cours de lge 604 usthb Dr. F.Bouchafaa 2011/2012...
USTHB, Faculté d’Electronique et Informatique Bab-Ezzouar, Alger, ALGERIE http://www.usthb.dz
ELECTRONIQUE DE PUISSANCE University of Sciences and Technology Houari Boumediene Laboratoiry of Instrumentation (LINS) Algiers – ALGERIA E-mail:
[email protected] Dr.F.BOUCHAFAA
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PLAN DE TRAVAIL 1 2 3 4 5 6
Les interrupteurs semi conducteurs Applications des convertisseurs statiques Constitution des convertisseurs statiques Les diodes Les thyristors Les transistors
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Les interrupteurs semi conducteurs
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La puissance que peut « commander » un tel composant est le produit du courant maximum (qu’il peut supporter à l’état conducteur) par la tension maximum (qu’il peut supporter à l’état bloqué) . En fait, les composants ne sont pas idéaux et dissipent donc de la puissance sous forme de chaleur. La puissance qu’un composant électronique de puissance peut dissiper en chaleur est cependant très inférieure à la puissance qu’il peut commander : il ne faut pas confondre les deux notions.
Actuellement, on n’utilise pratiquement que des composants formés de semiconducteurs. Les puissances commandables couvrent une large plage. Il existe en effet des composants capables supporter à l’état OFF des tensions de plusieurs centaines de volts, et à l’état ON des courants de plusieurs milliers d’ampères. Dr.F.BOUCHAFAA
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Energie
Système
Energie
Electrotechnique Commande, Contrôle
Information Signal
Système Electronique (Automatique, Informatique
Information Signal
Alimentation
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Les interrupteurs semi conducteurs Énergie électrique fournie par l’alimentation électrique I I
t Dr.F.BOUCHAFAA
Énergie électrique disponible sur la charge
Interface
I
I
I t
CONVERTISSEUR SATIQUE
t
I t
t I
t I
t
t 6
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene L’Énergie Électrique est disponible soit sous forme: Alternative (réseau de distribution électrique, alternateurs)
Continue (batterie d’accumulateurs, génératrice à courant continu, cellules photovoltaïques, pile à combustible, …).
La charge peut nécessiter une alimentation en alternatif ou en continu. Il existe donc quatre fonctions de base des convertisseurs statiques.
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I
I
t Source continue
Action sur la valeur moyenne
Récepteur continu
t
I
Hacheur Redresseur Onduleur
Source alternative
Gradateur Action sur la valeur efficace
I
Récepteur alternatif
t
I
t I t
t Les sources et les récepteurs alimentés par les différents convertisseurs d’énergie
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Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene A- 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).
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Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene B- 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).
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Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene C- Conversion Continu – Alternatif (DC/AC):
Le convertisseur jouant le rôle d’interface entre une source continue et une charge alimentées suivant le type de charge, ce convertisseur est appelé onduleur autonome ou assisté.
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Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene D- Conversion Alternatif – Alternatif (AC/AC): Ces convertisseurs permettent d’obtenir une tension alternative variable de fréquence constante ou variable, à partir d’une source alternative. 1. Soit convertir une tension alternative de valeur efficace fixe en une tension alternative variable. C’est le gradateur 2. Soit convertir une tension alternative de valeur efficace fixe en une tension alternative de valeur efficace variable et de fréquence variable inférieure à la fréquence de la source. C’est le cyclo-convertisseur.
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Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene 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. Entrée
Convertisseur réversible
Sortie
Energie Un convertisseur non réversible transfère l’énergie d’une source vers une charge utilisatrice. Entrée
Convertisseur Non réversible
Sortie
Energie Dr.F.BOUCHAFAA
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Applications des convertisseurs statiques:
1 2 3
Transport
4
Production et Distribution de l’électricité
Applications domestiques Applications industrielles
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Applications des convertisseurs statiques: 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, …).
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Applications des convertisseurs statiques: Applications domestiques: L’utilisation de l’électronique de puissance prend de plus en plus d’importance pour deux raisons principales: – Les coûts de fabrication diminuent (facteur primordial dans les domaines de la grande série), – les contraintes sur les niveaux de perturbations et le rendement augmentent.
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Applications des convertisseurs statiques: Applications industrielles: - Pompes, compresseurs. -Variation de vitesse. -Chariots électriques. -Chauffage par induction.
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Applications des convertisseurs statiques: Applications industrielles: - Grues. - Fours (à arcs, à résistance).- Appareils de soudage.- Électrolyse.Onduleurs de secours.
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Applications des convertisseurs statiques: 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, les stations spatiales.
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Applications des convertisseurs statiques: 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 courant continu - haute tension (CC-HT).
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Applications des convertisseurs statiques:
A l’aide de la technique IGCT, on peut construire des installations électroniques de puissance plus compactes et de prix plus avantageux, par exemple des stations de convertisseurs pour installations CCHT ou des compensateurs statiques de puissance réactive. Dr.F.BOUCHAFAA
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III. Constitution des convertisseurs statiques: nous allons décrire simplement les principales caractéristiques externes des composants. Ils peuvent être classés en trois groupes : 1. Diodes. États fermé ou ouvert contrôlés par le circuit de puissance. 2. Thyristors. Fermé par un signal de commande, mais doit être ouvert par le circuit de puissance. 3. Interrupteurs commandables. à l'ouverture et à la fermeture. Ouverts et fermés par un signal de commande.
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La catégorie des interrupteurs commandables inclut de nombreux types de composants:
· Transistors Bipolaires à Jonctions (Bipolar Junction Transistors - BJTs); · Transistors à effet de champ Metal-Oxyde-Semi conducteur (MOSFETs); · Thyristors commandés à l'ouverture (Gate-Turn-Off Thyristors - GTO Thyristors); · Transistors bipolaires à grille isolée (Insulated Gate Bipolar Transistors - IGBTs); · Thyristors MOS Commandés (MOS-Controlled Thyristors - MCTs).
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Les diodes de puissance 1. Diodes
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Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene 1. Diodes
La diode est le semi-conducteur élémentaire constitué par une seule jonction PN et à caractéristique courant – tension non linéaire. En électronique de puissance, la diode est équivalente à un interrupteur unidirectionnel non commandé.
• La diode est un composant non linéaire qui ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens Symbole général :
A
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K
A
K
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Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene 1. Diodes La figure ci dessous décrit la caractéristique statique de la diode iD= f(VD).
ID
Fonctionnement en direct
Fonctionnement en inverse
Courant direct maximal d’emploi (IFM)
Conductance dynamique (1/RD0) VD
Tension d’avalanche VA Tension de seuil (VD0)
Courant inverse: qq (µA) Phénomène d’avalanche Irréversible: destruction de la jonction
Tension inverse maximale (VRM) Et le courant correspondant (IRM)
Caractéristique tension- courant de la diode Dr.F.BOUCHAFAA
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Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Lorsque la diode est polarisée en direct, elle commence à conduire à partir d’une faible tension de seuil Vseuil directe de l'ordre de 1V. Lorsque la diode est polarisée en inverse, seul un faible courant de fuite négligeable (quelques mA) circule jusqu'à atteindre la tension d'avalanche. En fonctionnement normal, la tension inverse ne doit pas atteindre la tension d'avalanche.
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1. Diodes
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Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene 1. Diodes
Dr.F.BOUCHAFAA
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Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene 1. Diodes
a) Faible puissance < 1W b) Puissance moyenne
c) Puissance élevée (kW) Dr.F.BOUCHAFAA
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Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene 1. Diodes
Dr.F.BOUCHAFAA
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Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene 1. Diodes
4500V/800A press pack and 1700V/1200A module diodes
Dr.F.BOUCHAFAA
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Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene 1. Diodes
États possibles d'une diode à jonction Etat passant :
Quand le circuit dans lequel la diode est placée tend à faire passer un courant dans le sens direct, c.à.d de l’anode «A» vers la cathode «K», la diode est conductrice ou passante. Le courant iAK positif prend une valeur qui lui est imposée par le reste du circuit. Il faut veiller à ce que la valeur moyenne de iAK ne dépasse pas le courant direct moyen tolérable par la diode.
•
Si VAK > 0 : La diode est passante (A+;K-) Équivalente à 1 interrupteur Fermé
iAK > 0 A
VAK> 0 Dr.F.BOUCHAFAA
K 32
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene 1. Diodes
États possibles d'une diode à jonction Etat bloqué :
Quand une tension négative aux bornes de la diode tend à faire passer le courant dans le sens indirect, c.à.d de la cathode «K» vers l’anode «A», la diode est bloquée ou isolante. La tension négative ou inverse peut prendre, sous l’effet du reste du circuit, des valeurs élevées. Il faut veiller à ce que la tension inverse reste inférieure à la tension inverse maximale que peut supporter la diode. •
Si VAK < 0 : La diode est bloquée (A-;K+) Équivalente à 0 interrupteur Ouvert
Dr.F.BOUCHAFAA
A
K VAK0laladiode diode Ve(t)>0 estpassante passante DDest Vmax Uc=Ve, Vd=0 Uc=Ve, Vd=0
UC(t)
Ve(t)0 Uc(t)>0 et ic(t)>0 doncP(t)>0 P(t)>0 donc
Uc(t)=0(rad) etic(t)>0 ic(t)>0 Uc(t)=0 et doncP(t)=0 P(t)=0 donc π 2
P>0
Redresseur Redresseur Dr.F.BOUCHAFAA
3π 2
P=0
Phasede deroue rouelibre libre Phase Redressement non commandé
31
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
2- Commutation parallèle simple - P2 à diodes Le montage redresseur à diodes est constitué de deux diodes connectées en sortie d'un transformateur à point milieu: VD1
ie1
Ve1(t) = Vmax sin t Ve2(t) = Vmax sin (t + )
i1
Tr Ve1
R
V1 Ve2
Ve2(t) = - Ve2 (t)
D1
ie2
Uc D2
ic
VD2
Montage d’un redresseur monophasé à point milieu A partir du réseau monophasé V1 , on obtient par l'intermédiaire du transformateur à point milieu deux tensions sinusoïdales Ve1 et Ve2 de même amplitude et déphasées entre elles de : Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement non commandé
32
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Ve(t) Vmax
Ve1
Ve2
i1
Tr
+ ie1
π 2
3π 2
V1
UC(t)
Vmax
i1
R Uc
(rad) 0
π 2
3π 2
D1
V1 Ve2
Etat des diodes
D2 Uc
Ve1
Ve2
Tension aux bornes de la charge
iC
Ve1/R
Ve2/R
Courant traversant la charge
Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement non commandé
ic
Tr
iC(t)
Imax
D1
Ve1
(rad) 0
VD1
+
ie2
R Uc D
ic
2
VD2
33
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Ve(t)
Ve(t) Vmax
Ve1
Vmax
Ve2
π 2
3π 2
0
0
iC(t)
Imax
(rad) 0
π 2
3π 2
D1 D2
3π 2
π 2
3π 2
-2Vmax
Uc
Ve1
Ve2
Tension aux bornes de la charge VD1
iC
Ve1/R
Ve2/R
Courant traversant la charge
Dr.F.BOUCHAFAA
VD1(t)
Etat des diodes
π 2
(rad)
UC(t)
Vmax
Ve2
(rad)
(rad) 0
Ve1
Redressement non commandé
2Ve 0 Tension aux bornes de la diode 34
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene La tension moyenne de Uc :
1 1 V 2Vmax π Uc Umoy U C (t)dt Vmax . sin .d max cos 0 TT π0 π π
U cmoy
2Vmax π
U ceff
Vmax 2
La tension efficace de Uc : T
U
2 ceff
2 Vmax 1 1 2 2 2 U c t dt Vmax sin d T0 0 π
1 cos 2 d 0 2
Le courant moyen et efficace de ic(t) :
U Cmoy R.i
U Ceff R.i
Cmoy
Ceff
I cmoy I ceff
2Vmax π.R 1 V max 2 R
La tension maximale à supporter par la diode en inverse est: Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement non commandé
VDmax=-2Vmax 35
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Débit sur une charge inductive (R-L)
VD1
ie1 i1
Tr Ve1
D1 L
R
V1 Ve2
Uc D2
ic
ie2 Montage d’un redresseur monophasé alimentant une charge inductive
Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement non commandé
36
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene iC(t)
T iC(t)
iCmoy
Imax
iC(t)
Imin 0
(rad) π 2
π
3π 2
2π
D’après cette figure, on constate que le courant iC(t) oscille entre deux valeurs Icmin et Icmax et l’écart iC(t) on le nomme ondulation du courant. Le rôle du redresseur est d’avoir un courant redressé iCmoy constant . Par contre d’après cette figure, on constate que le courant iC(t) est variable et dépend fortement de la constante du temps électrique (=R/L). Afin de réduire les ondulations c.a. d iC(t) tend vers zéro, il faut augmenter la valeur de l’inductance L. On obtient ainsi, un courant parfaitement lisse et constant. Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement non commandé
37
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Ve(t)
Ve(t) Vmax
Ve1
Ve2
Vmax
π 2
3π 2
Ve2
(rad)
(rad) 0
Ve1
0
π 2
3π 2
iD1(t)
Icmoy
(rad)
UC(t)
Vmax
0
iC(t)
Icmoy
π 2
3π 2
(rad) 0
π 2
3π 2
D1
Etat des diodes
D2 Uc iC
VD1(t)
Ve1 Icmoy
Dr.F.BOUCHAFAA
Ve2 Icmoy
-2Vmax
Tension aux bornes de la charge VD1 ID1 Courant traversant la charge Redressement non commandé
0 Icmoy
2Ve
0 38
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene La tension moyenne de Uc :
1 1 V 2Vmax π Uc Umoy U C (t)dt Vmax . sin .d max cos 0 TT π0 π π
U cmoy
2Vmax π
U ceff
Vmax 2
La tension efficace de Uc : T
U
2 ceff
2 Vmax 1 1 2 2 2 U c t dt Vmax sin d T0 0 π
1 cos 2 d 0 2
Le courant moyen et efficace de ic(t) :
U Cmoy R.i
Cmoy
I cmoy
2Vmax π.R
La tension maximale à supporter par la diode en inverse est:
Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement non commandé
VDmax=-2Vmax
39
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Commutation parallèle double - PD2 à diodes Le pont de Graëtz est constitué de quatre diodes montées en parallèle deux par deux. Les diodes D1 et D2 sont à cathodes communes (sont reliées au même point K). et les diodes D3 et D4 sont à anodes communes (sont reliées au même point A).
ic
K Tr
i1 V1
Source
VD1
i Ve(t)
D1
D2
R
C.S D4
Charge
Uc
D3
A Montage d’un redresseur monophasé alimentant une charge résistive
Ainsi, dans ce type de montage: A cathodes communes, on dit qu’une diode est passante lorsque la tension entre ses bornes est plus positive que les autres. A anodes communes, on dit qu’une diode est passante lorsque la tension entre ses bornes est plus négative que les autres. Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement non commandé
40
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
ic
Ve(t) Vmax
Ve
i1 (rad)
0
π 2
3π 2
Tr
V1
+
i Ve(t)
D1 iD1
R
iD3
ic
(rad) π 2
3π 2
D1 , D3 D2 , D4
i1
i Ve(t)
Tr
V1 + Etat des diodes
Uc
Ve
-Ve
Tension aux bornes de la charge
ic
Ve/R
-Ve/R
Courant traversant la charge
Dr.F.BOUCHAFAA
Uc
D3 UC(t) iC(t)
Vmax Imax 0
VD1
Redressement non commandé
D2 iD4
iD2
R
Uc
D4
41
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Ve(t) Vmax
Ve(t) Ve
Vmax
(rad)
(rad) 0
π 2
3π 2
0
0
(rad)
3π 2
3π 2
(rad)
UC(t) iC(t) π 2
π 2
Vmax Imax 0
Ve
-Vmax
π 2
3π 2
VD1(t)
D1 , D3 D2 , D4
D1 , D3 D2 , D4
Uc
Uc
Ve
-Ve
ic
Ve/R
-Ve/R
Dr.F.BOUCHAFAA
VD1 Redressement non commandé
Ve
-Ve
0
Ve Tension aux bornes de la diode 42
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene La tension moyenne de Uc :
1 1 V 2Vmax π Uc Ucmoy U C (t)dt Vmax . sin .d max cos 0 TT π0 π π
U cmoy
2Vmax π
U ceff
Vmax 2
La tension efficace de Uc : T
U
2 ceff
2 Vmax 1 1 2 2 2 U c t dt Vmax sin d T0 0 π
1 cos 2 d 0 2
Le courant moyen et efficace de ic(t) :
U Cmoy R.i
U Ceff R.i
Cmoy
Ceff
I cmoy I ceff
2Vmax π.R 1 V max 2 R
La tension maximale à supporter par la diode en inverse est: Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement non commandé
VDmax=-Vmax 43
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Débit sur une charge inductive (R-L)
ic i1
Tr
VD1
i Ve(t)
V1 Source
D1
D2
R Uc
C.S D4
D3 L Charge
Montage d’un redresseur monophasé alimentant une charge inductive
Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement non commandé
44
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
ic ic
Ve(t) Vmax
VD1
Ve
ii Ve(t) Ve(t)
D D11
D2
R R Uc Uc
C.S C.S
(rad) 0
π 2
3π 2
D4
(rad)
UC(t) iC(t)
Vmax Imax
(rad) 0
D D33 LL
π 2
3π 2
0
-Vmax
π 2
3π 2
VD1(t)
D1 , D3 D2 , D4
D1 , D3 D2 , D4
Etat des diodes
Uc
Ve
-Ve
ic
Icmoy
Icmoy
Dr.F.BOUCHAFAA
Uc
Ve
-Ve
0 Ve Tension aux bornes de la V charge D1 Tension aux bornes de la diode Courant traversant la charge Redressement non commandé
45
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene La tension moyenne de Uc :
1 1 V 2Vmax π Uc Ucmoy U C (t)dt Vmax . sin .d max cos 0 TT π0 π π
U cmoy
2Vmax π
U ceff
Vmax 2
La tension efficace de Uc : T
U
2 ceff
2 Vmax 1 1 2 2 2 U c t dt Vmax sin d T0 0 π
1 cos 2 d 0 2
Le courant moyen et efficace de ic(t) :
U Cmoy R.i
Cmoy
I cmoy
2Vmax π.R
La tension maximale à supporter par la diode en inverse est: Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement non commandé
VDmax=-Vmax 46
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REDRESSEMENT COMMANDÉ MONOPHASÉS Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement commandé monophasé
3
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
PLAN DE TRAVAIL 1 2 3 4
Commutation simple alternance à thyristor Commutation parallèle simple - P2 à thyristors Commutation parallèle double - PD2 à thyristors Commutation parallèle double - PD2 Mixte
5 Dr.F.BOUCHAFAA
Conclusion
Redressement commandé monophasé
4
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Les montages redresseurs sont des convertisseurs de l'électronique de puissance qui assurent directement la conversion alternatif-continu. Alimentés par une source de tension alternative monophasée, ils permettent d'alimenter en courant continu le récepteur branché à leur sortie. On utilise un redresseur chaque fois que l’on a besoin de continu alors que l'énergie électrique est disponible en alternatif. Les redresseurs ont un très vaste domaine d'applications. Les redresseurs à thyristors, ou redresseurs contrôlés, permettent de faire varier le rapport entre la ou les tensions alternatives d'entrée et la tension continue de sortie. De plus, ils sont réversibles, c'est-à dire que la puissance ne peut aller que du côté alternatif vers le côté continu. Un montage redresseur comporte : Une source monophasée. Des composants redresseurs (Thyristor).
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Redressement commandé monophasé
5
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Redressement monophasé commandé Th
Ve
Vs
Commande •
Un montage redresseur permet d’obtenir une tension continue à partir d’une tension alternative sinusoïdale quelque soit la charge
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Redressement commandé monophasé
6
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Rappels
Une tension alternative sinusoïdale est définie par l'équation :
Ve(t) Veff. 2 .sin( ω.t ) Veff : tension efficace (V)
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ω : la pulsation (rd/s)
ω = 2.π.f = 314 rd/s
Redressement commandé monophasé
7
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Commutation simple alternance à thyristor Débit sur une charge résistive R
iG Th
On envisage une structure comportant une source sinusoïdale et un thyristor pour atteindre une charge résistive. On distingue alors les trois blocs précédemment définis: une source, un commutateur et la charge.
i
ic
Ve(t) VTh
Source
C.S
Uc
R
Charge
Montage d’un redresseur commandé monophasé alimentant une charge résistive.
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Redressement commandé monophasé
8
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Ve()
Étude du fonctionnement
Ve
Vmax
Va() Va
Vmax (rad)
0
π 2
3π 2
UC(t) iC(t)
0
3π 2
VTh(t)
-Vmax Th Uc
0
Ve
0
ic
0
Ve/R
0
0
Ve
VTh Ve
Dr.F.BOUCHAFAA
Ve(t)
Vb
π 2
i
(rad )
3π 2
3π 2
(rad )
(rad) π 2
Vb() Vmax
Imax
π 2
a
(rad)
Vmax
0
Th VTh
ic Uc
R
b
Comme la charge est résistive, le courant et la tension sont en phase.
Dés que la tension d’entrée Ve est positive et un amorçage de thyristor en agissant sur sa gâchette (iG≠0) à l’instant , ce dernier devient passant jusqu'à ce que le courant qui le traverse s'annule. Or ic(t) s'annule pour t=T/2. À partir de l’instant (π), le thyristor est bloqué. Par conséquent, la tension aux bornes de la charge résistive est nulle: Redressement commandé monophasé
9
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene La tension Uc(t) :
UC(t)
Vmax
V e V max sin Pour α, Uc(t) 0 Pour 0, , 2 Le courant ic(t) :
Vmax sin si i c t R 0 si 0 2
(rad)
π 2
3π 2
iC(t)
Imax
(rad)
V(α)
π 2
3π 2
La tension VTh(t) :
0 Pour α, V Th (t) V e Pour 0, ,2
-Vmax
(rad) π 2
3π 2
VTh(t)
Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement commandé monophasé
10
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Pour α, Uc(t) V e V max sin Pour 0, ,2 Uc(t) 0
Imax
La tension moyenne de Uc :
U
cmoy
1 T
T
UC(t) iC(t)
Vmax
-Vmax
V
π 2
3π 2
VTh(t)
π
1 U c t dt 2π
(rad)
max
sin θ d θ
U cmoy
V max 1 cos 2π
La valeur moyenne de la tension de sortie Uc peut être ajustée en fonction de la valeur de l’angle de retard à l’amorçage . La tension efficace de Uc : U
2 ceff
1 T
T
1 U t dt 0 2 2 c
π
V
2 max
2 V max sin dθ 2 2
1 cos 2 dθ 2
Uceff
Vmax 2 2 sin2 2 2
La tension maximale à supporter par le thyristor en inverse est: VThmax=-Vmax Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement commandé monophasé
11
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Le courant moyen ic(t) :
i C (t) I Cmoy
1 1 i (t)dt I max sin( )dθ C T T T
I cmoy
I cmoy
U
Vmax
UC(t)
Imax
iC(t)
cmoy
-Vmax
R
V max 1 cos 2 π .R
(rad) π 2
3π 2
VTh(t)
La présence de thyristor impose que le courant ait un signe constant. La valeur moyenne de ce courant est imposée par les paramètres de la source et de la charge résistive. Le courant efficace ic(t) :
Dr.F.BOUCHAFAA
i ceff
U ceff Vmax R 2R
Redressement commandé monophasé
2 2 sin 2 2
12
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Débit sur un électromoteur (Chargeur de batterie) : iG Th
i
ic VTh
R Uc
Ve(t)
E
Source
C.S
Charge
Montage d’un redresseur monophasé avec Chargeur de batterie
Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement commandé monophasé
13
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Ve() Ve
Vmax E
π 2
3π 2
E
E
iC(t) α
π 2
3π 2
0
α < 1
π 2
(rad)
(rad)
3π 2
α > 1 α = 1
UC(t) E
Ve
0
(rad)
Vmax E Imax
Ve
Vmax (rad)
0
Ve()
La Ladurée duréede deconduction conduction
Avec :
(rad)
La Ladurée duréede deconduction conduction variée variée suivant la valeur de E suivant la valeur de E Et suivant Et suivantl’angle l’angled’amorçage d’amorçageαα
α: angle d’ouverture. 2 : angle d’extinction (fermeture).
Th Uc E ic
0
Ve
E
(Ve-E)/R
0
Dr.F.BOUCHAFAA
=( 2 - α) durée d’utilisation Redressement commandé monophasé
14
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Ve() Débit sur un électromoteur (Chargeur de batterie) : Ve Vmax E T 1 E E t1 Arc sin t 2 t1
Vmax sin t1 E
V max
E
2
(rad)
1 Arc sin
E V max
2 1
La tension moyenne de Uc :
0
π 2
T 2 1 1 2 Ucmoy Uc t dt Vmax sindθ Edθ T0 2 2
Ucmoy
3π 2
(rad)
Vmax E (cos cos 2 ) 2 2 2π 2π
Le courant moyen ic(t) :
i cmoy Dr.F.BOUCHAFAA
U cmoy E R
Vmax E 2 (cos cos 2 ) 2R 2R
Redressement commandé monophasé
15
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Ve() Débit sur un électromoteur (Chargeur de batterie) : Ve Vmax E La tension efficace de Uc : E 1 1 2 2 2 U c t dt Vmax sin dθ T0 2 2
T
U
2 ceff
E dθ 2
2
2
E (rad)
0
π 2
3π 2
(rad)
2 2 2 E V V 2 Uceff max 2 max sin 22 sin 2 2 2 4 8 2
Comme
E Vmax sinθ1
Uceff
Dr.F.BOUCHAFAA
Vmax 2 1 2 2 2 sin 2 sin 2 sin 1 2 4 2 2 Redressement commandé monophasé
16
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Ve()
Débit sur un électromoteur (Chargeur de batterie) :
Vmax sin t1 E
t1
1 E Arc sin V max
t2
E 1 Arc sin V max
T t1 2
2 1
Vmax E Imax 0
Ve
E
(rad)
π 2
3π 2
Le courant efficace ic(t) : T
i
2 ceff
1 1 i c2 t dt T 0 2 i
Comme
2 ceff
2
V max sin θ E dθ R 2
(rad)
2 2 Vmax 1 Vmax 2 sin 2 sin 2 2V max E cos cos E 2 2 2 2 2R 2 2 4
E Vmax sinθ1
iceff
Vmax 1 1 2 2 2 sin 2 sin 2 sin cos cos sin 1 2 2 1 2 4 2R 2
Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement commandé monophasé
17
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene En électrotechnique et dans l’industrie, les charges sont souvent combinées: inductive et résistive. Le schéma permettant la nouvelle étude est ci-dessous: iG Th Débit sur une charge inductive (R-L)
i
ic VTh
Montage d’un redresseur monophasé alimentant une charge inductive
Uc
Ve(t)
Étude du fonctionnement
R
Source
L
C.S
Charge
La charge est de type inductif (une résistance plus une bobine), Il apparait un déphasage entre la tension Ve et le courant i suite à l’introduction de l’inductance L . A cet effet: - Le courant i et la tension Ve ne sont plus colinéaire, - Le courant i s’annule après la tension Ve c.a.d après (T/2). Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement commandé monophasé
18
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Débit sur une charge inductive (R-L) iG
Étude du fonctionnement
Th
Suivant la définition de thyristor, il est passant lorsque la tension entre ses bornes est positive plus un amorçage au niveau de sa gâchette et il se bloque lorsque le courant qui le traverse s’annule.
i Ve(t)
ic R
VTh Uc
L
Ainsi, le thyristor Th conduit à partir de = α (t=t0) et ne se bloque pas en =(t=T/2) comme avec une charge purement résistive. De ce fait, le thyristor est toujours passant et la tension devient négative aux bornes de la charge tant que le courant ne s'annule pas. Pour cela, on est obligé d'étudier la nature du courant ic.
Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement commandé monophasé
19
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Le thyristor Th conduit dés que la tension Ve est positive et un amorçage au niveau de sa gâchette (iG≠0).
Th i
Pour le courant ic(t), on assiste à un régime transitoire régit par l’équation différentielle suivante:
di t L c Ri dt
c
t
ic
VTh
R
Ve(t)
Uc
V max sin ω t
L
La résolution de l’équation différentielle est: ic(t)=ic (t)+ic (t): H p icH(t) est le courant homogène Le courant homogène:
L di
cH
dt
Avec: τ Dr.F.BOUCHAFAA
L R
Ri cH 0
icP(t) est le courant particulier
i cH (t) K.
e
t τ
Constante du temps électrique Redressement commandé monophasé
20
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Le courant particulier
L
di
cp
dt
Ri cp V e
En régime permanent:
Icp .R j.L Ve
j.L .Icp R.I cp Ve
I cp
Ve Avec R j.L ω
Ainsi:
i cp (t)
Ve I cp . Z 2 : Z R 2 L ω 1 L ω tg R
V max sin( t ) Z
Le courant générale est:
i c (t) i cH (t) i cp (t) K. e Dr.F.BOUCHAFAA
t τ
V max sin( t ) Z
Redressement commandé monophasé
21
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
i c (t) i cH (t) i cp (t) K. e
Le courant générale est: Condition initiale
K. e
à: ic( ) 0
τ.
t τ
V max sin( t ) Z
V max sin( ) 0 Z
R V max K sin( ). e L Z
D’où :
l’expression générale iC(t) est: i c (t)
V
max
Z
sin( t ) - sin( ).
e
R ( t ) L
On remarque la superposition du régime transitoire (terme exponentiel) et du régime permanent faisant apparaître le déphasage du courant sur la tension. Le courant ne s’annule pas pour =, mais un peu au-delà en 0(0=+). Le thyristor est alors en conduction forcée si bien que la tension Uc devient négative jusqu’à l’annulation de ic. Le thyristor se bloque avec un retard 0(t0)compris entre T/2 et T car la bobine L impose la continuité du courant dans la charge. Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement commandé monophasé
22
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Chronogrammes des tensions et du courant pour une charge R-L.
Ve() Ve
Vmax
Th i (rad)
π 2
0
3π 2
UC(t) iC(t)
Imax
Uc
Supposons (rad)
π 2
3π 2
à = 0 , iC(t)=0, le thyristor s’arrête de conduire
Th
i
V(O)
Vth
Th Uc
Etat des thyristors 0
R L
Vmax
α
Ve(t)
(rad)
0
Vth
ic
Ve
Dr.F.BOUCHAFAA
0
Ve(t)
Tension aux bornes de la charge
Redressement commandé monophasé
ic R Uc
L
23
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Ve() Ve
Vmax
(rad)
π 2
0
3π 2
(rad)
Vmax V(α)
UC(t) (rad)
0
π 2
Th
Etat des thyristors 0
VTh Ve Dr.F.BOUCHAFAA
VTh(t)
V(O) -Vmax Uc
3π 2
Ve 0
0
Tension aux bornes de la charge
Ve
Tension aux bornes de thyristor
Redressement commandé monophasé
24
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Ve(t)>0lelethyristor thyristorTh Thest est Ve(t)>0 passant Uc=Ve, Uc=Ve,Vth=0 Vth=0 passant
UC(t)
Vmax
Ve(t)0 ic(t)>0 Uc(t)>0 doncPP(t)>0 (t)>0 donc V(O)
π 2
iTh(t)
3π 2
Uc(t)0 ic(t)>0 Uc(t) /6 V1
Charge resistive
UC(t) iC(t)
0
(rad) π π 6 3
π 2
5π 6
Etat des thyristors
Th
Th3
Tension aux bornes de Uc
Uc
V3
7π 6
4π 3π 3 2
Th1 0
V1
Redressement triphasés
5π 3
11π 6
Dr.F.BOUCHAFAA
V3
V2
0
Th2 V2
Th3 0 V3 46
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Montage PD3 commandé < /6
Charge inductive
V1
V3
V2
UC(t) (rad)
0
π π 6 3
5π 6
π 2
Etat des thyristors
Th
Tension aux bornes de Uc
Uc V3
Dr.F.BOUCHAFAA
Th3
7π 6
4π 3π 3 2
Th1 V1
Redressement triphasés
5π 3
11π 6
Th2 V2
Th3 V3 47
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Montage PD3 commandé = /6 V1
Charge inductive
V3
V2
UC(t) 0
(rad) π π 6 3
5π 6
π 2
Etat des thyristors
Th
Tension aux bornes de Uc Uc Dr.F.BOUCHAFAA
7π 6
4π 3π 3 2
Th1
V3
V1 Redressement triphasés
11π 6
Th3
5π 3
Th2 V2
Th3 V3 48
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Montage PD3 commandé > /6
Charge inductive
V1
V3
V2
UC(t) 0
(rad) π 6
π 3
π 2
5π 6
7π 6
4π 3π 3 2
5π 3
11π 6
Etat des thyristors
Th
Th3
Th1
Th2
Th3
Tension aux bornes de Uc
Uc
V3
V1
V2
V3
Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement triphasés
49
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Montage PD3 commandé > /2
Charge inductive
V1
UC(t)
0
(rad) π 6
π 2
π 3
5π 6
7π 6
Etat des thyristors
Th
Th3
Th1
Tension aux bornes de Uc
Uc
V3
V1
Dr.F.BOUCHAFAA
V3
V2
Redressement triphasés
4π 3π 3 2
5π 3
11π 6
Th2
V2
V2 50
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Charge inductive Montage PD3 commandé = /6 V1
V3
V2
UC(t) 0
(rad) π π 6 3
π 2
5π 6
7π 6
4π 3π 3 2
5π 3
11π 6
α ≤ π/6, la valeur moyenne de la tension redressée est positive, il en est donc de même pour la puissance active fournie par le réseau au récepteur (P=Ucmoy Ic); le transfert de puissance se fait du coté alternatif vers le coté continu, le système fonctionne en redresseur. Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement triphasés
51
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Charge inductive
Montage PD3 commandé > /6
(rad)
UC(t)
α > π/2, la valeur moyenne de la tension redressée est négative, il en est donc de même pour la puissance active fournie par le réseau au récepteur (P=Ucmoy Ic); le transfert de puissance se fait du coté continu vers le coté alternatif, le système fonctionne en onduleur ou redresseur inversé. Le réseau continu néanmoins à imposer la fréquence et à fournir de la puissance réactive, d'où la précision parfois ajoutée dans la dénomination d'onduleur non-autonome. Dr.F.BOUCHAFAA
Redressement triphasés
52
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Charge inductive Tension moyenne Uc(t): Uc
U cmoy
1 T
U C (t)dt T
3 2π
2 2 3
V 6
max
. sin .dθ
3 3 Ucmoy Vmax.cos() 2π
Courant moyenne ic(t): Icmoy
Ucmoy R
3 3 Vmax . cos( ) 2π.R
Courant qui traverse une diode I D1moy
1 T
Dr.F.BOUCHAFAA
T
i D1 t dt 0
1 2
7π 6
ic dθ π 2
Redressement triphasés
I D1moy
I cmoy 3 53
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Caractéristique de réglage
UC
3 3 .V max cos( ) 2
Ucmoy[V]
3 3 Vmax 2π
α(rad) π 2
P
P Redresseur
Dr.F.BOUCHAFAA
Onduleur
Redressement triphasés
54
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
3 3.Vmax UC cos( )
2 cas : α < 90° alors Uc>0 Réseau (GENERATEUR)
P
Ic
REDRESSEUR
P Uc
α > 90° alors UcE
IE
IC
D E
L H
Uc
R L
la charge est donc isolée de la source La charge reçoit de l’énergie de la source et de l’inductance L. IH= IE
ID= IC
on distingue deux modes de fonctionnement selon que le courant dans l’inductance L est interrompu ou non. Dr.F.BOUCHAFAA
Convertisseurs DC/DC
30
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
2- Hacheur Parallèle: hacheur survolteur t 0, T IE
H 1
E L iH
L
H
ON
E
OFF
t T, T
à t = 0, iE = Imin à t=.T, iE = Imax
di E E i E (t) t i E (0) dt L E t I min L E T I min L
i E (t) I max
H 0 E -UC di E U C i E (t) t i E ( T) dt L di E L E U C ( U C - E)dt Ldi E dt ( U C - E)(T - T) L(I min - I max )
E L
IE E
L VL
Dr.F.BOUCHAFAA
D
IC
Uc
R L
Convertisseurs DC/DC
31
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
2- Hacheur Parallèle: hacheur survolteur On détermine facilement la relation liant la tension aux bornes de la charge UC et la tension d’entrée E
I max
E T I min L
I max I min
( U C - E)(T - T) L(I (U
C
- E)(T - αT) L
min
E T L
- I max )
E αT L
UC
U C .(1 - α) E α E.(1 - α) P E P C E.I Dr.F.BOUCHAFAA
E
U C .I C I E
(U
UC IC E
Convertisseurs DC/DC
C
- E)(1 - α) E α
E (1 - α) IE
IC (1 - α) 32
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
HACHEUR REVERSIBLE
Dr.F.BOUCHAFAA
Convertisseurs DC/DC
33
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Réversibilité en puissance • • •
Les hacheurs série et parallèle sont irréversibles en puissance L’un peut transmettre une puissance d’une source de tension E vers un récepteur de tension UC (UC < E) L’autre peut transmettre une puissance d’une source de tension UC vers un récepteur de tension E (UC < E) H
IE E
•
ON
OFF
VH
iD
IC
R Uc L D
IE E
iH
L ON OFF
I D C R Uc L H
Idée : associer un hacheur série et un hacheur parallèle pour obtenir un hacheur réversible en puissance.
Dr.F.BOUCHAFAA
Convertisseurs DC/DC
34
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Réversibilité en puissance Dévolteur
HS
IE
ON
Dévolteur
Survolteur
OFF
IC
E Ds
R Uc L
HS
IE
ON
Dp
OFF
IC
E Survolteur
ON
Ds
IE
OFF
Uc Hp
R L
Dp
IC
E ON OFF
Dr.F.BOUCHAFAA
Uc Hp
Hacheur réversible en courant
R L Convertisseurs DC/DC
35
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Réversibilité en puissance
HS
IE
HS
IE
ON
ON
Dp
OFF
IC
E ON
Ds
OFF
Hp
R Uc L
Hacheur réversible en courant
Dr.F.BOUCHAFAA
Dp
OFF
E
IC
R-L Uc
Ds
ON OFF
Hp
Hacheur réversible en en tension
Convertisseurs DC/DC
36
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
3- Hacheur réversible en courant - La tension du récepteur (Uc) est inférieure à celle de la source (E) -
Quand IE > 0, la puissance va de la source vers le récepteur seul le hacheur dévolteur fonctionne
- Quand IE < 0, la puissance va du récepteur » vers la source seul le hacheur -
survolteur fonctionne Les tensions aux bornes de la source (E) et récepteur (Uc) sont toujours positives
- Seul les courants sans le récepteur (IE) et dans la source (IC) peuvent changer de sens On parle donc d’un hacheur réversible en courant HS
IE
Survolteur
ON
Dp
OFF
IC
E ON
Dévolteur
Dr.F.BOUCHAFAA
Ds
OFF
Hp
Convertisseurs DC/DC
R Uc L 37
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
3- Hacheur réversible en courant Dévolteur
Survolteur
Ds HS
IE
Dp
OFF
IC
IE
ON
HS ON
IC
E ON
Ds Dévolteur
IE
OFF
Hp
R Uc L
E
R L
Uc
OFF
Dévolteur ON OFF
Survolteur
Dp
Hp
Survolteur
IE
Ts Dp
Ts
E
IC
E Ds Dr.F.BOUCHAFAA
Tp
Dp
R Uc L Convertisseurs DC/DC
IC Tp
Ds
Uc
R L 38
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
3-Hacheur réversible en courant On commande alternativement H1 et H2 pour obtenir un changement de signe de la valeur moyenne du courant ic, alors que le signe de Uc reste le même. Commande complémentaire: Uc
= E ,
Ic
T
E
IE Ts
temps O
E
IC
αT
DS Tp
TS Dp
DS Tp
Dr.F.BOUCHAFAA
TS
DS
TS
Dp
Tp
Dp
DS Tp
ou
Convertisseurs DC/DC
Dp
Tp
R Uc L Ds
39
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
4- Hacheur réversible en tension Ce montage nécessite l’inversion de la polarité de la fcem E’, Pour passer au fonctionnement dévolteur à un fonctionnement survolteur ,si la charge est un induit d’une machine à courant continu on inversera la polarité de l’inducteur.
HS
IE
ON
Dp
OFF
E
IC
R-L Uc
Ds
ON OFF
Hp
Hacheur réversible en tension Dr.F.BOUCHAFAA
Convertisseurs DC/DC
40
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Hacheur réversible dn courant et en tension • •
Idée : deux hacheurs réversibles en courant Valeur de la tension aux bornes de la charge = α1.E - α2.E
IE
Ts
Ts
Dp
E
Dp
IC Ds
Tp
R-L Uc Ds
Tp
Hacheur réversible en courant et en tension
Dr.F.BOUCHAFAA
Convertisseurs DC/DC
41
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Hacheur réversible dn courant et en tension •
Si 1 =(1 - 2 )= = (2. - 1).E
•
Valeur de la tension aux bornes du moteur
= (2. - 1).E
T
Uc E
temps
-E
D2 D3 T2 T3
Dr.F.BOUCHAFAA
T1 T4 D1 D4
D2 D3 T2 T3
T1 T4 D1 D4
D2 D3 T2 T3
T1 T4 D1 D4
Convertisseurs DC/DC
D2 D3 T2 T3
IC > 0 IC < 0
42
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Application à l’alimentation de moteurs DC •
Alimentation par un convertisseur non réversible fonctionnement 1 quadrant
UR, Frein
Dr.F.BOUCHAFAA
Fonctionnement dans un seul sens (pas de marche arrière possible).
Pas de freinage possible (arrêt en roue libre ou par frein extérieur)
Moteur IR , C
Moteur
Frein
Convertisseurs DC/DC
43
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Alimentation par un hacheur réversible en courant •
Fonctionnement 2 quadrants
Fonctionnement dans un seul sens (pas de marche arrière possible).
Freinage possible (si le générateur est réversible en courant!)
Pas de problème lié à une conduction discontinue
UR, Frein
Moteur IR , C
Moteur
Dr.F.BOUCHAFAA
Frein
Convertisseurs DC/DC
44
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Alimentation par un hacheur réversible en courant et en tension •
Fonctionnement 4 quadrants
Fonctionnement dans les deux sens (marche avant / marche arrière).
Freinage possible (si le générateur est réversible en courant!)
Pas de problème lié à une conduction discontinue
UR, Frein
Moteur I R, C
Moteur
Dr.F.BOUCHAFAA
Frein
Convertisseurs DC/DC
45
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
USTHB, Faculté d’Electronique et Informatique Bab-Ezzouar, Alger, ALGERIE http://www.usthb.dz
LES ONDULEURS
Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
1
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
PLAN DE TRAVAIL 1 2 3 4 5
Applications des convertisseurs statiques Convertisseurs DC/AC Onduleurs Monophasés Stratégies de commande Onduleurs triphasés
Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
2
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
I
C- Conversion Continu – Alternatif (DC/AC):
t Source continue
I t
Onduleur
Récepteur alternatif
I t
Le convertisseur jouant le rôle d’interface entre une source continue et une charge alimentées suivant le type de charge, ce convertisseur est appelé onduleur autonome ou assisté.
Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
3
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
CONVERTISSEURS DC/AC Onduleur autonome: Ph +
Vs
Uc
-
N
Figure 1. Structure d’un convertisseur statique Continu - Alternatif
Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
4
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
CONVERTISSEURS DC/AC L’onduleur a pour rôle de convertir le courant continu des capteurs photovoltaïques en courant alternatif identique à celui du réseau. C’est un appareil électronique de haute technologie, géré par microprocesseur, qui garantit que le courant produit répond exactement aux normes fixées par le gestionnaire du réseau, tant en terme de qualité du courant (voltage, fréquence, émission d’harmoniques, etc.) qu’en terme de sécurité (protection de découplage). Il se présente sous la forme d’un boîtier métallique de petite dimension, muni d’un radiateur ou d’un ventilateur. Il doit être placé sur un support vertical (mur par exemple) et dans un espace ventilé. Il ne génère quasiment aucun bruit. Afin de limiter les pertes d’électricité en ligne, il doit être placé le plus près possible des modules photovoltaïques.
Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
5
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
CONVERTISSEURS DC/AC Conversion du courant continu des capteurs photovoltaïques en courant identique à celui du réseau, Appareil électronique de haute technologie, géré par µP, Placé au plus près des modules pour limiter les pertes, Protection de découplage.
Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
6
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
CONVERTISSEURS DC/AC
POWER ONE SMA
Source: www.power-one.com
Source: www.sma-america.com
XANTREX
Source: www.xantrex.com
KACO
Source: www.kacosolar.com
FRONIUS Source: www.fronius.com Dr.F.BOUCHAFAA
PV POWERED Source: www.pvpowered.com
Etude des onduleurs de tension
SOLECTRIA Source: www.solren.com 7
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Exemple des specifications d’un onduleur Xantrex GT3
Maximum AC Power Output
3000 Watts
AC Output Voltage (Nominal)
240 VAC
AC Output frequency (Nominal)
60 Hz
DC Input Voltage Range
195-600 VDC
CEC Efficiency
94%
Source: www.xantrex.com/
Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
8
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
CONVERTISSEURS DC/AC
Convertit le courant continu en courant alternatif usuel en phase avec le réseau.
Fait fonctionner les capteurs PV au maximum de leur puissance (MPPT) quelque soient l’ensoleillement et la température.
Se déconnecte en cas d’absence de tension du réseau
Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
9
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Onduleur Monophasé
Uc(V), ic(A)
- Charge résistive:
E E/R
H1 E E 1 T
E E
R Uc H2
Onduleur à deux interrupteurs électroniques:
ic
t (ms)
0 T 2
T
3
T 2
- E/R -E H1 fermé
H2 fermé
H1 fermé
H2 fermé
Figure 2. Chronogrammes de la tension et du courant pour une charge R. La valeur moyenne de Uc est =0V de même pour le courant La valeur efficace de Uc est Uc = E. et pour le courant est Ic RE Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
10
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene - Onduleur à deux interrupteurs électroniques:
- Charge résistive et inductive: D1
E
H1 R-L
E
ic
Uc H2
D2 Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
11
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene Temps
Courant ic
Tension Uc
Interrupteurs Commandés
0 < t < t1
ic < 0
Uc > 0, Uc =E
H1 : fermé
D1 Passante
ic > 0
Uc > 0, Uc =E
H1 : fermé
H1 Passant
ic < 0
Uc < 0, Uc =-E
H2 : fermé
D2 Passante
ic > 0
Uc < 0, Uc =-E
H2 : fermé
H2 Passant
T t1< t < 2 T 2 < t < t2 t2 < t < T
E E
D1
D1
D1
H1 R-L
H1 R-L
H1 R-L
Uc H2 D2 Dr.F.BOUCHAFAA
ic
E E
Uc H2 D2
E ic E
Uc H2 D2
Etude des onduleurs de tension
Eléments Passants
D1 E ic E
H1 R-L
ic
Uc H2 D2 12
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
Uc(V), ic(A) E t (ms)
0 t1
T 2
t2
t1+T 3 T
T
2
-E H1 fermé D1 Éléments Conducteurs
H1
H2 fermé D2
H2
H1 fermé D1
H1
H2 fermé D2
H2
Figure 3. Chronogrammes de la tension et du courant pour une charge R-L.
Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
13
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene - Onduleur à quatre interrupteurs électroniques:
- Structure
i H1
D1
H2
D2
Uc E
ic D4
H4
D3
H3
Figure 4. représente un onduleur à quatre interrupteurs alimentant une charge inductive
Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
14
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene - Stratégie de commande - Commande symétrique (Commande adjacente): La commande du pont est symétrique H1 et H3 sont fermés simultanément pendant la moitié de la période. Le reste de la période voit la fermeture des interrupteurs H2 et H4. Lorsque H1 et H3 sont fermés, les deux autres interrupteurs sont nécessairement ouverts. Temps
Courant ic
Tension Uc
Interrupteurs Commandés
Eléments Passants
0 < t < t1
ic < 0
Uc > 0, Uc =E
H1 et H3 fermés
D1 et D3 Passantes
T 2
ic > 0
Uc > 0, Uc =E
H1 et H3 fermés
H1 et H3 Passants
T 2 < t < t2
ic > 0
Uc < 0, Uc =-E
H2 et H4 fermés
D2 et D4 Passantes
t2 < t 0
Uc > 0, Uc =E
H1 et H3 fermés
H1 et H3 Passants
T 2
ic > 0
Uc =0, Uc =0
H3 et H4 fermés
H3 et D4 Passants
T t tb 2
ic > 0
Uc < 0, Uc =-E
H2 et H4 fermés
D2 et D4 Passantes
tb t t2
ic < 0
Uc < 0, Uc =-E
H2 et H4 fermés
H2 et H4 Passants
t2 t T
ic < 0
Uc =0, Uc =0
H1 et H2 fermés
H2 et D1 Passants
Temps
t1 t
Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
19
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene - Commande décalée:
i
i D1
H1
ta t t1
Uc
E
H2
D2
D3
H4
D2
t1 t
D4
D3
H4
T 2
H3
i
D1
H1
Uc
E
H2
D2
Uc
E
D3
H4
D1
H1
ic D4
H3
i
H2
D2
tb t t2
ic D4
D3
H4
H3
i D1
H1
t2 t T
H2
ic
H3
i
T t tb 2
Uc
E
ic D4
D1
H1
Uc
E
H2
D2
Dr.F.BOUCHAFAA
H4
D3
Uc
E
ic D4
D1
H1
H3
H2
D2
0 t ta
ic D4
Etude des onduleurs de tension
H4
D3
H3
20
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene - Commande décalée:
Uc(V), ic(A) E t (ms)
0 ta
t1
T 2
tb
t2
ta+T t1+T T 3
T
2
-E H1 H3 D1 Eléments Conducteurs D3
H1 H3
H4 H2
H1 H3
D4
H4 D2
D1
H2
H4 H2 D4
H1 D3
H3
D2
Figure 6. Chronogrammes de la tension et du courant pour une Commande décalée. Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
21
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene - Commande décalée:
La charge est inductive, le courant dans la charge ic est sinusoïdal. Le courant ic est en retard par rapport à la tension aux bornes de la charge. La valeur moyenne de Uc est :
La valeur efficace de Uc est:
Dr.F.BOUCHAFAA
U c 0V Uc E
t1 2 T
Etude des onduleurs de tension
22
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene
. Onduleur de tension triphasée: - Structure
is
A H1
D1 1
E
H'1
H2
V i1
D'1
D2
2 H'2
Charge triphasée
H3
D3
V1 N
V
i2 D'2
3
V
H'3
i3 D'3
V3
B Figure 7. Représentation d’un onduleur de tension triphasé Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
23
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. Onduleur de tension triphasée: Source
Charge
Système triphasé Phase 1 Phase 2 Phase 3
Neutre
V1
U12 V2
U23
1
Z
2
Z
3
Z
U31
V3
N
U12 = V1 - V2
Tensions V = Tensions simples, entre neutre et phase Tensions U = Tensions composées, entre phases
Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
24
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. Onduleur de tension triphasée: Chronogrammes U 2
u12
u23
u31
Système triphasé
Diagramme de Fresnel U12
V3 U31
V 2
V2 V1
0
T
t
V2 U23
opposé de u12
Relation entre les valeurs efficaces :U
3 .V
Exemple : Distribution basse tension : V = 231 V et U = 400 V Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
25
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. Onduleur de tension triphasée: Système triphasé
Couplage étoile
Couplage triangle
1
1
Zy Zy
Zy
Zd
Zy 3 2
U12
V1 Z y
Zd
2
V2 Z y
U23
3
V3
Zd
3
U31
N Dr.F.BOUCHAFAA
Zd
1
1 2
2
Zd N
3
Zd
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26
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Système triphasé 3 phases 1,2,3 ou A,B,C ou R,S,T et un neutre N
Tensions simples
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Tensions composées
Etude des onduleurs de tension
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U12 V1 V2 (1) (2) U23 V2 V3 U V V 3 1 (3) 31
i1 i 2 i 3 0 V1 V 2 V 3 0
U12 U31 2.V1 V2 V3 3.V1 1 V 1 .(U 3 1 .(U 3 1 .(U 3
V2
V3
Dr.F.BOUCHAFAA
12
U
31
)
23
U
12
)
31
Etude des onduleurs de tension
U
23
)
28
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene H1
H'1
H'2 H3
U1
H1
H2 H'3
H'2 H3
H2 H'3
E
0
U2 E
0 U3 E
0
Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
29
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene H1
H'1
H'2 H3
U1
H1
H2 H'3
H'2 H3
H2 H'3
E
0
U2 E
0 u12 E 0 -E
Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
30
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene H1
H'1
H'2 H3
U1
H1
H2 H'3
H'2 H3
H2 H'3
E
U3
0
E
0 u31 E 0
-E
Dr.F.BOUCHAFAA
Etude des onduleurs de tension
31
Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene H1
H'1
H'2 H3
H1
H2 H'3
H'2 H3
H2 H'3
u12 E 0
-E u31 E 0
-E 2 3
v1
E 0
2 E 3
Dr.F.BOUCHAFAA
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Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene H'1
H1 H'2 H3
H1
H2
H'2 H3
H'3
H
2
H'3
v1 2 E 3 0
2 E 3
Figure 8. Chronogrammes de la tension simple V1 d’un onduleur de tension triphasé
Dr.F.BOUCHAFAA
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Merci de votre attention
Dr.F.BOUCHAFAA
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