GENIE ELECTRIQUE
Conversion statique dnergie
Michel Piou
Introduction llectronique de
puissance Chapitre I
Edition 18/10/2010
Extrait de la ressource en ligne PowerElecPro sur le site Internet
Table des matires
1 POURQUOI ET COMMENT ? ................................................................................................................. 1
2 GENERALITES..................................................................................................................................... 2 2.1 L'lectronique de puissance, Qu'est ce que c'est ?..................................................................... 2 2.2 Les fonctions principales de l'lectronique de puissance : ........................................................ 3
3 ALIMENTATION DUN MOTEUR A COURANT CONTINU A PARTIR DUNE SOURCE DE TENSION CONTINUE. ............................................................................................................................................ 4
3.1 Etablissement de la structure du convertisseur. ........................................................................ 4 3.2 Etude du hacheur srie en rgime permanent (priodique)....................................................... 6 3.3 Conclusion................................................................................................................................. 7
4 PROBLEMES ....................................................................................................................................... 8 Chap 1. Exercice 1 : Comportement dune alimentation dcoupage en rgime priodique. .... 8 Chap 1. Exercice 2 : Comportement dun hacheur srie.............................................................. 9
5 ANNEXE : RAPPELS SUR LE COMPORTEMENT D'UNE INDUCTANCE ET D'UN CONDENSATEUR. .......... 11
6 ANNEXE : AUTO-EVALUATION SUR LA VALEUR MOYENNE, LA VALEUR EFFICACE ET LA PUISSANCE.12 6.1 Notion de valeur moyenne et de valeur efficace dune fonction priodique .......................... 12 6.2 Puissance en monophas. ........................................................................................................ 13 6.3 Association de diples............................................................................................................. 14 6.4 Conversion dnergie lectrique.............................................................................................. 14
7 ANNEXE : RAPPELS SUR LES CIRCUITS R.L ET R.C EN REGIME TRANSITOIRE................................... 15
8 CE QUE JAI RETENU DE CE CHAPITRE............................................................................................... 17
9 REPONSES AUX QUESTIONS DU COURS ............................................................................................. 18
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Michel PIOU - Agrg de gnie lectrique IUT de Nantes - FRANCE
PowerElecPro Chapitre 1 - Introduction llectronique de puissance 1
INTRODUCTION A LELECTRONIQUE DE PUISSANCE.
1 POURQUOI ET COMMENT ?
Avec le dveloppement des composants lectroniques capables de tenir des courants et des tensions de plus en plus levs, une nouvelle faon de grer lnergie lectrique sest dveloppe depuis quarante ans. On la dnomme lectronique industrielle ou lectronique de puissance Prrequis : Les bases de llectricit. Objectifs : Pour commencer ce nouveau cours, nous vrifierons que les connaissances sur lnergie lectrique ncessaires pour la suite sont bien acquises. Dans le cas contraire, il est conseill de les reprendre. Puis, au moyen dun exemple, nous dcouvrirons les premiers concepts de llectronique de puissance Mthode de travail : Ce premier chapitre repose sur une dcouverte assez intuitive des lments mis en jeu en lectronique de puissance. Il sera fait appel des savoirs dj rencontrs dans le cours dlectricit et qui sont rappels en annexe : (Annexe : Rappels sur le comportement d'une inductance et d'un condensateur. Page 11) (Annexe : Auto-valuation sur la valeur moyenne, la valeur efficace et la puissance. Page 12) (Annexe : Rappels sur les circuits R.L et R.C en rgime transitoire. Page 15) Un paragraphe intitul Ce que jai retenu de ce chapitre (page 17) permet de vrifier les connaissances retenir. Travail en autonomie : Pour permettre une tude du cours de faon autonome, les rponses aux questions du cours sont donnes en fin de document. On trouvera des complments dans la ressource en ligne PowerElecPro Temps de travail estim pour un apprentissage de ce chapitre en autonomie : 10h30
PowerElecPro Chapitre 1 - Introduction llectronique de puissance 2
INTRODUCTION A LELECTRONIQUE DE COMMUTATION.
2 GENERALITES
2.1 L'lectronique de puissance, Qu'est ce que c'est ?
L'lectronique de puissance est une branche de l'lectricit qui traite de la modification de la prsentation de l'nergie lectrique pour l'adapter dans les meilleures conditions aux multiples utilisations.
Electronique de puissance
Energie lectrique
mise en forme
Charge utilisatrice
Energie lectrique du rseau de distribution
Llectronique de puissance est charge dadapter lnergie lectrique aux besoins de la charge utilisatrice. Elle doit le faire avec un bon rendement nergtique, tout en ne perturbant pas le rseau de distribution. L'lectronique de puissance utilise des convertisseurs statiques (1) construits partir de composants lectroniques. Contrairement l'lectronique petits signaux qui s'intresse l'information (son, images, donnes informatiques etc ) code sous forme de signaux lectriques, l'lectronique de puissance s'intresse plutt aux pertes d'nergie et au rendement des quipements lectriques. En lectronique de puissance, les composants lectroniques actifs fonctionnent en commutation (2), de faon consommer le moins dnergie possible.
i
u
i
u
Fonctionnement bloqu ( ou ouvert ou non-passant ) p = u . 0 = 0
Fonctionnement satur ( ou ferm , ou passant ) p = 0 . i = 0
(1) Dans les convertisseurs statiques, il n'y a pas de mouvement mcanique. (contrairement aux convertisseurs lectromcaniques que sont les machines tournantes. (2) Les composants lectroniques actifs (transistors, diodes etc ) se comportent alors comme des interrupteurs: soit ouverts, soit ferms, soit en train de passer de l'une l'autre des situations prcdentes
PowerElecPro Chapitre 1 - Introduction llectronique de puissance 3
Si les composants lectroniques en commutation taient parfaits, ils ne consommeraient aucune nergie ltat bloqu (pas de courant), aucune nergie ltat passant (pas de tension), et les temps de commutation (pour passer de lun lautre des tats prcdents) seraient infiniment petits. Mais les composants ne sont pas parfaits; ils consomment de lnergie l'tat bloqu (lger courant), l'tat satur (lgre tension) et aussi lors des commutations (passage de l'tat bloqu vers l'tat satur et rciproquement). Il convient de chercher rduire ces pertes autant que possible. Quelques exemples de convertisseurs statiques quon peut trouver sur le march : - onduleurs chargs de stabiliser lnergie lectrique dalimentation des systmes informatiques sensibles, - variateurs de vitesse chargs dalimenter en nergie les moteurs lectriques les plus divers (industries, traction ferroviaire, propulsion lectrique des navires), - convertisseurs lectriques pour alimenter le rseau de distribution partir dune source dnergie variable (olienne, capteurs solaires ) - chargeurs de batteries. - interconnexion des rseaux haute tension franais et britannique par une liaison transmanche en courant continu. -alimentations dcoupage (de quelques dizaines de watt aux alimentations de scurit des centres de calcul de 1 MW ).
2.2 Les fonctions principales de l'lectronique de puissance :
La conversion de l'alternatif vers le continu (convertisseur AC DC): Redresseur. La conversion du continu vers l'alternatif (convertisseur DC AC): Onduleur. La conversion du continu vers le continu (convertisseur DC DC): Hacheur et alimentations dcoupage. La conversion de l'alternatif vers l'alternatif (convertisseur AC AC): Gradateur; Cycloconvertisseurs ; Changeurs directs de frquence. Un convertisseur peut tre constitu de plusieurs fonctions mises en srie.
PowerElecPro Chapitre 1 - Introduction llectronique de puissance 4
3 ALIMENTATION DUN MOTEUR A COURANT CONTINU A PARTIR DUNE SOURCE DE TENSION CONTINUE.
De faon entrer progressivement dans le sujet, nous allons tudier un exemple de convertisseur DC DC. Celui-ci est destin faire varier la vitesse dune machine courant continu partir dune source de tension constante.
3.1 Etablissement de la structure du convertisseur.
Disposant d'un gnrateur de tension continue fixe V1, on ds
