Chapitre I – Introduction -

INTRODUCTION

I- Présentation :Les systèmes utilisés en Électrotechnique permettent de transformer la nature de l’énergie électriqueet de convertir l’énergie électrique en une autre forme d’énergie (mécanique, thermique, chimique,lumineuse, …). L’électronique, l’automatique et l’informatique s’intéressent essentiellement autraitement du signal (ou de l’information).

Figure 1 : Complémentarité de l'Électrotechnique par rapport à l'Électronique, l’Automatique etl’Informatique.

Pour les systèmes de l'Électrotechnique, la notion principale dans le traitement de l’énergie est celledu rendement (pertes).Les systèmes de l’électrotechnique traditionnelle (machines tournantes, éclairage, chauffage,climatisation, …) permettant la conversion de l’énergie électrique, ne peuvent pas toujours êtrereliés directement à une source électrique. Il faut alors avoir recours à un dispositif, jouant le rôled’interface, permettant d’adapter (de transformer) les caractéristiques de la source afin d’assurer lebon fonctionnement (et d’introduire des moyens de réglage de transfert d’énergie). Ce dispositif estun convertisseur électrique.

Figure 2: Interface Source-Charge.

A l’origine, cette fonction a pu être réalisée par l’association de deux convertisseursélectromagnétiques, par exemple un moteur asynchrone entraînant une génératrice à courantcontinu : conversion AC / DC.Un autre convertisseur fait appel à des procédés électromagnétiques : le transformateur : conversionAC / AC.Lorsque l’interface est réalisée par des moyens purement électroniques (semi-conducteurs), elle estalors appelée convertisseur statique. Ces convertisseurs statiques peuvent se trouver aussi biendevant une charge consommant quelques watts, que quelques centaines de mégawatts (106 W). La

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Commande, Contrôle

Système

ElectrotechniqueEnergie Energie

Information

Alimentation

Système

Electronique

(Autom., Info.)Signal

Information

Signal

Système Electrotechnique

Convertisseur

Electrique-

ChargeSource

Electrique

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discipline technologique associée à ces réalisations est appelée Électronique de Puissance. Ellepermet :– Une utilisation plus souple et plus adaptée de l’énergie électrique,– Une amélioration de la gestion, du transport et de la distribution de l’énergie électrique,– Une réduction des masses et des volumes, mais aussi du bruit.Un convertisseur statique est un dispositif, à base de semi-conducteurs, qui transforme de l’énergieélectrique disponible, en une forme appropriée pour alimenter une charge.

II- Fonctions de base et terminologie des convertisseurs statiques :L’énergie électrique est disponible soit sous forme alternative (réseau de distribution électrique,alternateurs, …) soit sous forme continue (batterie d’accumulateurs, génératrice à courant continu,cellules photovoltaïques, pile à combustible, …). La charge peut nécessiter une alimentation enalternatif ou en continu. Il existe donc 4 fonctions de base des convertisseurs statiques. Cesconvertisseurs transforment directement l’énergie électrique, sont appelés mono-étages.

A- Réversibilité des convertisseurs statiques :Un convertisseur statique est dit réversible lorsque l’énergie, peut transiter (en général, être

contrôlée) de manière bidirectionnelle, c’est à dire aussi bien dans un sens que dans l’autre. Lesnotions d’entrée et de sortie ne sont alors plus évidentes.Un convertisseur non-réversible transfère l’énergie d’une source vers une charge utilisatrice.L’énergie ne peut pas transiter dans l’autre sens.

Figure 3 : Réversibilité (et non-réversibilité) des convertisseurs statiques.

B- Conversion Alternatif – Continu (AC/DC) :Le convertisseur jouant le rôle d’interface entre une source alternative et une charge

alimentée en continu, est appelé : Redresseur (Rectifier).

Figure 4 : Convertisseur Alternatif-Continu.

Le plus souvent, il est alimenté par le réseau à fréquence industrielle. Mais il peut également êtrealimenté en haute fréquence. La tension (ou le courant) de sortie peut être, ou non, réglable parrapport à la grandeur d’entrée (tension ou courant). Lorsqu’il n’est composé que de diodes ou dediodes et de thyristors, il est non réversible. Les redresseurs réversibles ne sont composés que dethyristors (ou de composants commandables, IGBT par exemple ).

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REDRESSEURCharge à

alimenter

en continu

Source

Alternative

Convertisseurnon réversible

Entrée Sortie

Énergie

Convertisseurréversible

Entrée Sortie

Énergie

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Figure 5 : Formes d'onde d'une conversion AC/DC.

C- Conversion Continu – Continu (DC/DC) :Le convertisseur jouant le rôle d’interface entre une source continue et une charge alimentée

en continu, est appelé : Hacheur (Chopper).

Figure 6 : Convertisseur continu-continu.

Le hacheur règle la tension ou le courant appliqué à la charge. Il peut être réversible ou non suivantsa topologie.

Figure 7 : Formes d'onde d'une conversion DC/DC.

D- Conversion Continu – Alternatif (DC/AC) :Le convertisseur jouant le rôle d’interface entre une source continue et une charge alimentée

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HACHEURCharge à

alimenter

en continu

Source

Continue

Diode

Signal (U/I)

t

t

Thyristort

Valeur moyenneréglable

Valeur moyennefixe

Entrée Sortie

Signal (U/I)

Signal (U/I)

Signal (U/I)

t t

Valeur moyenneréglable

Entrée Sortie

2TT 3T 4Tα

Signal (U/I)

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en alternatif, est appelé : Onduleur (Inverter).

Figure 8 : Convertisseur continu-alternatif.

Suivant le type de charge, ce convertisseur est appelé onduleur autonome ou assisté. Dans le derniercas, le convertisseur est composé de thyristors, sa structure est la même que le redresseur réversible(AC-DC / DC-AC).Ces convertisseurs sont toujours réversibles.

Figure 9 : Formes d'onde des convertisseurs DC/AC.

Remarque :Ne pas confondre le terme onduleur (convertisseur DC / AC) avec le dispositif de sauvegardeinformatique Ce dernier est appelé ASI pour Alimentation Statique Ininterruptible (UPS :Uninterruptible Power Supply).

E- Conversion Alternatif – Alternatif (AC/AC) :La conversion de l’énergie électrique délivrée sous forme alternative pour alimenter une

charge en alternatif peut se faire avec ou sans changement de fréquence. Dans le premier cas, leterme employé est celui de cycloconvertisseur, dans le second, celui de gradateur.

Figure 10 : Convertisseur alternatif-alternatif.

Le schéma d’un cycloconvertisseur triphasé-triphasé comprend 36 thyristors. Il n’est utilisé quepour des puissances très importantes (> 1 MVA). L’une de ses applications est l’alimentation demachines synchrones fonctionnant à faible vitesse et devant fournir un couple important dans lesapplications de propulsion marine (très grande puissance).

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GRADATEURCharge à

alimenter

en alternatif

Source

Alternative

CYCLOCONVERTISSEUR

ONDULEURCharge à

alimenter

en alternatif

Source

Continue

Signal (U/I)

t t

Entrée Sortie

Signal (U/I)

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Le gradateur est un convertisseur de structure extrêmement simple. Il est principalement utilisé enéclairage et pour l’alimentation des moteurs électriques utilisés dans le domaine de l’électroménager(moteur universel).

Ces convertisseurs sont réversibles.

Il existe 4 fonctions de base pour les convertisseurs statiques : AC/DC, DC/DC, DC/AC et AC/AC.Quand l’énergie électrique peut transiter de l’entrée vers la sortie ou de la sortie vers l’entrée, leconvertisseur est dit réversible. Cette réversibilité dépend des composants semi-conducteurs utilisés,ainsi que de la topologie du convertisseur.

III- Associations de fonctions de base – Cascade de convertisseurs :La transformation de l’énergie électrique peut aussi se faire par une association en cascade deplusieurs convertisseurs monoétages. L’inconvénient est la présence de pertes dans chaqueconvertisseur (diminution du rendement par rapport aux structures précédentes), mais ces structurespeuvent apporter plusieurs avantages. Nous décrivons dans les paragraphes suivants deux castypiques.

A- Alimentation à découpage (ordinateur, TV, …) :A partir du réseau de distribution, l’alimentation doit assurer, pour une puissance de l’ordre

de quelques centaine de watts, les fonctions suivantes : redresser, abaisser, isoler, délivrer plusieurssorties, filtrer, réguler les tensions de sortie. La fonction isoler impose l’utilisation d’untransformateur. Ce transformateur permet d’assurer aussi la fonction "abaisser" et fournit aisémentplusieurs sorties.La solution ancienne (Figure 11), toujours utilisée pour quelques watts, utilise un transformateur 50Hz. Chaque secondaire est suivi d’un redresseur et, éventuellement, d’un régulateur linéaire. Laréalisation est alors lourde et d’un rendement peu élevé.

Figure 11 : Dispositif ancien ou à faible puissance permettant d’obtenir une tension continue à partirdu réseau.

Pour diminuer la taille du transformateur, il faut réussir à l’alimenter à des fréquences plus hautes. Ilest alors nécessaire d’utiliser la cascade redresseur-onduleur-redresseur. La régulation se faitsimplement par contrôle de l’onduleur qui fonctionne en découpage et donc, avec un bonrendement. Il est même possible de réaliser une absorption de courant sinusoïdale sur le réseau(facteur de puissance tendant vers 1), propriété impossible à obtenir avec une structure sansélectronique de puissance.

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~= Régulateur230 V

50 Hz

Continu

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B- Variateur de vitesse pour machine asynchrone :Pour pouvoir faire varier la vitesse d’une machine asynchrone, il faut réaliser un système qui

puisse l’alimenter sous tension et fréquence variables. A partir du réseau de distribution électrique àfréquence et tension fixes, une solution est d’utiliser une cascade redresseur-onduleur. Les signauxde commande des interrupteurs de l’onduleur, sont générés en utilisant la technique de lamodulation de largeur d’impulsions (MLI -PWM-), pour permettre de contrôler la tension et lafréquence de sortie.

Figure 13 : Association de convertisseurs statiques permettant le réglage de la vitesse derotation d’une machine asynchrone.

C- Applications des convertisseurs statiques :1- Applications domestiques :

– Alimentation des appareils électroniques (TV, PC, magnétoscopes, …).– Électroménager (aspirateur, réfrigérateur, lave-linge, lave-vaisselle, robots culinaires, …).– Éclairage.– Chauffage.– Appareil électroportatif (perceuse, …).– Actionneurs domotiques (volets roulants, stores électriques, …).

L’utilisation de l’électronique de puissance prend de plus en plus d’importance pour deux raisonsprincipales :– Les coûts de fabrication diminuent (facteur primordial dans les domaines de la grande série),– les contraintes sur les niveaux de perturbations (normes sur la compatibilité électromagnétique)

et le rendement augmentent. Ainsi, seules les solutions incluant des systèmes de l’électronique depuissance, sont capables de répondre à ces normes.

2- Applications industrielles :– Pompes, compresseurs.– Variation de vitesse.– Chariots électriques.

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~= ~

= Moteur

Asynchrone

230 V

400 V

50 Hz

Tension réglable

Fréquence réglable

Figure 12: Dispositif mettant en oeuvre différents convertisseurs statiques mono-étages.

~ = ~ =~=

230 V

50 Hz

Continu

Optocoupleur

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– Chauffage par induction.– Grues.– Fours (à arcs, à résistance, à plasmas).– Appareils de soudage.– Électrolyse.– Onduleurs de secours.

3- Transport :– Réseaux de bord d’avion, commande électrique.– Traction électrique (trains, métros, voitures électriques, …).– Propulsion électrique des navires, génération d’électricité à bord des navires.– Génération de l’énergie électrique par des cellules photovoltaïques pour les satellites, les stations

spatiales.

4- Production et Distribution de l’électricité :– Compensateur de puissance réactive et filtrage actif (augmenter le facteur de puissance d’une

installation et limiter les harmoniques de courant sur le réseau).– Dispositif de stockage de l’énergie.

Les applications les plus puissantes des convertisseurs statiques concernent le transport courantcontinu - haute tension (CC-HT). Exemple de l’Interconnexion France Angleterre (IFA 2000) quipermettent une puissance de 2 000 MW.

IV- Constitution des convertisseurs statiques :Une conversion d’énergie doit être faite avec le meilleur rendement, pour les raisons suivantes :– difficulté d’évacuer (dissiper) les pertes si elles sont trop importantes,– le coût des dispositifs dissipateur de chaleur est important,– la fiabilité d’un composant (d’un système) diminue quand sa températrure augmente,– il faut assurer une autonomie suffisante des appareils fonctionnant sur piles ou batteries,– il est nécessaire de conserver un bilan économique satisfaisant.

Pour obtenir ce rendement maximum, il ne faut utiliser que des composants pas ou peu dissipatifs.La puisssance instantanée "p(t)" vaut :

p(t) = v(t).i(t)Pour que ce dipôle ne présente aucune perte, la puissance moyenne qu’il dissipe doit être nulle :

P=1 T ∫0

T

p t .dt=0W

Deux conditions peuvent respecter la dernière équation :– soit p(t) est nulle à tout instant,– soit P sur 1 période de fonctionnement est nulle.

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Figure 14 : Dipôle parcourupar un courant i(t) et ayant àses bornes une tension v(t).

Dans le premier cas, il suffit que i(t) ou v(t) soit nul à tout instant : c’est la fonction interrupteurparfait.

Quand l’interrupteur est fermé, la chute de tension à ses bornes est négligeable. Ainsi, quelque soit i(t), p(t) = 0 W. -Figure 16-

Figure 16 : Calcul de la puissance

Sur le tracé i(t) = f(v(t)), l’état de l’interrupteur fermé est représenté par un trait en pointillé.Quand l’interrupteur est ouvert, le courant qui le traverse est nul. Ainsi, quelque soit v(t), p(t)= 0W.Sur le tracé i(t) = f(v(t)), l’état de l’interrupteur ouvert est représenté par un trait continu ethorizontal.

Remarque :Fermé = Passant = ON = 1Ouvert = Bloqué = OFF = 0

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v(t)

i(t)

p(t)

t

v(t)

t

i(t)

t

Figure 15 : Interrupteur parfait.

i(t)

v(t)

i(t)

v(t)

Chapitre I – Introduction -

En pratique, les interrupteurs seront réalisés à partir de semi-conducteurs fonctionnant encommutation (= ouvert ou fermé ; différent du régime linéaire). Ces composants ne présentent pasles caractéristiques présentées précédemment :– ils laissent passer un faible courant, appelé courant de fuite, et a ses bornes une tension

importante pendant son blocage,

Figure 17

– ils présentent une faible tension pendant qu'il laisse passer un courant qui peut avoir une valeurtrès élevée,

p(t)

t

v(t)

t

i(t)

t

Figure 18

– la commutation n'est jamais instantanée.

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p(t)

t

v(t)

t

i(t)

t

Chapitre I – Introduction -

La puissance instantanée n'est donc jamais nulle. Ces composants travaillant en général à de trèshautes fréquences, l'énergie qui est par la suite transformée en chaleur peut être très élevée. Pourrésoudre le problème on peut soit :– évacuer la chaleur produite par un radiateur, et/ou un fluide caloporteur,– retarder le montée en tension an plaçant un condensateur en parallèle avec l'interrupteur, et/ou

retarder la montée du courant en plaçant dans le système une inductance en série. Cet ensemblede composant porte le nom de snubber ou CALC -Circuit d'Aide à la Commutation- en français.

Dans le second cas, le produit v(t) . i(t) peut être tantôt positif, tantôt négatif, mais sa valeurmoyenne doit être nulle (P = 0 W). Les composants qui répondent à cette définition sont lescomposants réactifs (inductances et condensateurs). Ils ne transforment pas l’énergie électrique, ilsse contentent de la stocker (et de la restituer). Ils peuvent être considérés comme des réservoirsénergétique.

W C=1 2 C.V 2 W L=

1 2 L.I 2

Remarques :– La notion de puissance dissipée nulle, permet également l’utilisation de transformateur,– La fonction "transformation de l’énergie électrique" dans un convertisseur statique, ne doit pas

faire intervenir de résistance.

Les éléments constituant un convertisseur statique sont représentés sur la Figure 20.

Le fonctionnement d’un convertisseur statique est basé sur les modifications séquentielles des

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Figure 19

p(t)

t

v(t)

t

i(t)

t

Figure 20 : Éléments constituant un convertisseur statique.

Energie Energie

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liaisons entre la source d’entrée et la charge. Ces liaisons dépendent de l’état des interrupteurs. Pourl’étude des convertisseurs statiques, il faut déterminer les équations différentielles defonctionnement correspondant à chaque phase de fonctionnement (les interrupteurs ne varient pas).Il faut dans ce cas là, établir les schémas partiels de fonctionnement (interrupteur = ON = fil ;interrupteur = OFF = circuit ouvert).

Un convertisseur statique est constitué d’éléments à dissipation minimale : principalement des semi-conducteurs fonctionnant en interrupteur, des inductances, des condensateurs et des transformateurs.

Il est donc maintenant intéressant de définir le fonctionnement des différents interrupteurs semi-conducteurs, intervenant dans un convertisseur statique.

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