ENP-VAR.VIT-1_AI-ZEGRARI[1].pdf

LECTRONIQUE DE PUISSANCE&

VARIATION DE LA VITESSE

Notes de cours

Prof. Mourad ZEGRARI

UNIVERSITE HASSAN 1er SETTATFacult des Sciences et Techniques Licence Professionnelle : Automation Industrielle

Electronique de Puissance M. ZEGRARI 2

Contenu

Chapitre 1 : Commande des machines lectriques.

Chapitre 2 : lectronique de puissanceConvertisseurs statiques : Redresseurs -Gradateurs - Hacheurs - Onduleurs.

Chapitre 3 : Variateurs de vitesse.Variateurs pour moteurs courant continu, variateurs pour moteurs asynchrones.

STRUCTURE DE COMMANDEDES MACHINES LECTRIQUES

Chapitre 1


Structure de commande

Larchitecture de base dune structure de commande des machines lectriques est la suivante :

nergie lectrique

Convertisseur Statique

Unit de Commande

Contrle Courant / Couple Contrle

Vitesse

Systme de commande

Charge mcaniqueM

Rgulation CommandeConsigne


Entranement lectromcanique

Le moteur exerce un couple moteur Tm sur la charge.La charge mcanique exerce un couple rsistant Tr sur le moteur.

Lquation fondamentale de lentranement est :

Moteurd'entranement

Couple Moteur Tm

Couple Rsistant Tr

Vitesse de Rotation

Charge mcaniqueentrane

=

Tm : couple moteur.Tr : couple rsistant.J : moment dinertie des parties tournantes.d/dt : acclration angulaire.


Moteurs dentranement

Caractristiques couple-vitesse des moteurs lectriques :Tm

n

Tmn

Tmax

(a) : Moteur Synchrone.

Tm

n

Tmn

Tmax

Tmd

(b) : Moteur Asynchrone.

TmaxTmn

n(c) : Moteur CC - Excitation spare.

n

Tmn

(d) : Moteur CC - Excitation srie.

TmTm

Tmax


Charges mcaniques entranes

Caractristiques mcaniques des charges usuelles :

Tr

(a) : Type frottement visqueux.

Tr

(c) : Type "couple constant".

(d) : Type "puissance constante"

Tr

(b) : Type frottement sec.

Tr


Stabilit dun entranement

Un entranement est en d'quilibre stable si toute variation de la vitesse , autour du point d'quilibre, fait apparatre un couple permettant de ramener l'entranement au point d'quilibre initial.

Tm

q

Tr

A

(a) : quilibre stable.

Tm

q+

A'

Tm

q

Tm

B

(b) : quilibre instable.

Tr

q+

B'

A" B"


Commande - Rgulation

On distingue deux techniques de commande :

Commande par Rgulateur PID La technique est simple et accessible. Les actions sont correctives : contraintes de dtection

(capteurs) et de temps de rponse (algorithme de rgulation). Le paramtrages des actions P, I, D nest pas efficace.

Commande prdictive par Modle. Les actions sont prventives (temps de raction rduit). Commande possible sans capteur, Diagnostic qualitatif. Phase de modlisation relativement complexe.


Capteurs

Les types de capteurs industriels sont :

Capteurs Tout Ou Rien Rgulation seuils. Procds niveaux logiques : lectrovannes, chauffage

domestique, remplissage de rservoirs.

Capteurs Linaires Rgulations continues. Procds contrle continu : vitesse, pression, dbit,

chauffage industriel. Capteurs : 4-20 mA, tachymtres, encodeurs.


Source de lnergie lectrique

La source dalimentation en nergie lectrique peut tre continue ou alternative :

nergie lectrique

Moteur Asynchrone

ConversionAC-ACSource CA

Source CC

+

-

ConversionAC-DC

Moteur Courant Continu

ConversionDC-DC

Moteur Courant Continu



Convertisseurs statiques

nergie lectrique

Moteurs Courant Continu

ConversionAC-DCSource CA

Source CC

+

-

ConversionAC-AC


ConversionDC-DC


ConversionDC-AC

Moteurs Courant Alternatif

Redresseurs

Gradateurs

Hacheurs

Onduleurs


Convertisseur AC-DC : RedresseurAlimentation des moteurs CC, chargeurs de batterie.

Convertisseur DC-DC : HacheurVariation de vitesse des moteurs CC, fonctions dinterrupteur, alimentations dcoupage.

Convertisseur DC-AC : OnduleurProduction des tensions alternatives, protection contre les surtensions et les coupures du rseau, variation de vitesse des moteurs CA.

Convertisseur AC-AC : GradateurVariation de la frquence, production de vitesse variables (levage, machine-outil, etc.)

Classification des convertisseurs


Rversibilit des convertisseurs

Convertisseur rversibleLnergie transite de manire bidirectionnelle.

Convertisseur non rversibleLe transfert de lnergie seffectue dans un seul sens :

Source ChargeConvertisseurnon rversible

nergie

Source Charge

Convertisseurrversible

nergie

Source Charge

CONVERTISSEURS STATIQUES DE LELECTRONIQUE DE PUISSANCE

Chapitre 2


Constitution

Un convertisseur statique comporte essentiellement : Des interrupteurs lectroniques de puissance qui contrlent

lcoulement de lnergie lectrique. Des lments passifs L, C pour le stockage temporaire de

lnergie.

ChargeSource

Interrupteurslectroniques

+lments L, C

iS iC

vS vC

Commande



Dispositifs semi-conducteurs Diodes Thyristors Transistors (BJT, MOSFET, IGBT)

adapts aux dispositifs de puissances Courants et tensions levs Phnomnes de commutation

Composants de puissance


Diode : Structure et caractristiques

Anode

Cathode

A

K

P

N

Constitution Symbole

A

K

VAK

A

Commutation Amorage : VAK > V0 Blocage : A = 0

Caractristique v-i

A

Conduction directe

VAK

Claquage Blocage en inverse

S

Courant de fuite S

Chute de tension V0


G K

Anode

Cathode

A

PN

N NP

GchetteK

A

VAK

A

GG

SymboleConstitution

Thyristor : Structure et caractristiques

R

A

VAK

Conduction directe

TM

H

VTM VBOIBR

VRRMVR

Blocage en inverse

Blocage en direct

SCR

K A G

Claquage en direct

Claquage en inverse Commutation

Amorage : VAK > 0 ET G 0. Blocage : A < H OU VAK < 0.


Thyristor GTO

Le thyristor GTO (Gate Turn Off thyristor) est une variante du thyristor rapide qui prsente la particularit de pouvoir tre bloqu par sa gchette.

Pour maintenir le GTO conducteur et limiter la chute de tension, le courant de gchette doit tre maintenu. Le blocage seffectue en inversant la polarit du courant de gchette.

Le GTO est utilis sur les convertisseurs fortes valeurs de tensions et dintensits (jusqu 5 000 V et 5 000 A). Cependant, en raison des progrs des IGBT, leur part de march tend samenuiser.


Transistor bipolaire (BJT)

Collecteur

metteur

C

B

N

NP

E

Base

E

C

VCE

C

BB

Caractristique v-i

Conduction en direct

Blocage en direct

SymboleConstitution

Commutation Amorage : VCE > 0 ET B 0. Blocage : B = 0 OU VCE < 0.


Transistor MOSFET : Structure

Commutation Amorage : (VDS > 0 et VGS > 0) OU VDS < 0. Blocage : VDS > 0 ET VGS = 0 ou ngative.

Caractristique v-i


Blocage en direct

Conduction en inverse

VDS

D

GSS

D

G

Constitution Symbole

S

D

G

N-N+

SourceGrille

Drain

N+P P

N+


Transistor IGBT : Structure

C

G

E

E

G

C

C

G

E

C

G

metteur Gate

Collecteur

E


Blocage en direct

Commutation Amorage : VCE > 0 ET VGE > 0. Blocage : VGE = 0 OU ngative.


Synthse des interrupteurs statiques

Amorage

BlocageSpontan Command

Spontan Diodes Thyristors

Command Thyristor dual

Transistor Thyristor avec circuit

dextinction

!


Convertisseurs statiquesConversion AC-DC


RedresseurPrincipe

Conversion dune source AC en une source DC :

RedresseurSourcealternative

Charge

vca vcc

PartieCourant Alternatif

PartieCourant Continu

Ces convertisseurs comportent des interrupteurs (diodes, thyristors) suivis de filtres LC pour attnuer les ondulations de la conversion.


Grandeurs

Performances

Redressement Monophas : PD1Charge rsistive

D1

R

iS

iCC

iD1

Tr

vCCvS

D3

D2 D4

ip

vp

D2 D3D1 D4

iD1, iD4

t 2

vS

vCC

t

vCC(moy)

iCC

tiCC(moy)

t

pcc = vcc icc

pCC(moy)

iD2, iD3

D1 D4

=

pi

= =

pi

=

=

"


Redressement Monophas : PD1Charge trs inductive

=

pi

D1

R

iS

iCC

iD1

Tr

vCCvS

D3

D2 D4

ip

vp

L

Charge trs inductive D1 D4

t

conduction

iCC

t

iCC(moy)

vCC

t

vCC(moy)2

2

D1 D4D2 D3

La tension vcc est doublement redresse.

Le courant icc est pratiquement constant.

=

iD1

iS

t


Redressement Triphas : PS3Charge trs inductive

La tension moyenne de la charge est :

Les ondulations du courant dans la charge sont ngligeables :

( )

=

pi

D1ia

icc

A

vcc

D2 D3vAN

vBN

vCN

B

C

ibic

NSource

triphase quilibre R

L

Charge trs inductive

D2D1

t

vAN

2

vCC

t

vCC(moy)

iCC

t

iCC(moy)

t

D3

vBN vCN

t

tia

ib

ic( ) ( )

==


Redressement Triphas : PD3Charge rsistive

La tension vcc est compose des sections les plus positives et les plus ngativesde la source : vcc = vXN - vYN

D1

R

ia

icc

A

vcc

D2 D3vAN

vBN

vCN

B

C

ibic

NSource

triphase quilibre

t

vAN

2

t

vXN

t

vBN vCN

tia( ) =

pi

D4 D6D5

vYN

vCC(moy)vCC = vXN - vYN

X

Y

( ) ( )

=


Redressement command Principe

Llment redresseur est un thyristor amorc partir dun circuit dallumage ;

La tension obtenue est continue et rglable.

Structures Redressement simple ou double alternance ; Source monophase ou triphase ; Emploi dun pont tout thyristors ou mixte.


Redressement Command : PD1Charge rsistive

T1

R

iS

icc

Tr

vCCvS

T3

T2 T4

ip

vp

Charge rsistive

Circuit dallumage

G1 G2 G3 G4T2T3T1T4

t 2

vS

vCC

tvCC(moy)

iCC

tiCC(moy)

T1T4

( ) [ ]+pi

=

( ) ( )

=

Langle de conduction est :conduction = pipipipi

Les valeurs moyennes de vcc et icc sont :

iT1

iS

t

t


Redressement Command : PD1Charge trs inductive

T2T3T1T4

t 2

vS

vCC

tvCC(moy)

iCC

tiCC(moy)

t

pCC(moy)

T1T4

( ) = pi

( ) ( )

= =

( ) = pi

Les caractristiques lectriques sont :

Courbes de variation de vcc(moy) et pcc(moy) :

pi

vCC(moy)

pCC(moy)

P0 pcc >>>> 0Redresseur

pcc


Redressement Command : PD3Charge rsistive

T2T1

t

vAN

2

vCC

t

vCC(moy)

iCC

t

iCC(moy)

t

T3 T1

vBN vCN

t

tia

ib

ic

T1

R

ia

icc

A

vcc

T2 T3vAN

vBN

vCN

B

C

ibic

NSource

triphase quilibre

Tension vcc compose des sections les plus positives des tensions vAN, vBN, vCN : Conduction continue : 0 < < 30

Conduction discontinue : 30<

( )

= pi

( )

pi = + + pi


Redressement Command : PD3Charge trs inductive

Les thyristors T1, T2 et T3 sont amorcs par intervalles de 2pi/3.

La mise en conduction dun thyristor provoque le blocage de celui qui le prcde.

La tension et le courant moyens scrivent :

t

vAN

2

vCC

t

vCC(moy)

iCC

t

iCC(moy)

t

T2T1 T3 T1

vBN vCN

t

tia

ib

ic( )

=

pi

T1

R

ia

icc

A

vcc

T2 T3vAN

vBN

vCN

B

C

ibic

NSource

triphase quilibre

( ) ( )

=

L


Convertisseurs statiquesConversion AC-AC


GradateurStructure de base

Conversion dune source AC en une source AC variable :

Si f1 = f2 : gradateur. Si f1 f2 : cyclo-convertisseur.

Source alternative

Charge alternativeGradateurVca1 Vca

ica1 ica

Tension alternativeTension alternative


Gradateur monophasPrincipe

Le contrle de la valeur efficace de la tension de sortie seffectue par modification de langle de retard lamorage de deux thyristors monts tte-bche.

Gradateur

VAN

Charge

vch

tN

VCh


Gradateur monophasRcepteur Rsistif

Valeur moyenne de la tension vch :

Valeur efficace de la tension vch :

Valeur efficace du courant ich :

( ) =

( )

pi + = pi

( ) ( )

pi + =

pi


Gradateur monophasRcepteur Inductif

Dans ce cas, largument du rcepteur rduit la variation de langle damorage.

Langle damorage doit tre plus lev ou gal lange de dphasage de la charge.


Gradateur triphasDmarrage du moteur asynchrone

Les dispositifs utiliss sont base de triacs ou de thyristors :

MAS

Gradateur triphas

A

B

C

La difficult de rglage apparat quand le dphasage varie avec l'tat de la charge, ce qui est le cas pour un moteur asynchrone.

lectronique de Puissance M. ZEGRARI 42

Fonctionnement Variation de la valeur efficace de la

tension Vs par rglage de langle de retard lamorage des thyristors.

Intgration des fonctions de protections et de contrle avances (exemple : Dmarreur SMC-3).

Gradateur

Q

RT

L1 L2 L3

KML

W

MAS

U V

Gradateur triphasDmarreur lectronique


Convertisseurs statiquesConversion DC-DC


Montage HacheurStructure de base

On converti une source DC fixe une source DC variable.

Hacheur dvolteur : Vcc > Vch Hacheur survolteur : Vcc < Vch

Source continue

Charge continueHacheurVcc Vch

icc ich

Tension continue variableTension continue fixe


Montage HacheurChamps dapplication

Chargeurs de batterie. Alimentation optimise des circuits de

motorisation. Alimentation des moteurs courant continu. Etages intermdiaires pour le rglage des

convertisseurs de frquence.


Hacheur dvolteur (srie)Structure

Temps de conduction : tON Temps de blocage : tOFF Priode de hachage : Ts = tON + tOFF Rapport cyclique : = tON / Ts

tON = TstOFF = (1 ) Ts

Source Charge

VCC

icc

iD

iR

iCvRvC

L

D RC

TiL

vF

Hacheur Filtre

tON tOFFTs = 1/fs

t

vCOM

Signal de commande


Hacheur dvolteurCaractristiques

Courant iL ininterrompu(L suffisamment grande).

Tension vR constante(C suffisamment grande).

0 t

vF

vcc

tON tOFFvF(moy)

0 tvL

(1-)vcc

-vcc

0 t

iL I iL(moy)

0 t

iT

0 t

iD

( )

==

( ) =( ) =

0

VR

Vcc

1


Hacheur survolteur (parallle)Structure

tON tOFFTs = 1/fs

t

vCOM

Signal de commande

Source Charge

VCC

icc iD iR

iCvRvC

L D

RCT

iLvL

Hacheur Filtre

iT

Temps de conduction : tON Temps de blocage : tOFF Priode de hachage : Ts = tON + tOFF Rapport cyclique : = tON / Ts

tON = TstOFF = (1-) Ts


Hacheur survolteurCaractristiques

Courant iL ininterrompu(L suffisamment grande).

Tension vR constante(C suffisamment grande).

==

( ) ( ) =+=

0

VR/Vcc

1

12345

0.5

0 t

iL I iL(moy)

0 t

iT

0 t

iD

tON tOFF0 tvL

Vcc -VR

Vcc

Ts


Hacheur 4 Quadrants)Rversibilit en courant-tension

Combinaison de deux hacheurs 2 quadrants (dvolteur-survolteur) : Hacheur 4Q rversible en courant et en tension.

Source

VCC

is

LR

Moteur CCEia

T2

T1

Hacheur 2Q

D1

D2 D4

T3

Hacheur 2Q

D3

T4va


Convertisseurs statiquesConversion CC-CA


Montage OnduleurPrincipe

Conversion dune source DC en une source AC variable :

Source continue

Charge alternativeOnduleurVcc Vca

icc ica

Tension alternativeTension continue


Montage OnduleurChamps dapplication

Production des tensions alternatives. Protection contre les surtensions et les coupures

du rseau. Alimentation de secours sans interruption. Variation de la vitesse des moteurs courant

alternatif.


Les onduleurs sont de deux types :

Autonome : un onduleur autonome est indpendant du rseau et impose sa frquence la charge quil alimente.

Assist : un onduleur assist (redresseur avec transfert dnergie du continu vers lalternatif) voit sa frquence impose par celle du rseau sur lequel il est branch.

Montage OnduleurCatgories

!


Ces onduleurs se classent en deux groupes :

Onduleurs frquence fixe : alimentations de secours en urgences (centres hospitaliers, systmes informatiques, centrales tlphoniques, etc.). Ces dispositifs sont aliments par une batterie daccumulateurs.

Onduleurs frquence variable : systmes aliments en courant continu partir du rseau alternatif par lintermdiaire dun redresseur. (variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones).

Montage OnduleurClassification


Onduleur en pontStructure

Circuit de puissance identique celui dun hacheurs 4Q : quatre interrupteurs lectroniques. quatre diodes de rcupration.

Source

VCC

icc

LRCharge CA

ica

T2

T1

Hacheur 2Q

D1

D2 D4

T3

Hacheur 2Q

D3

T4vca


Commandes de londuleurCommande en crneaux

E

-E

t

vca

E

-E

t

vca

Onduleur onde rectangulaire.Lamplitude de londe de sortie dpend uniquement de la tension Vcc dentre.

Onduleur onde en crneaux.La tension de sortie moyenne dpend de la tension dentre Vcc et de la largeur des zones mortes.

"


Onduleur en pontCommande symtrique

Formes donde :

Tension vac en forme de crneaux symtriques de moyenne nulle, riche en harmoniques.

Courant iac continu pour dbit sur charge inductive. La forme devient linaire si linductance est leve.

Tension va de sortie :

0 tVac iac

0 t

vca

Composante Fondamentale

+Vcc

-Vcc

T1-T4 : ON T1-T3 : ON

ica

vca

Ts/2 Ts

( )! =( ) ! " # $ %

$ %

= + + + +

pi

#entier et impair


Onduleur en pontCommande dcale

Forme donde :

Les commandes sont dcales :

Tension de sortie en forme de crneaux spars par des intervalles o elle est nulle.

Zones mortes de largeur t0 ajustable, permettant le rglage de la valeur efficace de la tension de sortie.

Tension efficace de sortie :0 t

Composante Fondamentale

ica

vca( ) !

#

&

=

0 t

vca

+Vcc

-VccT1 : ON

T1-T3 : ON

Ts/2 Tst0

T3 : ON

T4 : ON T2 : ON


Commandes de londuleurCommande MLI (PWM)

Dans la technique de Modulation de la Largeur dImpulsion (MLI ou PWM), la gnration de la tension de sortie est obtenue par dcoupage de la tension redresse au moyen dimpulsions dont la dure, donc la largeur, est module de telle manire que le courant alternatif rsultant soit aussi sinusodal que possible.

ia

t

va

t

Onde de sortie moyenne


Onduleur triphasStructure

Circuit produisant un systme triphas quilibr de courant :

Trois transistors sont en conduction chaque instant. Deux transistors dun mme bras (T1-T4) sont amorcs 180de dcalage. Les deux transistors des bras voisins sont amorcs 120de dcalage.

Source continue

VCC

icc

Aia

T1 D1 T2 D2 T3 D3

T4 D4 T5 D5 T6 D6

Charge triphase

B

C

ibic


Onduleur triphasCommandes

On distingue les trois commandes suivantes : Commande 120

Elle est identique celle dun pont triphas thyristors. Chaque transistor est command pendant le 120, ce qui correspond une zone vide de 60entre la commande de deux transistors dun mme bras.

Commande 180Dans cette commande, chaque transistor est command pendant 180. Les commandes de deux transistors dun mme bras sont dcales de 120par rapport aux transistors du bras voisin.

Commande MLIAfin dattnuer certaines harmoniques de la tension, on module les largeurs des impulsions. Cette technique permet dviter lemploi dun filtre encombrant et onreux en sortie de londuleur.


Onduleur triphasFormes donde en crneaux

Squence damorage en crneaux.

t

va

t

ia

Fondamentale


Onduleur triphasFormes donde en MLI

Squence damorage en Modulation de Largeur dImpulsions.

t

uab

t

ia

Fondamentale

Documents

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