Polycopie de Cours PPT LGE604 20012 BF

July 14, 2017 | Author: Ilyes Iberraken | Category: Rectifier, Diode, Power Electronics, High Voltage Direct Current, Electric Power
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cours de lge 604 usthb Dr. F.Bouchafaa 2011/2012...

Description

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

1

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

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

Dr.F.BOUCHAFAA

2

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

Les interrupteurs semi conducteurs

Dr.F.BOUCHAFAA

3

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

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

4

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

Energie

Système

Energie

Electrotechnique Commande, Contrôle

Information Signal

Système Electronique (Automatique, Informatique

Information Signal

Alimentation

Dr.F.BOUCHAFAA

5

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

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.

Dr.F.BOUCHAFAA

7

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

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

Dr.F.BOUCHAFAA

8

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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9

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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10

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.

Dr.F.BOUCHAFAA

11

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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12

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

13

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

Applications des convertisseurs statiques:

1 2 3

Transport

4

Production et Distribution de l’électricité

Applications domestiques Applications industrielles

Dr.F.BOUCHAFAA

14

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

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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15

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

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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16

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

Applications des convertisseurs statiques: Applications industrielles: - Pompes, compresseurs. -Variation de vitesse. -Chariots électriques. -Chauffage par induction.

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17

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

Applications des convertisseurs statiques: Applications industrielles: - Grues. - Fours (à arcs, à résistance).- Appareils de soudage.- Électrolyse.Onduleurs de secours.

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18

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

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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19

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

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).

Dr.F.BOUCHAFAA

20

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

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

21

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

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.

Dr.F.BOUCHAFAA

22

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

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).

Dr.F.BOUCHAFAA

23

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Les diodes de puissance 1. Diodes

Dr.F.BOUCHAFAA

24

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

Dr.F.BOUCHAFAA

K

A

K

25

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

26

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.

Dr.F.BOUCHAFAA

1. Diodes

27

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene 1. Diodes

Dr.F.BOUCHAFAA

28

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene 1. Diodes

a) Faible puissance < 1W b) Puissance moyenne

c) Puissance élevée (kW) Dr.F.BOUCHAFAA

29

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene 1. Diodes

Dr.F.BOUCHAFAA

30

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene 1. Diodes

4500V/800A press pack and 1700V/1200A module diodes

Dr.F.BOUCHAFAA

31

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



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

USTHB, Faculté d’Electronique et Informatique Bab-Ezzouar, Alger, ALGERIE http://www.usthb.dz

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).

Dr.F.BOUCHAFAA

Redressement commandé monophasé

5

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

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

Dr.F.BOUCHAFAA

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)

Dr.F.BOUCHAFAA

ω : la pulsation (rd/s)

ω = 2.π.f = 314 rd/s

Redressement commandé monophasé

7

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

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.

Dr.F.BOUCHAFAA

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 sindθ   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 )  2R 2R

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 22  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   2R 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

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

. 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

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

. 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

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

. 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

Etude des onduleurs de tension

26

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

Système triphasé 3 phases 1,2,3 ou A,B,C ou R,S,T et un neutre N

Tensions simples

Dr.F.BOUCHAFAA

Tensions composées

Etude des onduleurs de tension

27

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

 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

Etude des onduleurs de tension

32

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

Etude des onduleurs de tension

33

Université des Sciences et de Technologie Houari Boumediene

Merci de votre attention

Dr.F.BOUCHAFAA

Etude des onduleurs de tension

34

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