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2011 M.L.LOUAZENE Département de Génie Electrique Université de Ouargla Electro

2011 M.L.LOUAZENE Département de Génie Electrique Université de Ouargla Electronique de Puissance (Cours et Exercices) Table des matières I Table des matières Introduction générale ............................................................................................................... 1 Chapitre 1 : Les composants de l’électronique de puissance .................................... 2 1 Introduction ....................................................................................................................... 2 2 Diode de puissance ........................................................................................................... 2 2.1 Présentation .................................................................................................................. 2 2.2 Principe de fonctionnement ......................................................................................... 3 2.3 Caractéristique Tension-Courant ................................................................................. 3 2.4 Critères de choix d’une diode ..................................................................................... 4 2.5 Protection de la diode .................................................................................................... 4 3 Thyristor (SCR) ................................................................................................................ 5 3.1 Présentation .................................................................................................................. 5 3.2 Principe de fonctionnement ......................................................................................... 6 3.3 Caractéristique Tension-Courant ................................................................................. 6 3.4 Critères de choix d’un thyristor ................................................................................... 7 3.5 Protection du thyristor .................................................................................................. 8 4 Thyristor (GTO) ............................................................................................................... 9 4.1 Présentation .................................................................................................................. 9 4.2 Principe de fonctionnement ......................................................................................... 9 5 Triac ................................................................................................................................. 10 5.1 Présentation ................................................................................................................ 10 5.2 Principe de fonctionnement ....................................................................................... 10 5.3 Caractéristique Tension-Courant ............................................................................... 10 6 Le diac ............................................................................................................................. 11 6.1 Présentation ................................................................................................................ 11 6.2 Principe de fonctionnement ....................................................................................... 11 7 Transistor bipolaire de puissance ..................................................................................... 12 7.1 Présentation ................................................................................................................ 12 7.2 Principe de fonctionnement ....................................................................................... 12 7.3 Critères de choix d’un transistor ................................................................................ 13 7.4 Protection du transistor ............................................................................................... 13 8 Transistor MOS de puissance ........................................................................................... 14 8.1 Présentation ................................................................................................................ 14 8.2 Principe de fonctionnement ....................................................................................... 14 9 Transistor IGBT ................................................................................................................ 14 Chapitre 2 : Les hacheurs ........................................................................................... 15 1 Définition ........................................................................................................................ 16 1.1 Principe de fonctionnement ...................................................................................... 17 1.2 Le rapport cyclique : α ................................................................................................ 17 2 Le hacheur série .............................................................................................................. 17 2.1 Débit sur une charge résistive .................................................................................... 17 2.2 Débit sur une charge active R, L, E. ........................................................................... 19 3 Hacheur à deux quadrants ............................................................................................ 22 3.1 Equations du circuit ................................................................................................... 23 3.2 Valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge . ............................................ 23 Table des matières II 3.3 Valeur moyenne du courant ...................................................................................... 24 3.4 Ondulation du courant dans la charge . ....................................................................... 24 4 Hacheur à quatre quadrants ............................................................................................ 25 4.1 Valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge . ............................................ 25 4.2 Principe du fonctionnement . ...................................................................................... 26 4.3 Stratégie de commande . ............................................................................................. 26 5 Hacheur parallèle (élévateur de tension) ......................................................................... 27 5.1 Analyse du fonctionnement. ....................................................................................... 28 5.2 Valeur moyenne de la tension. .................................................................................... 29 5.3 Ondulation du courant dans la charge . ........................................................................ 29 6 Exercices sur le hacheur série ......................................................................................... 30 7 Exercices sur le hacheur à quatre quadrants ................................................................... 34 8 Exercices sur le hacheur parallèle ................................................................................... 36 Chapitre 3 : Le redressement commandé ................................................................. 34 I Redressement monophasé commandé ............................................................................. 39 1 Définition ........................................................................................................................ 39 1.1 Le thyristor ................................................................................................................. 39 1.2 Fonctionnement du thyristor ...................................................................................... 40 2 Redressement commandé mono-alternance ................................................................... 41 2.1 Débit sur charge résistive ........................................................................................... 41 2.2 Analyse du fonctionnement ...................................................................................... 41 2.3 Valeur moyenne de la tension redressée .................................................................... 42 2.4 Valeur du courant moyen ........................................................................................... 42 3 Redressement commandé double-alternance ................................................................. 42 3.1 Pont mixte .................................................................................................................. 42 3.1.1 Débit sur charge inductive .......................................................................................... 41 3.1.2 Débit sur charge (R –L-E) moteur à courant continu ................................................ 41 3.2 Pont tout thyristors ...................................................................................................... 45 3.2.1 Débit sur charge résistive (R) .................................................................................... 42 3.2.2 Débit sur charge (R –L-E) moteur à courant continu ................................................ 42 3.3 Transformateur à point milieu avec deux thyristors ................................................... 48 II Redressement triphasé commandé .................................................................................. 49 1 Redressement triphasé commandé simple alternance ...................................................... 49 2 Pont triphasé tout thyristors ............................................................................................. 51 3 Pont triphasé mixte ........................................................................................................... 52 4 Exercices sur Le redressement monophasé commandé .................................................. 54 Chapitre 4 : Le gradateur monophasé ...................................................................... 48 1 Définition ........................................................................................................................ 58 2 Constitution d’un gradateur ............................................................................................. 58 3 Types de gradateurs ........................................................................................................ 59 3.1 Gradateur à angle de phase ....................................................................................... 59 3.2 Gradateur à train d’onde ............................................................................................ 61 4 Exercices sur Le gradateur monophasé ........................................................................... 63 Table des matières III Chapitre 5 : Les onduleurs ......................................................................................... 62 1 Définition ........................................................................................................................ 64 2 L’onduleur à quatre interrupteurs (pont) ......................................................................... 64 3 Principe general de fonctionnement ............................................................................... 65 3.1 Commande symétrique ............................................................................................... 65 3.2 Commande décalée .................................................................................................... 68 3.3 Modulation de largeur d’impulsion : MLI .................................................................. 70 4 Les harmoniques.............................................................................................................. 71 5 Exercices sur l’onduleur monophasé ............................................................................... 73 Chapitre 6 : Circuit de commande et de puissance.................................................. 76 1 Introduction ..................................................................................................................... 76 2 Description generale du montage d’electronique de puissance....................................... 77 2.1 Bloc de commande ...................................................................................................... 77 2.2 Bloc d’amplification ................................................................................................... 78 2.3 Bloc de protection ....................................................................................................... 78 2.4 Bloc de puissance ....................................................................................................... 79 Introduction 1 Introduction L'électronique de puissance est l'une des branches de l'électrotechnique, elle concerne l’étude de la conversion statique de l'énergie électrique, la conversion est réaliser au moyen des convertisseurs permettant de changer la forme de l'énergie électrique disponible en une forme approprie à l’alimentation d’une charge. L'électronique de puissance comprend l'étude, la réalisation, la maintenance : Des composants électroniques utilisés en forte puissance. Des structures des convertisseurs de la commande de ces convertisseurs. Des applications industrielles de ces convertisseurs. On distingue généralement quatre grandes fonctions des convertisseurs de l'électronique de puissance : Le document est structuré en six chapitres qui couvrent le programme officiel d’électronique de puissance de la première année master en génie électrique. Les chapitres sont complétés par des travaux dirigés et travaux pratiques. Le premier chapitre s’intéresse à l’étude des caractéristiques des composants utilisés en électronique de puissance. On y trouve l’étude des diodes, des thyristors, des transistors et ces dérivés. Le second chapitre est réservé à l’étude des convertisseurs DC/DC. Le troisième chapitre est consacré à l’étude des redresseurs monophasés et triphasés commandés. Le quatrième chapitre traite les convertisseurs AC/AC On étudie les différentes configurations de gradateur. Le cinquième chapitre s’intéresse à l’étude des onduleurs monophasés DC/AC. Le sixième chapitre traite les circuits de commandes des convertisseurs. Gradateur Redresseur Onduleur Hacheur Alternatif Continu Alternatif Continu Chapitre I Les composants de l’électronique de puissance 2 Les composants de l’électronique de puissance 1. Introduction : L'électronique de puissance concerne les dispositifs (convertisseurs) permettant de changer la forme de l'énergie électrique. L’électronique de puissance utilise des composants semi-conducteurs pour réaliser les fonctions de commutation (interrupteurs) chargées d’adapter les tensions et les courants issus d’un réseau de distribution pour satisfaire les besoins de la charge à alimenter. 2. Diode de puissance : 2.1 Présentation : La diode de puissance Figure ci-contre, est un composant électronique unidirectionnel non commandable (ni à la fermeture ni à l’ouverture). Elle n’est pas réversible en tension et ne supporte qu’une tension anode-cathode négative (VAK < 0) à l’état bloqué. Elle n’est pas réversible en courant et ne supporte qu’un courant dans le sens anode-cathode positif à l’état passant (iAK > 0). TGV «Train à grande vitesse » « Symbole de la diode » Chapitre I Les composants de l’électronique de puissance 3 2.2 Principe de fonctionnement : Le fonctionnement de la diode s’opère suivant deux modes : Diode passante (ON), tension VAK = 0 pour iAK > 0 Diode bloquée (OFF), courant iAK = 0 pour VAK < 0 2.3 Caractéristique Tension-Courant : Valeurs maximales admissibles : IF max : courant direct (Forward) maximal admissible. VRmax : tension inverse (Reverse) maximale admissible. Tension de seuil (ou de "déchet") : Vd =0,6 à 0,7 V Phénomène "d’avalanche" : danger ! Diode bloquée : VAK< 0, iAK = 0 Diode passante : VAK = 0, iAK > 0 « Caractéristiques Tension-Courant de la diode» Chapitre I Les composants de l’électronique de puissance 4 2.4 Critères de choix d’une diode : Avant tout dimensionnement en vue de choisir les composants, on se base sur les valeurs extrêmes de ces grandeurs qui sont prises en considération : • la tension inverse de VAK à l’état bloqué ; • le courant moyen de iAK (<iAK >) à l’état passant ; Remarque : Par sécurité de dimensionnement, on applique un coefficient de sécurité (de 1,2 à 2) à ces grandeurs. 2.5 Protection de la diode : 1-Protection contre les surintensités : Cette protection est assurée par un fusible ultra rapide (UR) dont la contrainte thermique est plus faible que celle de la diode. (Si bien qu’il « fond » avant la diode.) « Diode de puissance » « Fusible ultra rapide » Chapitre I Les composants de l’électronique de puissance 5 2-Protection thermique : a-Refroidissement naturelle : En fonctionnement normal, la jonction PN soumise le risque d’atteindre une température trop élevée (θjmax donnée par le constructeur). Pour palier cet inconvénient, le composant est monté sur un dissipateur thermique ou « radiateur » pour assurer l’évacuation de l’énergie thermique. b-Refroidissement par ventilation forcée : Il est utilisé pour les composants de moyennes puissances. c-Refroidissement à eau ou à huile: Il est réservé aux composants de forte puissances, le liquide circulant dans le radiateur pour évacuer la chaleur. 3-Protection en dv/dt et di/dt : Les semi-conducteurs sont très sensibles aux variations brutales de tension et de courant qui apparaissent lors des commutations. Contre les variations de courant, on utilise une inductance (qui retarde le courant) tandis que le condensateur retarde la tension. 3. Thyristor (SCR) : 3.1 Présentation : Le thyristor est un composant électronique unidirectionnel (le courant passe dans un seul sens) commandé à la fermeture, mais pas uploads/Industriel/ cours-d-electronique-de-puissance.pdf