière. Cette
représentation peut être valable pour des régimes lentement
variables mais non en régime de commutation.
- La présence d’un terme inductif dans les deux branches
tension de la cellule élémentaire étudiée précédemment modifie
considérablement le déroulement de la commutation. Ainsi, la
commutation ne peut plus être instantanée. La somme des tensions
aux bornes des deux interrupteurs de la cellule n’est plus imposée.
On doit procéder à une nouvelle étude de la commutation avec les
conditions de la figure suivante:
- La règle établie précédemment concernant le mode de
commutation de la cellule par commande à l’amorçage ou par
commande au blocage a été obtenue à partir de l’état initial des
interrupteurs avant la commutation et de leur état final après la
commutation. Cette règle restera donc toujours valable. Elle précise
le seul mode de commutation qui puisse être envisagé pour les
interrupteurs de la cellule dans les conditions qu’impose le circuit.
Sauf qu’il faut maintenant étudier si la présence d’inductances
permet effectivement la commutation dans les deux modes de
commande envisageables, à savoir la commande à l’amorçage de
l’interrupteur ouvert et la commande au blocage de l’interrupteur
fermé.
Commande à l’amorçage avec
des sources de tension inductives
- Le déroulement de la commutation se déroule selon la chronologie
suivante:
-
- Etat initial: K1 ouvert, K2 fermé, Commutation et courant sont de
mêmes signes (Par exemple, v=V1-V2>0, I>0)
Commande à l’amorçage de K1 et blocage spontané
de K2 dans le cas de sources parfaites. Ceci est-il
possible avec des sources de tension imparfaites?
- La commande à l’amorçage de K1 implique son basculement
à l’état passant, mais les inductances l1 et l2s’opposent aux
variations rapides de i1 et de i2 Effondrement de la tension vk1
qui passe de v=V1-V2 à 0 K1 et K2 se trouvent tous les deux
conducteurs et on peut écrire:V l
d i
d tV l
d i
d t
i i Id i
d t
d i
d t
d i
d t
d i
d t
V V
l lk kk k
1 11
2 22
1 2 1 2
1 2
0
1 2
1 2
. .
- La commutation est terminée lorsque ik2 s’annule (Blocage
spontané de K2) et ik1 atteint la valeur I la commutation à
l’amorçage de l’interrupteur ouvert et blocage spontané de l’interrupteur
fermé dans le cas de sources de tensions inductives est possible avec
les conséquences suivantes:
- la durée de la commutation s’allonge et est
directement liée à l’importance des inductances.
- le potentiel du point C durant la commutation vaut
(V1+V2)/2 (Si l1 = l2)
- la commutation à l’amorçage est moins énergique que
dans le cas où les sources de tension sont supposées
parfaites (Effondrement d’abord de la tension, puis
ensuite augmentation du courant dans K1, on peut
parler de commutation douce)
- Ce type de commutation s’effectue avec empiètement
Commande au blocage avec
des sources de tension inductives
- Soit la cellule élémentaire suivante:
- Etat initial: K1 ouvert, K2 fermé, Commutation et courant sont de
signes contraires ((V1-V2)>0 et I<0) Commande au
au blocage de l’interrupteur fermé et amorçage spontané
de l’interrupteur ouvert dans le cas de sources de tension
parfaites. Ceci est-il possible avec des sources de tension
imparfaites?
- Une commande au blocage de K2 entraine une augmentation rapide
de la tension à ses bornes accompagnée d’un effondrement de la tension
aux bornes de K1. Mais K2 ne sera considéré comme bloqué que lorsque ik2
s’annule K2 conduit un courant sous pleine tension (Pertes). Le
problème qui s’ensuit est l’ouverture d’un circuit inductif Surtension
aux bornes de K2 lors de son ouverture.
- En conclusion, la commutation naturelle avec commande à
l’ouverture est inadmissible si les sources de tension sont inductives
(Même pour des valeurs faibles des inductances).
- Question: Quelle est la solution si la commande au blocage est
nécessaire pour le fonctionnement d’un convertisseur
donné?
- Elles sont de deux types:
- 1) Découplage de la cellule de commutation
- 2) Circuit de commutation forcée.
1) Découplage de la cellule de commutation
- Cette solution consiste à placer un condensateur au plus
près des bornes A1 et A2 de façon à limiter l’effet de la présence des
faibles inductances. C’est le cas de sources continues telles que les
batteries d’accumulateurs, le cas de sources alternatives capacitives
(circuit résonnant parallèle) ou même la sortie d’un filtre L-C. Le
condensateur de découplage assure la continuité immédiate du
courant installé dans l’inductance et la surtension à l’ouverture de
l’interrupteur est limitée à des valeurs acceptables.
- Cependant la commande à l’ouverture sera toujours plus
difficile à maîtriser que la commande à la fermeture.
2) Circuit de commutation forcée
- La découplage ne peut pas constituer toujours la solution.
L’utilisation d’un condensateur s’avère inapplicable lorsque les
inductances font partie intégrante de la structure physique des
sources (Machines électriques).
- On a recours à la commutation forcée pour réaliser la
commutation par commande au blocage lorsque celle-ci est
nécessaire au fonctionnement d’un convertisseur donné.
- Le principe de fonctionnement d’une cellule de
commutation munie d’un circuit de commutation forcée a été
annoncé auparavant où on a considéré que la source de tension est
parfaite. En est il de même lorsque cette source présente une
impédance inductive interne.
- Soit la structure élémentaire de la cellule de commutation
suivante :
-
- Le fonctionnement de ce circuit de commutation est le suivant:
1ère Séquence: Amorçage de K3 Blocage spontané quasi-instantané
de K1. Le condensateur se charge à courant constant.
Lorsque Vc atteint V K2 s’amorce spontanément.
La première séquence est terminée
2ème Séquence: L’amorçage de K2 crée un circuit oscillant constitué
par L,C et E. Au bout d’un quart de période ,
ce courant s’annule et K3 se bloque. La commutation
du courant de K1 vers K3 est terminée.
- Les grandeurs vk1, vk2 et le courant dans K3 évoluent en
fonction du temps de la manière suivante:
tLC
.
2
-
PROPRIETES FONDAMENTALES
DE LA COMMUTATION FORCEE
- Interrupteurs: - A amorçage commandé ou spontané et à
blocage spontané (Diodes et Thyristors).
- Contraintes de tension plus sévères
(V+VC0).
- Durée de la commutation: - Obstacle pour le fonctionnement à
haute fréquence des convertisseurs.
- Condensateur: - Dimensionnement réalisant compromis
entre sécurité (temps minimal
d’application de la tension inverse) et une
durée minimale de la commutation.
DUALITE DANS LES CONVERTISSEURS
STATIQUES
Introduction:
- L’existence de plusieurs structures de convertisseurs
statiques conduit tout naturellement de tenter d’établir des relations
entre ces divers structures d’une part, pour limiter l’étude de ces
structures aux principales et en d’en déduire le comportement des
autres et d’autre part, pour pouvoir rechercher de nouvelles
structures de convertisseurs.
- Les convertisseurs statiques sont constitués principalement
d’interrupteurs, d’éléments passifs et réactifs et de sources de
tension et de courant dont ils contrôlent l’échange d’énergie. Il existe
une relation de bijection qui associe à chaque élément possédant
certaines propriétés en tension (resp. en courant) un autre élément
possédant les mêmes propriétés en courant (resp. en tension). Cette
relation s’appelle la dualité.
- Les convertisseurs statiques étant constitués entre autres,
d’éléments interrupteurs, il est nécessaire de définir les éléments duaux
de ces interrupteurs.
Rappels sur la dualité des graphes et des circuits:
- Il existe des couples de grandeurs électriques duales (ou
corrélatives) qu’on peut énumérer comme suit:
- Coutant: Tension
- Résistance: Conductance
- Inductance: Capacité
- Impédance: Admittance
- Flux: Quantité d’Electricité
- Puissance: Puissance
- Energie: Energie
- La dualité s’applique aux graphes et circuits qui sont applicables sur le plan sans imbrication de branches (Cette imitation prend toute son importance dans le cas de convertisseurs polyphasés) .
- Deux graphes sont duaux si:
- il existe une relation biunivoque entre les mailles de
l’un des graphes, y compris la maille externe, et les
nœuds de l’autre graphe;
- à chaque branche B commune à deux mailles de
l’un des graphes est associée, dans l’autre graphe, une
branche B’ connectée entre les deux nœuds
associés à ces deux mailles.
- Deux circuits électriques sont duaux si:
- les graphes qui leurs sont associés sont duaux;
- les éléments placés sur les branches duales B et B’, appartenant à chacun de ces graphes sont duaux.
- L’exemple classique de deux circuits duaux est le suivant:
- Les équations caractérisant le fonctionnement de ces deux
circuits s’écrivent sous la même forme symbolique:
F p H p p H ppH p( ) . ( ) . . ( )
.. ( )
1
- F(p) et H(p) représentent respectivement la tension et le
courant dans le circuit a, et le courant et la tension dans le circuit b.
Obtention du circuit dual d’un circuit donné
- On obtient le circuit dual d’un circuit donné en marquant un
point dans chacune des mailles du circuit et un point à l’extérieur de
ce circuit correspondant à la maille externe. Chacun de ces points
représente un nœud du circuit dual. Entre chaque paire de points,
pour chaque branche commune aux deux mailles qui entourent ces
points, on insère une branche sur laquelle est placé l’élément dual
de l’élément placé sur la branche commune aux dites mailles.
- Exemple de circuits duaux:
-
- Lorsque la structure duale est déterminée, il faut définir les
signes des grandeurs duales. Pour cela, il faut orienter les branches
du circuit initial et d’en déduire une orientation des branches du
circuit dual. Dans l’exemple précédent, une fois définie l’orientation
des branches du circuit initial, on peut écrire la loi des mailles
comme suit:
-
où Vi désigne la tension aux bornes de la branche i.
Pour le nœud A, la loi des nœuds s’écrit par dualité:
Pour les nœuds B et C, on a:
- L’orientation des branches du circuit dual (b) est
directement déduite des 3 relations précédentes. Cette détermination
des signes des grandeurs duales est fondamentale lorsque les
circuits contiennent des éléments unidirectionnels.
V V V V
V V V
V V V V V
1 2 3 4
4 5 6
1 2 3 5 6
0
0
0
I I I I1 2 3 4 0' ' ' '
I I I
I I I I I
4 5 6
1 2 3 5 6
0
0
' ' '
' ' ' ' '
INTERRUPTEURS STATIQUES DUAUX
- La notion de dualité peut être étendue aux convertisseurs
statiques puisque ces derniers sont fondamentalement des circuits
électriques. Cependant, pour que cette dualité soit complètement
applicable, il est nécessaire de définir les éléments duaux des
interrupteurs usuellement utilisés dans la conversion statique de
l’énergie électrique.
- On peut contourner cette difficulté en déterminant, pour chaque
séquence de fonctionnement du convertisseur, le circuit électrique
dual correspondant en remplaçant les interrupteurs conducteurs par
des court-circuits et ceux bloqués par des circuits ouverts.
- Cette méthode présente une grave lacune puisque seul le
fonctionnement entre les commutations qui est pris en considération.
Ce qui permet de déterminer les caractéristiques statiques et d’occulter
les caractéristiques dynamiques des interrupteurs. Le tableau suivant
rassemble les interrupteurs usuellement utilisés et leurs duaux.
-
THYRISTOR DUAL
- Les interrupteurs à deux segments (Diode et Type «Transistor») sont
des interrupteurs qui sont leur propre dual. En revanche, pour les
interrupteurs à 3 segments, on remarque que lorsque ceux-ci ont un
amorçage et un blocage commandés, l’interrupteur idéal est
facilement identifiable, et que lorsqu’il s’agit de ceux à amorçage
commandé et blocage naturel (type «Thyristor»), l’interrupteur dual
correspondant n’existe pas sous forme discrète. Ce composant,
désormais associé à la nomination «Thyristor-dual», pourrait être
synthétisé à partir de composants ayant un amorçage et un blocage
commandé en transformant leur amorçage en naturel.
Synthèse du thyristor dual
- A partir des propriétés du thyristor, on peut définir les
propriétés que doit posséder le thyristor-dual avant sa synthèse
(Sans savoir à priori ses éléments constitutifs).
- Pour transformer l’amorçage commandé en naturel, on doit
réaliser un ET logique entre l’existence d’une commande à
l’amorçage et l’annulation de la tension aux bornes du composant.
Le blocage étant tel qu’il est, il ne sera actif que lorsque le courant
est positif. La commande au blocage sera inactive si le courant est
négatif (Tout comme la commande à l’amorçage du thyristor qui doit
être inactive lorsque celui-ci est soumis à une tension négative).
- Les pertes par commutation à l’amorçage du thyristor-dual
sont nulles puisque celle-ci s’effectue à tension nulle (Les pertes par
commutation au blocage du thyristor sont nulles puisqu’il se bloque
à courant nul).
- Pour protéger le thyristor contre des di/dt élevés et limiter
les pertes durant l’amorçage, on ajoute en série avec le composant
une inductance. Celle-ci ne nécessite aucune évacuation de l’énergie
électromagnétique durant le blocage puisque le thyristor se bloque à
courant nul. On en déduit que pour protéger le thyristor-dual contre
des dv/dt élevés au blocage et limiter ainsi les pertes durant cette
commutation, on doit placer un condensateur en parallèle du
composant.
- Le thyristor s’amorce tout naturellement si la tension à ses
bornes atteint ou dépasse la tension de retournement VM. On en
déduit que le thyristor-dual doit se bloquer lorsque le courant atteint
ou dépasse une valeur maximale IM. Cette propriété de disjonction
est une propriété très intéressante puisqu’elle constitue une auto
protection du composant.
- On peut rassembler les propriétés du thyristor et de celles
du thyristor-dual dans le tableau comparatif suivant:
-
* Conditions d’amorçage: * Conditions de blocage:
V > 0 + Commande à l’amorçage I > 0 + Commande au blocage
* Conditions de blocage * Conditions d’amorçage
I < 0 V < 0
* Auto-amorçage si V=VM * Auto-blocage si I=IM
* Courant maximal à l’état passant * Tension maximale à l’état bloqué
* Nécessité en protection en: * Nécessité en protection en:
di/dt > 0 à l’amorçage: L en série dv/dt > 0 au blocage: C en parallèle
* Diminution des pertes à l’amorçage * Diminution des pertes au blocage
- Le symbole utilisé pour représenter le thyristor-dual est le
suivant:
APPLICATION DES REGLES DE LA DUALITE
DANS LES CONVERTISSEURS STATIQUES
- La connaissance des éléments duaux des interrupteurs
usuellement présents dans les structures des convertisseurs
statiques permet la recherche de structures duales par application
des mêmes règles que celles utilisées dans le cas des circuits
linéaires. Cependant, la présence d’éléments unidirectionnels
nécessite la détermination de l’orientation des branches du circuit
dual préalablement au positionnement de ces éléments.
Recherche du convertisseur dual d’un convertisseur donné
- On se place toujours dans le cas de convertisseurs applicables
sur le plan sans imbrication de branches.
- Chaque branche du circuit initial est numérotée et orientée de
façon arbitraire. On procède ensuite à la détermination du graphe
orienté du circuit. On marque un point dans chaque maille adjacente de
ce graphe et un point quelconque à l’extérieur du circuit.
- A chacun de ces points, on fait correspondre un nœud du
circuit dual.
- Entre chaque paire de nœuds duaux, on insère la branche duale
correspondante à l’élément commun au deux mailles duales des dits
nœuds.
- Un sens de parcours dans les mailles du graphe initial étant
choisi, toutes les branches orientées dans ce sens ont des branches
duales orientées dans le même sens vis-à-vis du nœud dual de cette
maille.
- Le graphe dual ainsi obtenu étant orienté, on place sur chaque
branche l’élément dual correspondant. Comme les éléments
unidirectionnels sont définis par des caractéristiques courant-tension,
à une branche orientée dans le sens courant (resp. tension) de
l’élément qu’elle comporte correspond par dualité une branche
orientée dans le sens tension (resp. courant) de la caractéristique de
l’élément dual.
- Exemple: Recherche du convertisseur dual d’un hacheur
à thyristors à commutation forcée
-
HACHEURS
- Définition: Convertisseurs directs de type continu-continu.
Fonction: convertir et traiter l'énergie électrique dans des
structures ou n'apparaissent que des sources
continues (Avantages:Rendement et souplesse
meilleurs que ceux du contrôle rhéostatique).
- Analogie: Hacheur en continu et Autotransformateur en
alternatif.
A partir de V fixe, on obtient une tension variable de 0 à V:
Hacheur dévolteur ou > V: Hacheur survolteur.
- Principe: Ouverture et fermeture régulières d'un
interrupteur (Thyristor ou Transistor) permettant la
liaison ou la séparation d'une entrée (source
d'énergie) et d'une sortie (utilisation). Le réglage
relatif des temps d'ouverture et de fermeture
permet le contrôle de l'échange d'énergie.
- En général: Générateur source de tension E supposée
parfaite. Récepteur F.c.e.m Ec en série
avec une résistance de faible valeur Rc et
d'une inductance Lc (Machine à Courant Continu).
- L'entrée (Source de tension), Sortie (Source de courant) la
liaison sera de type directe.
Fonctionnement
- A t=0, Système au repos, tous les courants sont nuls.
- On ferme Tp, apparition d’un courant ic dans la maille
E, LC, RC et EC. ic croît exponentiellement et LC accumule de
l'énergie électromagnétique pendant le temps de fermeture de
T noté tf.
- On ouvre T, iC commute de T vers D (commutation
forcée au blocage de T). LC restitue l'énergie à EC et RC. iC décroît
exponentiellement. C'est la roue libre.
- Deux cas sont possibles:
* iC s'annule avant la nouvelle fermeture de T. Le système
revient au repos: Conduction discontinue.
* On ferme T avant que iC s'annule commutation de
iC de D vers T (Commut forcée): Conduction continue.
Fonctionnement du hacheur en conduction continue
- Au bout d'un certain nombre de périodes de fonctionnement,
le régime permanent s'établit et on aura un courant iC périodique de
valeur moyenne Icmoy et d'ondulation εIC:
-
V E R i Ld i
d t
E t
tC C C C CC f
. . p en d an t
p en d an t 0 0
VT
V t d t V t d t
TE dt E
t
TE
C C Ct
Tt
t f
MOYf
f
f
1
1
0
0
. ( ) . ( ) .
. . . .
VT
E dtT
R i d tT
Ld i
d td t
V E R I
C C
T
C C
T
CC
T
C C C C
MOY
MOY MOY
1 1 1
0 0 0. . . . . . . .
.
- = tf/T: le rapport cyclique.
=LC/RC: constante de temps de la charge
EC/E=a ; E/RC=Ik
- Si varie de 0 à 1 (tf varie de 0 à T ou t0 varie de T à 0)
VCMOY varie de 0 à E.
- Conservation de la puissance moyenne:
V
E
I
IaC C
k
MOY MOY ;
E I V I E I I IE C C C E CMOY MOY MOY MOY MOY MOY. . . . .
I
I
I
IaE
C
E
K
MOY
MOY
MOY ; .
Etude en valeurs instantanées
- Pendant tf:
- Pendant t0:
- L’étude du courant en régimes transitoire ou permanent peut
être réalisée à partir des deux relations précédentes.
- Soit IC0: Valeur maximale de ic(t)
- Soit I’C0: Valeur minimale de ic(t)
i i eE E
Re i
E E
Re
E E
Rm
tC
C
t
mC
C
tC
C
. . . 1
i i eE
Re i
E
Re
E
RM
tC
C
t
MC
C
tC
C
. . . 1
I I eE E
ReC C
t
C
C
tf f
0 01
. .
I I
E
Re
E
RC CC
C
tC
C0 0
0
.
- En remplaçant I’C0 par son expression dans IC0, on obtient:
- En remplaçant IC0 par son expression dans I’C0, on obtient:
- L’ondulation relative du courant aura pour expression:
I
I
e
e
aC
K
t f
T
01
1
I
I
e e
e
aC
K
t T
T
0
0
1
I
I
I I
I
e
e
e e
e
e e
e
C
K
C C
K
t t T
T T
f
T T T
0 0
0
1
1 1
1 1
1
1. ( )..
Procédé de réglage
- Pour faire varier la tension moyenne du hacheur, il faut faire
varier le rapport cyclique . Ceci nous amène à concevoir deux
procédés de réglage simples:
- Réglage à tf constant et T variable
- Réglage à T constant et tf variable
Influence du procédé de réglage
sur l'ondulation du courant
- Réglage à tf constant et T variable: Posons t0=T-tf:
I
I
e e
e
C
K
t tf
T
1 1
1
0
.
- La constante étant généralement >>T, tf est < T,
l'expression de l'ondulation relative du courant peut être approximée
par:
- Cette expression permet l'étude de l'ondulation réduite IC/IK
en fonction de T/ pour différentes valeurs de tf/.
I
I
t T t
T
t t
TC
K
f f
f f
1 1 1 1 1
1 1
1
. .
.
REMARQUES
- Pour T=tf, (=1) (cas impossible car t0 minimale de l’interrupteur et
son circuit de commutation), l'ondulation est nulle.
- Lorsque T/ augmente, IC/IK tend vers une limite asymptotique
- L'ondulation est maximale et presque constante pour les valeurs
élevées de T (fréquence faible). Ce qui correspond au domaine des
faibles tensions de sortie.
- L'ondulation sera d'autant plus faible que le temps de conduction tf
sera plus petit.
- CONCLUSION:Ce type de réglage est bien adapté au cas où la
tension de sortie doit prendre des valeurs très
faibles (quelques % de la tension d’entrée).
1
e
t f
- Réglage à T constant et tf variable: Prenons comme
paramètre de réglage le rapport cyclique =tf/T, l'ondulation relative
du courant aura pour expression en tenant compte que T<<:
- REMARQUES : Pour T donné, donc f, l'ondulation est nulle pour =0
et =1 (Cas impossibles: temps de commutation de l'interrupteur).
- L'ondulation passe par un maximum pour =0.5 c.à.d pour
une tension de sortie moitié de l'entrée. Elle a pour valeur:
I
I
T T
T
TC
K
1 1 1 1 1
1 1
1
. . .
. .
I
I
e
e
e
e
C
K
T
T
T
T
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
-
- L'ondulation diminue lorsque la fréquence augmente. En
particulier pour =0.5 et T<<, on aura:
Si F IC/IK
I
I
TC
K
4
- CONCLUSION:Ce type de réglage ne permet pas de fournir des
tensions de sortie faibles (Si F augmente, T tend vers 0 Vmoy=
(tf/T).E prend des valeurs assez grandes)
- Or, dans de nombreux cas, il est nécessaire de fonctionner
avec des tensions de sortie voisines de 0 (par exemple démarrage
d'une machine à courant continu).
- En pratique, on recombine ces deux procédés. Le premier
est utilisé pour démarrer avec une tension de sortie faible et une
fréquence de découpage faible.
- Une fois atteint le rapport cyclique minimal que l'on peut
ainsi obtenir, on passe à un réglage du deuxième type: la fréquence
de découpage est maintenue constante et on module le rapport
cyclique.
Conduction critique
- Dans ce cas, I'C0=0 sans discontinuité.
- La relation précédente permet de déterminer l'inductance
critique LC. De même, l'ondulation critique a pour expression:
- Les deux relations précédentes permettent de déterminer les
lieux critiques pour différentes valeurs de a fixant les limites de
validité des caractéristiques pour chaque type de modulation.
I
I
e
e
a e a eC
K
tT T
f
T
01
1
0 1 1
.
.
I
I
e
e
aC
K critique
t
T
f
1
1
2
Etude du fonctionnement en conduction discontinue
- En conduction discontinue, le courant iC s'annule avant
chaque remise en conduction de l'interrupteur T.
- On définit le rapport cyclique de conduction c par:
- Pour les valeurs maximale et minimale de ic, on peut écrire:
- En éliminant IC0 entre les deux équations, on aura:
cf et t
T
Vt
TE
T t t
TE E E
V
Ea V R I E
Cf e f
C C C
CC C C C C
MOY
MOY
MOY MOY
. . . .
. ; .
1
1
IV
R
E
R
I
I
V
E
E
Ea aC
C
C
C
C
C
K
C CCMOY
MOY MOY MOY . 1
I I eE
Re
IE E
Re
C C
tC
C
CC
C
e te
t f
0 0
0
0 1
1
. .
.
-
- A partir des trois relations précédentes de VCMOY, ICMOY
et C,
on peut définir entièrement le fonctionnement du hacheur en régime
de conduction discontinue en connaissant les caractéristiques de la
charge (a et ) ainsi que les paramètres de contrôle et T.
CARACTERISTIQUE DE SORTIE
- En négligeant RC (Résistance) en conduction discontinue, on
aura:
C
T
TLOG
e
a
.
.
11
IT
i d tT
i d tL T
E E t d tL T
E t t d t
IL T
E E t E t V ET
E dt E d tt
t
E E
E
C
t t
C
t
C e
t
C C f C e C C
t
C
te
f
C
C
MOY
f f e
MOY MOY
f
1 1 1 1
1
2
1
0 0 0 0
2 2
0 0
0
0
. . . ..
. . ..
. . .
. .. . . . . ;
-
- En conduction continue, RC=0 VCMOY/E= =a=EC/E
=a2(1/a-1)=a(1-a) .
- Pour ICMOY faible, on est en conduction discontinue. Lorsque ICMOY
augmente, on passe par la conduction critique vers la conduction
continue. Les caractéristiques VCMOY=f(ICMOY
) ou a=f() auront la forme
suivante:
IT L
E E tE E
Et
aV
E
E
E
L
T EI
L
T E
E
T L
E
Et
E E
E
E E
Et
C C fC
Cf
C CC
Cf
C C
Cf
MOY
MOY
MOY
1
2
2 2
21
2
2
2
2 2
. .. . .
.
..
.
..
. .. . . . ;
1 1 112 2 2
2
2
E
E
E
E
E
E
a
aou aC C
C
. . . .
-
- En conduction discontinue, VCMOY dépend fortement de ICMOY
Existence de la non linéarité dans le contrôle de VCMOY
STRUCTURES GENERALES DES HACHEURS
I] HACHEUR A LIAISON DIRECTE:
- Le hacheur est dit dévolteur
V E E R V EC C C CMOY MOY . ;0 0 1
II] HACHEURS A ACCUMULATION D'ENERGIE ELECTROMAGNETIQUE
- Le principe de fonctionnement de ces hacheurs nécessite la
présence obligatoire d'une inductance L.
- Le fonctionnement en deux temps de ce type de hacheur
consiste à:
* Dans un premier temps, la source de tension alimente une
inductance L qui stocke de l'énergie pendant le temps tf
* Dans un deuxième temps, l'énergie stockée est restituée à la
charge soit:
- directement: hacheur survolteur-dévolteur
- en série avec la source E: hacheur survolteur
Hacheur survolteur
- Dans le fonctionnement en hacheur dévolteur, la f.e.m de
l'inductance, pendant la conduction de l'interrupteur où la source et la
charge sont réunies, a le signe suivant:
- EC < E (diC/dt >0 car iC croît).
- Si on désire un fonctionnement
en hacheur survolteur, il faut
que le signe de la f.e.m aux bornes
de l'inductance ait un sens
contraire à celui précédent. Ceci
implique donc que le courant doit
décroître qu'on doit introduire
L en série avec la source E.
- On doit introduire une capacité C en parallèle de la charge
pour la transformer en une source de tension puisque la source E
en série avec l'inductance est une source de courant.
- Dans le cas où RC0 E'=EC.
- Pendant tf, on stocke de l'énergie dans L en fermant TP. On
bloque TP, l'inductance L se décharge avec la polarité suivante:
Pendant tf Pendant t0
E EC
.1
1
- Pour déterminer la valeur moyenne de la tension E', il suffit
d'utiliser la propriété que la tension moyenne aux bornes de
l'inductance est nulle.
- Lorsque T conduit, VL=E>0 (pendant tf)
- Lorsque T est bloqué, VL=(E-E')<0 (pendant to)
-
E'>E Hacheur survolteur
- Les caractéristiques de sortie VCmoy=f(ICmoy) ressemblent à
celles du hacheur dévolteur:
VT
E dt E E dtE
E
t
tL
t tf
MOY
f
1
0 10 0 0
0
. . .
Hacheur survolteur-dévolteur
- Principe de fonctionnement:
* dans un premier temps tf, on stocke de l'énergie
dans une inductance en la connectant à la source
* dans un deuxième temps t0, la source est
déconnectée et l'inductance restitue l'énergie accumulée à
la charge.
Structure du hacheur Pendant tf Pendant t0
- En régime permanent:
- Le montage est dévolteur pour tf/t0<1 et survolteur pour tf/t0>1.
- Cette structure est souvent utilisée pour obtenir un isolement
galvanique en utilisant un transformateur au lieu d'une inductance.
- Ce type de montage est utilisé aux faibles puissances et pour
une fréquence de fonctionnement élevée. La taille du transformateur
est très réduite. Ce sont les alimentations à découpage.
V E t E t =E
E
t
tL ff
MOY
. . 0
0
0
E
E
n
n
t
tf2
1 0
.
COMMUTATION FORCEE
- Dans le chapitre précédent (hacheur), l'interrupteur de puissance
TP devrait être commandable au blocage et à l'amorçage, c'est le cas du
transistor et du G.T.O. Pour un thyristor dont l'amorçage est
commandable, il faut transformer son blocage spontané en un blocage
commandé. Rappelons d'abord que pour qu'un thyristor initialement
conducteur se désamorce dans des conditions correctes, il faut:
1) Annuler son courant d'anode
2) Appliquer une tension inverse pendant un temps au
moins égal à tq (turn off)
Commutation naturelle - Commutation forcée
- Chaque fois que l'on dispose, dans le montage, de sources de
tension de signes et de valeurs telles qu'elles puissent assurer les deux
conditions ci-dessus, on dit que le montage fonctionne en commutation
"naturelle" ou "assistée".
- Par contre si, au moment où on désire effectuer une
commutation, il n'existe dans le montage aucune tension
susceptible de remplir les deux conditions précédentes, on doit
recourir à un circuit annexe dit circuit de "commutation forcée"
- Pour obtenir le blocage spontané du thyristor au moment
désiré, on va placer une maille de commutation auxiliaire qui
permet d'obtenir un blocage commandé.
1er principe d'extinction
- Vcomm doit avoir un signe tel qu'on puisse obtenir
simultanément l'amorçage de Ta et le blocage spontané de Tp
Vcomm doit être négative.
- Au moment de l'envoi de l'impulsion d'amorçage sur Ta, il y'a
circulation d'un courant inverse dans la maille auxiliaire. Supposons
que TP s'est bloqué, le schéma du montage devient:
- Il faut bloquer Ta et obtenir l'amorçage spontané de D. Pour
cela, il faut que V'comm soit négative.
- V'comm = E - Vcomm V'comm est > 0 car Vcomm < 0.
- Pour que V'comm soit < 0, il faut que Vcomm soit > à E. On ne
pourra obtenir cette condition que si Vcomm évolue et change de signe
en devenant plus grande que E. Prenons comme Vcomm un
condensateur.
- On suppose que ICH=Cte durant la commutation (T<<).
(fminimale= 300 Hz).
- Le thyristor TP est soumis pendant tinv à une tension négative
(inverse). Le temps tinv doit être supérieur à tq.
- C.VC0 ICH.tq (C.Vc0: quantité d'électricité stockée dans C)
- Variante: Au lieu de placer C en parallèle sur le thyristor, on
va le placer en parallèle sur l'ensemble source + thyristor:
- - Pour pouvoir bloquer TP lors de
l'amorçage de Ta (circulation
d'un courant inverse de maille
fictif en sens inverse de TP), il
faut que VC0>E lors de l'envoi
de l'impulsion sur Ta). - L'excédent de
tension par rapport à E qui permet de
bloquer TP est (VC0-E) C.
(VC0‑E)Ich.tq
- ICH.tq est le même pour les deux
variantes mais pour le deuxième montage, on a CVC0=CE+(CVC0-E). La
quantité d'électricité C.E est stockée dans le condensateur sans être utilisée.
Dans le premier montage, le condensateur fonctionne entre +VC0 et -VC0 avec
VC0E alors que dans le deuxième, le condensateur fonctionne entre 2E et 0
donc plus cher.
Deuxième principe d'extinction
- Pour provoquer l'extinction du thyristor
principal, on introduit en série avec celui-ci une f.e.m dont le sens
est tel qu'elle tende à faire circuler dans le thyristor un courant
inverse de celui à annuler. On dispose une inductance L dans la
maille source, thyristor, charge et c'est aux bornes de cette
inductance que l'on applique le condensateur de commutation.
- Si le condensateur est placé
directement aux bornes de L, il
faut que Vc0 soit > à E.
- Du point de vue du temps
d'application de la tension
inverse aux bornes du thyristor
principal, nous pouvons
toujours nous ramener au
premier principe d'extinction.
-Une fois la commutation
terminée, le condensateur ne
présente plus
la bonne polarité en vue d'une nouvelle commutation. Pour inverser
cette polarité, on utilise souvent des circuits oscillants.
-
- - La durée de la commutation
n’occupe en général qu'une
fraction très faible de la
période de fonctionnement
du convertisseur. L'étude du
fonctionnement global du convertisseur et du détail de la commutation
ne peuvent se faire avec la même échelle de temps.
- Pour palier à cette difficulté, on élimine le temps des équations
du circuit. On utilise l'espace d'état à deux dimensions qui permet de
représenter l'évolution de iL en fonction vC. Dans la plupart des cas,
l'inductance L et le condensateur C sont en série, on a iL=iC=C.dvC/dt. Il
y'a coïncidence (à un coefficient près) entre le plan d'état et le plan de
phase (vC, dvC/dt).
1
2
1
20 0
22
C V L I I VC
LC C. . .
ETUDE DE QUELQUES MONTAGES HACHEURS
Hacheur de WAGNER
- Conditions initiales:
Vc=Vc0< 0, IL=IL0=0,
TP conduit,
DP bloquée car TP conduit (VDp=-E),
Ta bloqué mais peut s'amorcer car VTa=-Vc=-Vc0>0,
Première Séquence:
On envoie une impulsion sur Ta, il s'amorce et on a le
schéma équivalent suivant:
- - Le régime final du circuit
oscillant formé par L et C est
(Vc=0, IL=0): C'est l'état final
vers lequel évoluera ce circuit
pendant un temps infini du fait
des pertes. Ces pertes peuvent être
négligées au niveau d'une période
(Amortis faible) du fait que la
résistance du circuit est négligeable).
- Tests à vérifier:
I
I
V
T
T
D
P
a
?
?
?
0
0
0
I I I
I I
V
T CH L
T L
D
P
?
?
0
0
0 ca r T co n d u itP
-
- Dés qu'un test est vérifié lors de l'évolution des variables
d'état, on arrive à la fin de la séquence avec de nouvelles conditions
initiales et on doit recommencer la même démarche pour les
séquences suivantes:
- Le courant crête dans le circuit oscillant sera:
- ÎL doit être supérieur à ICH.
- Une fois ITp s'annule, c.à.d IL atteint ICH, TP se bloque et on a alors:
- D restera bloquée tant que VC n'aura pas atteint +E c.à.d VD=0. On
aura donc la nouvelle séquence suivante:
1
2
1
20 0
22
C V L I I VL
CC C. . .
VC
LI V I
L
CC CH C CH0 0
T
T
V
P
a
D P
b lo q u é
co n d u c teu r
< 0?
V E V V Ldi
d tI CD C C
CHCH
te
P
0 0
0 0 ( ) . (
Deuxième Séquence:
- Tests à vérifier:
- On aura donc une charge à courant constant jusqu'à ce que
VC aura atteint E.
- La durée de l'application de la tension inverse aux bornes du
thyristor principal correspond à la durée pendant laquelle VC restera
négative puisque VTp=VC.
C II I
V VL CH
C C
.
0
0
T
T
D
P
a
P
b lo q u é
co n d u c teu r
b lo q u ée
-
- Lorsque VC aura atteint E, la diode DP s'amorce et on aura
une nouvelle séquence.
tC V
IV V Arc
I
I
I I tLC
kI
IV V Arc
kV
k
tC V
I
k
k
INVC
CHC C
CH
C
L C
C
CHC C C
INVC
CH
.. co s sin
. s in
. co s sin .
..
m ax
m ax
m ax
0
0 0
0 0 0
0
1
11
1
1
2
2
av ec
av ec
Troisième Séquence:
- TP restera bloqué tant qu'on l'amorce pas.
- Circuit oscillant avec comme régime forcé (E, 0).
- Le circuit changera de configuration lorsque ITa=IL 0.
- VC aura atteint . Le thyristor Ta se bloque et
on aura la configuration suivante:
C IV E
I IC
L CH
.
T est à v é rifie r:
b lo q u é
b lo q u é b lo q u ée
co n d u c trice
T
T D
D
P
a a
P
V E IL
CC CH .
-
- VDa est elle > 0. Da s’amorce et on a
un circuit oscillant formé par L, C, Da et E avec comme conditions
initiales:
b lo q u é
b lo q u é co n d u c trice
s ' am o rce t' e lle?
T
TD
D
P
a
P
a
V IL
CD CHa . 0
C I V E IL
CI
C CH
L
. .
0
Quatrième Séquence:- R.F du circuit oscillant (E,0)
- Da se bloquera lorsque le courant qui la traverse s'annule et qu'il
aura tendance à changer de sens. La tension aux bornes du
condensateur C aura atteint:
- Lorsque Da se bloque, cette séquence est terminée et C aura une
mauvaise polarité à ses bornes pour un nouvel blocage de Tp. La
configuration du circuit aura la forme suivante:
V E IL
CC CH .
-
- TP est prêt à s’amorcer si on lui envoie une impulsion sur sa
gâchette.
Quatrième Séquence:
- On envoie une impulsion sur TP; il s'amorce car VTp=E > 0
que le système aura la configuration suivante:
b lo q u é
b lo q u é
co n d u c trice
b lo q u ée
T V E
T V E E IL
CI
L
CD
D V
P T
a T CH CH
P
a D
p
a
a
0
0
0
. .
-
- DP se bloque presque instantanément car VDp=-E. Il y'a un circuit
oscillant formé par C, L, Da et TP qui permet de changer la polarité de
C avec comme VC0 final:
- L'évolution de VC(t) et de IC(t) correspond à:
V E IL
CC fina l CH0 .
-
- Conclusion:
Nous disposons d'un hacheur dont VC0 est plus petit que E
et que plus ICH est grand, plus VC0 sera petit donc le pouvoir de
coupure du hacheur sera faible.
HACHEUR DE MAC MURRAY
-
- On amorce Ta: il peut s'amorcer car VTa=-VC=-VC0 > 0 circuit
oscillant formé par Ta, C, L, TP.
- ITP=ICH
-IL
- Dés que IL atteint ICH, ITp s'annule TP se bloque (il faut
que VC0 soit > ICH(L/C) sinon la commutation sera ratée). TP se
bloquant, il risque de changer l'état des autres semi-conducteurs.
C IV V
I
T
D T
T
D T
C C
L
P
a P
a
P P
.
C o n d u c teu r
B lo q u ée ca r C o n d u c teu r
B lo q u é
B lo q u ée ca r C o n d u c teu r
00
0
I I tL C
I VC
LL L L C m ax m ax
sin ..
. av ec e t 1
0
- Da s'amorce t'elle ? VDa ? > 0; DP s'amorce t'elle ? VDp ? > 0
- Ta peut t'il se bloquer ? ITa ? vers 0
- On suppose que ni DP, ni Da conduisent qu'on aura
une charge à courant constant VDa = -VC = -VC0 > 0 Da
conduit DP reste bloquée TP reste bloqué.
- iDa = iL - ICH. Dés que iL atteint ICH, Da se bloque. Le temps
d'application de la tension inverse aux bornes de TP est t3-t2 (voir
figure suivante). Da se bloquant, elle risque de changer l'état des
autres semi-conducteurs.
b lo q u é
b lo q u ée p eu t e lle s ' am o rcer
co n d u c teu r: p eu t il se b lo q u er?
T
DD V
T
P
a
P D
a
p?
0
- VDp = - E - VCt3
. Si VDp > 0, c.à.d VCt3
> E, DP s'amorce. Sinon, VDp <
0 C.à.d VCt3 < E, on aura une charge à courant constant jusqu'à ce
que VC atteigne E.
- Supposons que VCt3 > E Dés que Da se bloque, DP s'amorce et
on aura un circuit oscillant formé par E, Ta, C et L. Ta se bloque
lorsque IT 0
- Si on amorce Ti pendant la roue libre qu'il n y'aura pas
d'apport d'énergie au circuit oscillant formé par L, C, Ti et DP.
- L'évolution de iL(t) et VC(t), avant l'inversion du signe de la
tension aux bornes du condensateur (pour qu'il soit prêt pour une
nouvelle commutation), correspond à:
V E IL
CC CHfina l .
-
- La représentation de iL(L/C) en fonction de vC, dans le plan de
phase est la suivante:
- Si on amorce Ti pendant la roue libre qu'il n y'aura pas
d'apport d'énergie au circuit oscillant formé par L, C, Ti et DP.
- Pour augmenter le pouvoir de coupure du hacheur par l'apport
d'énergie au circuit oscillant, on amorce Ti juste avant l'amorçage de
TP. Si désigne le retard d'allumage de TP sur Ti, doit être
inférieure à pLC de manière à augmenter la charge de C sans
pour autant détériorer les semi-conducteurs.
LES ONDULEURS
- La conversion de fréquence occupe actuellement une part
importante dans le domaine de la conversion statique de l’énergie
électrique. La variation de vitesse des machines à courant alternatif
en est l’un des domaines le plus important. Celle-ci consiste à
convertir le réseau triphasé à fréquence constante (50 Hz) en un
autre système triphasé à fréquence et tension variables.
- Cependant, il existe d’autres applications nécessitant une
conversion de fréquence, à savoir les alimentations sans
interruption, la récupération d’énergie dans le réseau triphasé à
partir de sources à base d’énergie renouvelable. Dans ce cas, il faut
convertir une source continue (de tension ou de courant) en un
système alternatif (monophasé ou triphasé) à fréquence constante.
Il y’a donc une conversion continue-alternative. Les puissances
mises en jeu peuvent aller de quelques dizaines de VA jusqu’à
quelques dizaines de MVA.
- Les convertisseurs de fréquence triphasés qu’on peut
rencontrer sont en nombre de quatre:
1er ) Le convertisseur de fréquence direct (Ou cycloconvertisseur)
Ce convertisseur est composé de trois convertisseurs de
courant bidirectionnels. La fréquence de sortie est limitée à 15 Hz.
Ce convertisseur est utilisé pour alimenter des moteurs
asynchrones ou synchrones de grande puissance et tournant à
basse vitesse. Ce type de convertisseur est abandonné en raison de
l’évolution spectaculaire des composants semi- conducteurs de
puissance et en particulier des transistors IGBT qui ont permis la
réalisation de ce type de conversion pour des puissances élevées à
des coûts très compétitifs et des commandes moins
encombrantes, facilement réalisables.
2ème) Le convertisseur de fréquence à circuit intermédiaire à courant
continu avec commutation naturelle.
Ce type de convertisseurs est constitué de deux
convertisseurs
de courant montés en cascade. L’un fonctionne comme
redresseur et l’autre fonctionne comme onduleur. Son circuit
intermédiaire est constitué d’une bobine permettant de lisser le
courant continu et séparer les deux convertisseurs. Certaines
conditions sont nécessaires pour le fonctionnement en commutation
naturelle de l’onduleur, à savoir l’existence d’une source de tension
triphasée permettant de produire de la puissance réactive.
Ainsi, ce type de convertisseur est utilisé pour alimenter des
machines synchrones ou pour réaliser une liaison élastique entre
deux réseaux électriques.
3ème) Le convertisseur de fréquence à circuit intermédiaire à courant
continu avec commutation forcée.
L’onduleur de ce type de convertisseur est muni des circuits
de commutation forcée. Par conséquent, ce type de convertisseur
est capable de fonctionner avec n’importe quelle charge
triphasée. Il est surtout utilisé pour l’alimentation des machines
asynchrones d’une puissance de quelques centaines de KVA
jusqu’à quelques MVA.
4ème) Le convertisseur de fréquence à circuit intermédiaire à tension
continu.
Ce type de convertisseur est constitué à l’entrée d’un
redresseur à diodes qui alimente le circuit intermédiaire à tension
continue constante. L’onduleur est constitué d’éléments
commandables à l’amorçage et au blocage ou de thyristors munis de
leurs circuits de commutation forcée. Ce type de convertisseur est
utilisé pour alimenter des machines asynchrones ou synchrones de
puissance de quelques KVA à quelques centaines de KVA.
- Les deux premiers convertisseurs faisaient partie de
l’enseignement du 1er module d’Electronique de Puissance.
- La structure ainsi que le mode de commutation des deux
autres seront abordés dans la suite du présent chapitre.
Principe de fonctionnement des onduleurs
- Un onduleur de tension permet d'imposer une tension ±E aux
bornes d'une charge quelque soit le signe du courant dans cette charge.
Ceci est obtenu par l'utilisation de deux hacheurs tête-bêche.
- A t=0, on amorce T1 VCH=+E et un courant s'établit dans la charge
avec une loi dépendante de celle-ci (exponentielle si la charge est
inductive (R+L)).
- A l'instant t=t1, on ouvre T1. Si la charge est inductive le courant ne
peut pas varier instantanément, D2 s'amorce VCH=-E.
-
- Pendant que D2 conduit, T2 ne peut pas s'amorcer car VT2=-VD2<0.
Dés que le courant s'annule, on peut amorcer T2. La phase de t1 à t2
correspond à un envoi de l'énergie de la charge vers la source et c'est
une phase de récupération.
- Si on amorce T2 juste au moment où le courant s'annule, on
aura une "commande adjacente" (En pratique, on envoie le signal de
gâchette sur T2 dés l'instant t1 pour s'assurer que dés que le
courant s'annule, le thyristor T2 s'amorce).
- Si au lieu d'envoyer le signal de gâchette à l'instant t1, on
l'envoie après l'annulation du courant dans la charge, on aura une
"commande disjointe". L'instant t2 dépendra de la charge et que
celle-ci interviendra sur la tension de sortie.
-
- Dans la plupart des cas, la source continue est unique et cela
conduit à la structure en pont.
- On envoie sur T1 et T4 des signaux complémentaires. De
même, on envoie sur T2 et T3 aussi des signaux complémentaires mais
décalés de r par rapport aux précédents.
- A t0=0, iCH=0, VCH=+E. De t0 à t1, T1 et T2 conduisent, iCH > 0
et VCH=+E. A l'instant t1, on ouvre T2. Si la charge est inductive, le
courant ne peut pas varier instantanément et c'est la diode D3 qui
s'amorce. La tension VCH=0 et c'est la phase de roue libre.
- A tout instant de cette phase de roue libre, on peut passer à une
phase de récupération en ouvrant T1 et c'est D4 qui se met à conduire.
La tension VCH devient négative et égale -E. Cette phase se termine
lorsque le courant s'annule (instant t3) et c'est T3 et T4 qui se mettent à
conduire.
- Phases de roue libre : t1 - t2; t4 - t5
- Phases de récupération : t2 - t3; t5 - t6
- A l'instant t4, on ouvre T3 et c'est D2 qui se met à conduire et
c'est la deuxième phase de roue libre.
- A tout instant de cette phase, on peut ouvrir T4 et c'est D1 qui
se met à conduire.
- On dispose d'une tension E; 0; -E
- Si r=0, on aura une tension E, -E
ONDULEUR MAC MURRAY
- Les circuits d'inversion de polarité des condensateurs de
commutation ne sont plus indispensables car, lorsque un thyristor a
commuté, la tension aux bornes du condensateur a changé de polarité
et il se trouve qu'il est prêt à commuter l'autre thyristor du même bras.
Chaque fois qu'il y‘ a une diode tête-bêche sur un thyristor, il faut
- installer une inductance pour protéger les composants contre les forts
gradients de courant.
- Le coefficient de qualité L/r est en général de l'ordre de 10.
- Sur une demi-période, la chute de tension est de l'ordre de VC=15%
(r: résistance des composants+celle du circuit oscillant L, C).
QL
r r
L
C
1
-
- On remarque que plus ICH est important, plus l'apport d'énergie de la
source E vers (L, C) est important donc auto-adaptativité.
ONDULEUR EN PONT TRIPHASE
- Avant d'étudier les onduleurs triphasés, reprenons
l'onduleur monophasé selon une méthode que nous généraliserons
facilement à l'étude des ponts triphasés.
V V V V V V V V V V VCH A B A M M B A M B M
-
ONDULEUR EN PONT A COMMANDE DISJOINTE (TYPE 120°)
- Chaque thyristor est commandé pendant 120°. Il y'a donc un
trou de 60° entre les commandes de deux thyristors d'une même
verticale d'où le nom de "commande disjointe". Les commandes
des thyristors d'une verticale sont décalées de 120° par rapport aux
thyristors de la verticale voisine.
SCHEMA DE L’ONDULEUR
-
ONDULEUR EN PONT A COMMANDE ADJACENTE
- Dans ce cas, chaque
thyristor est commandé
pendant 180°. Les comm-
-andes de deux thyristors
d'une même verticale
sont adjacentes alors que
les commandes des
thyristors d'une verticale
sont décalées de 120°
par rapport aux thyristors
de la verticale voisine.
-
puisque n (Charge équilibrée).
- On impose à tout instant, la tension de sortie quelque soit la
charge. La tension entre phases est identique à celle d'un onduleur
monophasé à commande décalée avec r=60°. D'où un minimum
d'harmoniques et suppression de l'harmonique 3.
V V V
V V V
V V V
VV V V
AN AO ON
BN BO ON
CN CO ON
NOAO BO CO
3
V V VAN BN CN 0
convertisseur de fréquence à circuit intermédiaire
à courant continu à commutation forcée
- Ce type de convertisseur consiste à redresser le réseau
triphasé par un redresseur triphasé commandé en pont. Le courant
continu Id ainsi obtenu, circulant dans le circuit intermédiaire
constituée d’une inductance Ld, est imposé relativement sur deux
phases de la charge (par exemple stator d’un moteur asynchrone) au
moyen d’un onduleur à commutation forcée. Les condensateurs C
servent à bloquer les thyristors de l’onduleur. Celui-ci est à extinction
par séquence de phase. La bobine Ld sert à lisser le courant continu Id
et prend en charge la différence entre les tensions instantanées udI et
udII respectivement du redresseur et de l’onduleur. Le schéma de
principe est le suivant:
-
-
LES ALIMENTATIONS A DECOUPAGE
- INTRODUCTION
- Une alimentation a pour fonction de délivrer des tensions
continues (5V, +12V, -12V,...) pour alimenter des circuits
électroniques et ce à partir d'un réseau alternatif (220V, 50Hz) ou
continu.
- Longtemps, on utilisait les alimentations à régulation linéaire.
Elles se composent généralement:
- d'un transformateur fonctionnant à la fréquence
secteur (50Hz) permettant d'adapter les niveaux de
tension et d'assurer l'isolement galvanique
- d'un redresseur à diodes
- d'un filtre LC.
- La régulation de la tension de sortie s'effectue par le biais
d'un transistor fonctionnant en régime linéaire (appelé Ballast).
- La tension VCE, aux bornes du transistor, évolue de manière
à maintenir aussi constante que possible la tension de sortie
malgré les variations de la charge ou de la tension d'entrée.
- Le schéma synoptique de ces alimentations est le suivant:
- Ces alimentations présentent plusieurs inconvénients:
- le rendement global de l'ensemble ne dépasse
guère 60%. Ceci est du essentiellement aux pertes dans le
transistor Ballast car il y'a existence simultanée de
VCE et IC
- le transformateur est encombrant car il travaille à
fréquence faible (50Hz).
- Par contre, ce type d'alimentation présente l'avantage d'être
simple à réaliser.
- Ces inconvénients ont incité les utilisateurs ainsi que les
industriels à concevoir d'autres types d'alimentation ayant un bon
rendement et présentant un faible encombrement.
- Ceci a été rendu possible grâce aux énormes progrès réalisés
ces dernières années dans le domaine des transistors de puissance:
- d'une part dans le domaine théorique de leur
fonctionnement et dans celui de leurs technologies de
réalisation. Ces nouveaux transistors peuvent
commuter rapidement de l'état conducteur à l'état bloqué et
vice-versa avec la possibilité de les alimenter directement
sous haute tension secteur.
- d'autre part, dans la connaissance de leurs mécanismes de
défaillance qui a permis la résolution d'un problème majeur
qui est leur protection contre les court-circuits ou surtensions
occasionnelles.
- Ces transistors de puissance permettent de concevoir et de
réaliser aujourd'hui des alimentations peu encombrantes, bon
marché et ayant un bon rendement et ce en les faisant fonctionner en
commutation à fréquence élevée (20kHz pour le transistor bipolaire
et au delà de 50kHz pour le M.O.S de puissance). La tension continue
d'entrée est "découpée" et un transformateur haute
fréquence permet d'adapter les niveaux de tension et de réaliser
l'isolement galvanique. Ce composant joue un rôle très important
dans la réalisation d'une bonne alimentation à découpage. En effet, il
permet d'isoler les parasites du réseau qui peuvent avoir une
influence nuisible sur le circuit à alimenter (par exemple les
téléviseurs). Le schéma synoptique d'une alimentation à découpage
correspond à:
- Ce type d'alimentation présente plusieurs avantages par
rapport aux alimentations à régulation linéaire:
1) un meilleur rendement dû aux faibles pertes dans
l'interrupteur. Ces pertes surviennent durant la conduction (VCE
faible), durant le blocage (IC faible) et durant les commutations.
2) un encombrement réduit grâce à l'utilisation des
transformateurs haute fréquence à noyau en ferrite.
Ve=K.N.S.F.BM avec N: Nombre de spires, S: Section du noyau,
F: Fréquence, BM: Induction maximale.
- L'augmentation de F permet de réduire la section du noyau et le
nombre de spires (malgré une induction maximale faible dans les
ferrites).
- Par contre, elles présentent l'inconvénient dû à la pollution du
milieu environnant par l'émission électromagnétique ainsi que la difficulté
de la réalisation pratique (régulation, protection de l'interrupteur, nécessité
de composant rapide et composants réactifs à faibles pertes).
DIFFERENTS MODELES
- Il existe de nombreux modèles d'alimentation à découpage qu'on
peut classifier comme suit:
- les alimentations non isolées du secteur: ce sont les montages
hacheurs
- les alimentations isolées grâce aux transformateurs à noyau en
ferrite.
- Ces dernières peuvent être classées en deux familles et font appel
à plus ou moins de composants et permettent d'obtenir des puissances
plus ou moins importantes avec des régulations plus ou moins parfaites.
1) Les convertisseurs à accumulation ou en phase bloquée
également appelées séries indirectes ou "FLY-BACK"
L'énergie est stockée dans le transformateur sous forme d'énergie
magnétique pendant la phase de conduction du transistor et à
cause de la polarité du secondaire et de la présence d’une
diode D, le courant secondaire est nul. Par contre, pendant la
phase de blocage du transistor, l'énergie magnétique stockée
dans le transformateur est transmise à la charge à travers la
diode D et le condensateur de filtrage. Un entrefer relativement
grand est donc nécessaire dans le noyau en ferrite afin d'éviter
la saturation.
- Ces alimentations sont les plus simples et les moins
onéreuses à réaliser. Elles sont réservées, pour les faibles
puissances (<200W), pour des tensions de sortie supérieures à 10V
et conviennent pour les applications réclamant des tensions de
sortie multiples.
2) Convertisseurs séries-directes ou à phase passante
également appelées "FORWARD"
- L'énergie est transmise à la charge pendant la phase de
conduction du transistor et une partie est stockée dans une
inductance de lissage L. Le schéma synoptique d'une telle
alimentation est le suivant:
- Pendant la phase de blocage du transistor TR, l'énergie stockée
dans L est fournie à la charge (D2 conductrice, D1 bloquée). L'énergie
restante dans le circuit magnétique est d'autre part renvoyée au circuit
d'entrée grâce à l'enroulement de démagnétisation formé par D3 et N3.
- L'entrefer du circuit magnétique du transformateur doit donc
être très faible de façon que l'énergie de magnétisation soit aussi
faible que possible.
- Pour l'inductance de lissage L, elle est en général traversée
par un courant important. Sa valeur doit être faible de façon à ce
qu'elle ait un bon comportement vis à vis des variations rapides de la
charge et en même temps, il est préférable qu'elle ait une grande
valeur de façon à avoir un bon comportement de l'alimentation à faible
courant de charge.
- Ces deux exigences étant contradictoires, on utilise des
inductances non linéaires qui se saturent dés que l'induction dans le
noyau atteint un certain niveau.
- Dans ce type d'alimentation, on a un bon filtrage réalisé par L
et C et les puissances peuvent aller de 100W à 1kW.
FLYBACK
- Les alimentations à découpage type FLYBACK peuvent
fonctionner selon deux façons différentes:
-fonctionnement avec démagnétisation complète ou
incomplète.
FLYBACK à démagnétisation complète:
- Dans ce type de fonctionnement, le courant secondaire iD a le
temps de s'annuler avant la nouvelle mise en conduction du transistor
TR, c'est à dire que le transformateur se démagnétise complètement
avant une nouvelle accumulation d'énergie.
- L'évolution des différentes grandeurs au cours du
fonctionnement de l'alimentation est la suivante:
-
- Détermination la fonction de transfert VS=f(E). On prend =ton:
La puissance PS représente la puissance minimale que
doit fournir la source E.
- VS ne dépend pas de N2/N1.
- VS est une fonction de la charge RCH. Donc on a pas réalisé
une source de tension mais plutôt une source de puissance qu'il
est nécessaire d'avoir une régulation.
PV
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CH
2
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FLYBACK à démagnétisation incomplète:
- Dans ce type de fonctionnement, le transistor est remis en
conduction avant que le courant ne s'annule dans le secondaire. De
ce fait, le transformateur ne se démagnétise jamais complètement.
La forme des courants i1(t) et i2(t) et de la tension VCE(t) sur la figure
précédente correspondent à:
