Introduction à l`électronique l électronique de puissance (fonction

Introduction à
l électronique
l’électronique
de puissance
(fonction « convertir »)
Plan
I. Électronique de Puissance (EnPu)
„
Introduction et définitions
II Fonctions
II.
F
ti
de
d base
b
ett terminologie
t
i l i d
des convertisseurs
ti
statiques
t ti
„
„
II.1 Introduction
II.2 Description
p
des classes de convertisseurs
III. Association de fonctions de base : Cascade de convertisseurs
IV. Constitution des convertisseurs statiques
„
„
IV.1 Caractéristiques
IV.2 Intérêt d’un dispositif de conversion d’énergie à pertes minimales
−
−
−
„
IV.2.1 Première solution : Gradation par rhéostat
IV.2.2 Évolution : Gradation par autotransformateur à rapport variable
IV.2.3 Phase finale : Gradation par convertisseur statique
IV.3 Composants
p
utilisables
−
−
−
Yvan Crévits
Septembre 2005
IV.3.1 Annulation de la puissance moyenne dissipée par un dipôle
IV.3.2 Composants fonctionnant en commutation
IV.3.3 Composants réactifs
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Électronique de Puissance : Définitions (1/2)
I. Définitions
II. Fonctions de base et terminologie des convertisseurs
statiques
III. Association de fonctions de base : cascade de
convertisseurs
IV. Constitution des convertisseurs statiques
Énergie électrique 1
+
Mouvement
ME
Énergie
électrique 2
Énergie électrique 1
+
Composants interconnectés
Conversion
statique
q
Énergie
électrique 2
Électronique de Puissance
„Branche particulière très liée à l’Électrotechnique (courants forts)
„Étude de la conversion statique
q de l’énergie
g électrique
q
„Moyens statiques : Composants électroniques à semi-conducteurs
− Les composants remplacent les machines tournantes
− Machines
M hi
él
électriques
ti
ttournantes
t : Né
Nécessité
ité d
de « mouvementt » → Dynamique
D
i
Yvan Crévits
Septembre 2005
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Électronique de Puissance : Définitions (2/2)
Avantages de l’Électronique de Puissance
(par rapport aux machines)
I. Définitions
II. Fonctions de base et terminologie des convertisseurs
statiques
III. Association de fonctions de base : cascade de
convertisseurs
IV. Constitution des convertisseurs statiques
„Utilisation
U ili i souple
l et efficace
ffi
de
d l’énergie
l’é
i él
électrique
i
: Meilleurs
M ill
rendements
d
;
„Pour l’énergie électrique, amélioration :
− De sa gestion,
g
,
− De son transport
− De sa distribution
„Dispositifs électriques :
− Taille et de masse réduites,
− Fonctionnement ultrasonore (travail à des fréquences supérieures à 20 kHz)
Moyens
„Convertisseurs statiques
„Il permettent
„Ils
tt t de
d transformer
t
f
− L’énergie électrique du réseau d’alimentation (offre)
− En une forme appropriée à la charge connectée (demande)
Yvan Crévits
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Fonctions de base : Introduction (1/3)
Énergie électrique « primaire »
I. Définitions
II. Fonctions de base et terminologie
II.1. Introduction
III. Association de fonctions de base : cascade de
convertisseurs
IV. Constitution des convertisseurs statiques
„Forme alternative
− Changement de signe des grandeurs électriques
− Disponible au travers d’un réseau de distribution industriel ou un alternateur
„Sous forme continue
− Grandeur unidirectionnelle (un seul signe)
− Fournie par des batteries d’accumulateurs
d accumulateurs ou des génératrices à courant continu
„La charge nécessite la forme d’énergie appropriée
− Alternative ou continue suivant sa nature
Yvan Crévits
Septembre 2005
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Fonctions de base : Introduction (2/3)
I. Définitions
II. Fonctions de base et terminologie
II.1. Introduction
III. Association de fonctions de base : cascade de
convertisseurs
IV. Constitution des convertisseurs statiques
Fonction « convertir »
Énergie entrante
(primaire)
Énergie sortante
Convertir
l énergie
l’énergie
électrique
Convertisseur statique
Quatre classes de convertisseurs statiques
„Redresseur : alternatif → continu,
„Hacheur : continu → continu,
„Onduleur : continu → alternatif
„Gradateur ou cyclo-convertisseur : alternatif → alternatif.
Yvan Crévits
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Fonctions de base : Introduction (3/3)
Réversibilité du convertisseur
I. Définitions
II. Fonctions de base et terminologie
II.1. Introduction
III. Association de fonctions de base : cascade de
convertisseurs
IV. Constitution des convertisseurs statiques
La charge
„Reçoit de l’énergie
„Fournit de l’énergie
Conséquence
„Le convertisseur doit avoir un comportement approprié de la source
Ch i d’un
Choix
d’ convertisseur
ti
adapté
d té
„Insensible au sens de transfert de l’énergie
„Deux natures de convertisseurs
Convertisseur
Con
ertisse r
non réversible
Yvan Crévits
Septembre 2005
Charge
Convertisseur
réversible
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Charge
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Description des classes de convertisseurs
I. Définitions
II. Fonctions de base et terminologie
II.2. Description des classes de convertisseurs
III. Association de fonctions de base : cascade de
convertisseurs
IV. Constitution des convertisseurs statiques
Réseaux et charges continus
„Caractérisation en valeurs moyennes
∫
1 s(t)d t
T
T
Réseaux et charges alternatifs
„C
„Caractérisation
té i ti en valeurs
l
efficaces
ffi
∫
1 s2 (t) dt
T
T
Schéma global de conversion
Action sur les
valeurs
Source continue (=)
Récepteur continu (=)
Hache r
Hacheur
<u1>, <i1>
<u2>, <i2>
Redresseur
Source alternative (∼)
2
2
f1
<u1 >,, <i1 >,, fréquence
q
Yvan Crévits
Septembre 2005
Gradateur
Action sur les
valeurs efficaces
Onduleur
Récepteur alternatif (∼)
2
2
f2
<u2 >,, <i2 >,, fréquence
q
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Association de fonctions de base :
Cascade de convertisseurs
I. Définitions
II. Fonctions de base et terminologie
III. Association de fonctions de base : Cascade de
convertisseurs
IV. Constitution des convertisseurs statiques
Types de conversions :
„Directes
„Indirectes
Exemple 1 : Variateur pour machines alternatives
Vers charge
alternative
Source
alternative
Redresseur
((∼ / =))
Filtre
Onduleur
((= / ∼))
Exemple 2 : Alimentation à découpage
Transformateur
Source
alternative
Redresseur
( ∼ / =)
Filtre
(fonction isoler)
Consigne
Yvan Crévits
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Onduleur
((= / ∼)
Vers charge
continue
Redresseur
( ∼ / =)
Filtre
+ –
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Constitution des convertisseurs statiques :
Caractéristiques
Niveaux de puissance importants
I. Définitions
II. Fonctions de base
III. Association de fonctions de base : cascade de
convertisseurs
IV. Constitution des convertisseurs statiques
IV.1. Caractéristiques
„Assurer la conversion d’énergie en recherchant le meilleur rendement
Principales raisons
„Diffi lté ou impossibilité
„Difficultés
i
ibilité d’é
d’évacuer ou di
dissiper
i
lles pertes
t ((sous fforme d
de chaleur)
h l );
„Coût des dispositifs d’évacuation et de refroidissement très vite prohibitif ;
La fiabilité des composants diminue quand la température augmente ;
„La
„Garantir une autonomie suffisante aux appareils fonctionnant sur batteries ;
„Garantir un bilan technico-économique satisfaisant.
C’est sur ces considérations techniques et économiques que s’appuie le
développement des convertisseurs
Yvan Crévits
Septembre 2005
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Intérêt d’un dispositif de conversion
d’énergie à pertes minimales (1/4)
I. Définitions
II. Fonctions de base
III. Association de fonctions de base : cascade de
convertisseurs
IV. Constitution des convertisseurs statiques
IV.2. Dispositif de conversion d’énergie à pertes minimales
Exemple : Alimentation d’une lampe en éclairage domestique
„Réseau d’alimentation électrique à tension constante
„Variation d’intensité lumineuse
− Par le réglage de la tension
− Par le réglage du courant circulant dans la lampe
„Solution par insertion un dispositif en série entre le secteur et la lampe
Pour simplifier le raisonnement
„On suppose la valeur de la résistance de la lampe constante
Yvan Crévits
Septembre 2005
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Intérêt d’un dispositif de conversion
d’énergie à pertes minimales (2/4)
I. Définitions
II. Fonctions de base
III. Association de fonctions de base : cascade de
convertisseurs
IV. Constitution des convertisseurs statiques
IV.2. Dispositif de conversion d’énergie à pertes minimales
Première solution :
Gradation par rhéostat
Source de
S
d
tension
alternative
„Rh nulle
Hypothèse :
Rhé t t
Rhéostat
Lampe
„Rh maximale
Rlampe << Rhmax
„¼ luminosité lampe max
max.
− P lampe maximale
− P lampe minimale
− Chute de tension moitié
− Pmax
− Pmin
− Rendement 50%
„Conclusion
− La puissance inutilisée est perdue
− Rendement variable (et souvent médiocre)
Yvan Crévits
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Intérêt d’un dispositif de conversion
d’énergie à pertes minimales (3/4)
Gradation par autotransformateur
I. Définitions
II. Fonctions de base
III. Association de fonctions de base : cascade de
convertisseurs
IV. Constitution des convertisseurs statiques
IV.2. Dispositif de conversion d’énergie à pertes minimales
à rapport variable
Source de
tension
alternative
Lampe
Autotransformateur
„Tension lampe nulle
„Tension lampe maximale
− P lampe nulle
− P lampe maximale
„¼ luminosité lampe max
max.
− Chute de tension moitié
− Rendement 100%
„Conclusion
− Pas de puissance perdue
− Rendement maximal
− Nécessité d’un autotransformateur coûteux
Yvan Crévits
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Intérêt d’un dispositif de conversion
d’énergie à pertes minimales (4/4)
I. Définitions
II. Fonctions de base
III. Association de fonctions de base : cascade de
convertisseurs
IV. Constitution des convertisseurs statiques
IV.2. Dispositif de conversion d’énergie à pertes minimales
Gradation par convertisseur statique
Source de
tension
alternative
„Tension lampe nulle
Gradateur
„Tension lampe maximale
− P lampe nulle
Lampe
„¼ luminosité lampe max
max.
− P lampe maximale
− Chute de tension moitié
− Rendement 100%
„Conclusion
− Pas de puissance perdue
− Rendement maximal
− Composant statique peu coûteux (la commande un peu plus)
Yvan Crévits
Septembre 2005
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Convertisseur à pertes minimales :
Composants utilisables (1/3)
Puissance dissipée par un dipôle
I. Définitions
II. Fonctions de base
III. Association de fonctions de base : cascade de
convertisseurs
IV. Constitution des convertisseurs statiques
IV.3. Composants utilisables
i(t)
u(t)
Expression de la puissance :
Ab
Absence
d
de pertes
t :
p (t ) = u (t ) ⋅ i (t )
P = p (t ) = 0
Conséquences – Pour obtenir une puissance moyenne nulle
nulle, il faut :
„Une puissance instantanée nulle à tout instant,
„Une valeur moyenne de la puissance sur une période de fonctionnement nulle.
Deux classes de composants permettent ces conditions de fonctionnement
Yvan Crévits
Septembre 2005
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Convertisseur à pertes minimales :
Composants utilisables (2/3)
Première classe de composants
I. Définitions
II. Fonctions de base
III. Association de fonctions de base : cascade de
convertisseurs
IV. Constitution des convertisseurs statiques
IV.3. Composants utilisables
„L’interrupteur parfait
− Chute de tension nulle lors de la fermeture quelque soit le courant ;
− Pas de courant de fuite à l’ouverture quelque soit la tension ;
− Donc pertes nulles.
i(t) ≠ 0
i(t) = 0
u(t) ≠ 0
u(t)
()=0
„En pratique : Interrupteurs ≡ Composants à semi-conducteurs en commutation.
− Diodes,
Diodes thyristors,
thyristors triacs,
triacs GTOs,
GTOs transistors (bipolaires,
(bipolaires MOS,
MOS IGBTs) ;
− Fonctionnent exclusivement en régime de commutation.
Les fonctions de commutation ne comportent que ces éléments
Yvan Crévits
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Convertisseur à pertes minimales :
Composants utilisables (3/3)
Seconde classe de composants
I. Définitions
II. Fonctions de base
III. Association de fonctions de base : cascade de
convertisseurs
IV. Constitution des convertisseurs statiques
IV.3. Composants utilisables
„Composants réactifs :
− Inductances et condensateurs
„On adjoint les transformateurs (inductances couplées)
Les fonctions filtres (par exemple) ne comportent que ces éléments
Éviter les résistances (sauf celles qui proviennent des imperfections)
Yvan Crévits
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