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Année académique 2012-2013 ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Jules Hubert TSOCHOUNIE Ta

Année académique 2012-2013 ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Jules Hubert TSOCHOUNIE Table des matières i Table des matières INTRODUCTION A L’ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE ..................................................................................... 1 1. LES SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE .................................................................................................... 3 1.1 Notions préliminaires .......................................................................................................................................... 3 1.1.1 Etats et polarisation d’une jonction PN ....................................................................................................... 3 1.1.2 Commutation d’une jonction PN ................................................................................................................. 3 1.1.3 Tenue en tension d’une jonction PN ........................................................................................................... 3 1.2 La Diode de puissance ........................................................................................................................................ 3 1.2.1 Régime statique ........................................................................................................................................... 3 1.2.2 Quelques grandeurs caractéristiques des diodes de puissance .................................................................... 4 1.2.3 Limites d’utilisation des diodes de puissance ............................................................................................. 4 1.3 Le Thyristor ......................................................................................................................................................... 5 1.3.1 Régime statique ........................................................................................................................................... 5 1.3.2 Mécanisme d’amorçage du thyristor ........................................................................................................... 6 1.3.3 Thyristor blocable par la gâchette ............................................................................................................... 7 1.3.4 Quelques grandeurs caractéristiques des thyristors ..................................................................................... 7 1.3.5 Limites d’utilisation des thyristors .............................................................................................................. 8 1.4 Le TriAC .............................................................................................................................................................. 8 1.4.1 Régime statique ........................................................................................................................................... 8 1.4.2 Conditions d’amorçage et de désamorçage ................................................................................................. 8 1.4.3 Quelques grandeurs caractéristiques des triacs ........................................................................................... 9 1.4.4 Limites d’utilisation des triacs .................................................................................................................... 9 1.5 Les transistors bipolaires de puissance ............................................................................................................... 9 1.5.1 Régime statique ........................................................................................................................................... 9 1.5.2 Limites d’utilisation des transistors bipolaires de puissance ..................................................................... 10 1.5.3 Le transistor Darlington de puissance ....................................................................................................... 10 1.5.4 Le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) de puissance ....................................................................... 11 1.6 Les transistors à effet de champ de puissance................................................................................................... 11 1.6.1 Régime statique ......................................................................................................................................... 11 1.6.2 Quelques grandeurs caractéristiques des TEC de puissance ..................................................................... 12 1.6.3 Limites d’utilisation des TEC de puissance .............................................................................................. 12 1.7 Dissipation des semi-conducteurs de puissance ................................................................................................ 13 1.8 Amélioration de la commutation des semi-conducteurs de puissance .............................................................. 14 1.8.1 Commutation des diodes de puissance et des thyristors ............................................................................ 15 1.8.2 Commutation des transistors bipolaires de puissance ............................................................................... 15 1.8.3 Réduction du temps de déstockage des transistors bipolaires de puissance .............................................. 15 1.8.4 Commutation à la fermeture des triacs ...................................................................................................... 15 EXERCICES SUR LES SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE .............................................................................. 16 2. LES REDRESSEURS NON COMMANDÉS ....................................................................................................... 19 2.1 Fonction ............................................................................................................................................................ 19 2.2 Redresseurs monophasés débitant sur une charge R ........................................................................................ 19 2.2.1 Redresseur monophasé simple alternance ................................................................................................. 19 2.2.2 Redresseurs monophasés double alternance .............................................................................................. 19 2.2.3 Filtrage de la tension redressée aux bornes de la charge ........................................................................... 21 2.2.4 Filtrage du courant continu dans la charge ................................................................................................ 22 2.2.5 Grandeurs caractéristiques des redresseurs monophasés non commandés ................................................ 25 2.3 Redresseurs monophasés débitant sur une charge comportant une f.é.m ......................................................... 27 2.3.1 Redresseurs monophasés débitant sur une charge E-R ............................................................................. 27 2.3.2 Redresseurs monophasés débitant sur une charge E-R-L .......................................................................... 28 Table des matières ii 2.4 Redresseurs triphasés ........................................................................................................................................ 29 2.4.1 Montage triphasé parallèle simple P3........................................................................................................ 29 2.4.2 Montage triphasé parallèle double alternance PD3 ................................................................................... 29 2.4.3 Montage triphasé série S3 ......................................................................................................................... 30 2.4.4 Grandeurs caractéristiques des redresseurs triphasés ................................................................................ 31 2.5 Influence des composants et des réseaux réels sur le redressement ................................................................. 32 2.5.1 Empiètement ............................................................................................................................................. 32 2.5.2 Baisse de la tension moyenne .................................................................................................................... 32 2.6 Quelques applications des redresseurs non commandés .................................................................................. 33 2.6.1 Alimentation des récepteurs à courant continu ......................................................................................... 33 2.6.2 Alimentation de l’onduleur assité de la cascade hyposynchrone .............................................................. 33 2.6.3 Alimentation des moteurs à courant continu à partir d’un réseau alternatif .............................................. 34 2.6.4 Convertisseurs indirects de fréquence pour moteurs asynchrones triphasés ............................................. 34 2.6.5 Variation de la résistance rotorique d’un moteur asynchrone à rotor bobiné ............................................ 34 2.6.6 Excitation des alternateurs triphasés ......................................................................................................... 34 2.6.7 Freinage électrique des moteurs asynchrones ........................................................................................... 35 EXERCICES SUR LES REDRESSEURS NON COMMANDÉS .................................................................................... 37 3. LES REDRESSEURS COMMANDÉS ................................................................................................................. 40 3.1 Fonction ............................................................................................................................................................ 40 3.2 Redresseur monophasé simple alternance ........................................................................................................ 40 3.2.1 Redresseur simple alternance débitant sur une charge R........................................................................... 40 3.2.2 Redresseur simple alternance débitant sur une charge R-L ....................................................................... 41 3.2.3 Redresseur simple alternance débitant sur une charge E-R ....................................................................... 42 3.2.4 Redresseur simple alternance débitant sur une charge E-R-L ................................................................... 42 3.3 Redresseur monophasé double alternance ........................................................................................................ 43 3.3.1 Redresseurs monophasés double alternance complets débitant sur une charge R ..................................... 43 3.3.2 Montage PD2 tout thyristors débitant sur une charge R-L ........................................................................ 44 3.3.3 Montage PD2 tout thyristors débitant sur une charge comportant une f.é.m ............................................ 46 3.3.4 Redresseur double alternance en pont PD2 mixte ..................................................................................... 47 3.4 Grandeurs caractéristiques des redresseurs commandés monophasés ............................................................. 49 3.4.1 Valeur moyenne de la tension redressée ................................................................................................... 49 3.4.2 Analyse harmonique de la tension redressée ............................................................................................. 49 3.4.3 Tension supportée par les semi-conducteurs de puissance à l’état bloqué ................................................ 49 3.4.4 Courant moyen dans les semi-conducteurs de puissance .......................................................................... 50 3.4.5 Courant efficace dans la ligne d’alimentation du redresseur ..................................................................... 50 3.4.6 Puissance continue consommée par la charge du redresseur ..................................................................... 50 3.4.7 Puissance active fournie par la source alternative ..................................................................................... 50 3.4.8 Puissance apparente de la source alternative ............................................................................................. 51 3.5 Redresseurs commandés triphasés .................................................................................................................... 51 3.5.1 Redresseur en pont triphasé parallèle simple P3 ....................................................................................... 51 3.5.2 Redresseur en pont triphasé parallèle double PD3 .................................................................................... 52 3.5.3 Redresseur en pont triphasé série S3 ......................................................................................................... 55 3.6 Grandeurs caractéristiques des redresseurs commandés triphasés .................................................................. 56 3.6.1 Valeur moyenne de la tension redressée ................................................................................................... 56 3.6.2 Analyse harmonique de la tension redressée ............................................................................................. 57 3.6.3 Tension bloquée par les semi-conducteurs de puissance ........................................................................... 57 3.6.4 Courant moyen traversant les semi-conducteurs de puissance .................................................................. 57 3.6.5 Courant dans la ligne d’alimentation du redresseur .................................................................................. 57 3.6.6 Puissance continue consommée par la charge du redresseur ..................................................................... 58 3.6.7 Puissance active fournie par la source alternative ..................................................................................... 58 3.6.8 Puissance apparente de la source alternative ............................................................................................. 58 3.6.9 Forme du courant dans la source alternative ............................................................................................. 58 3.6.10 Facteur de puissance de l’ensemble « redresseur+charge » ...................................................................... 58 3.6.11 Puissance déformante ................................................................................................................................ 58 3.7 Influence des composants et des réseaux réels sur le redressement ................................................................. 59 Table des matières iii 3.7.1 Empiètement ............................................................................................................................................. 59 3.7.2 Baisse de la tension moyenne .................................................................................................................... 59 3.8 Fonctionnement des redresseurs commandés en onduleurs assistés................................................................. 60 3.9 Quelques applications des redresseurs commandés ......................................................................................... 60 3.9.1 Variation de la vitesse des moteurs à courant continu ............................................................................... 61 3.9.2 Variation de la vitesse des petits moteurs série ou moteurs universels ..................................................... 62 3.9.3 Freinage et inversion du sens de rotation des moteurs à courant continu .................................................. 62 3.9.4 Variation de vitesse par variateur de fréquence pour moteurs asynchrones àcage .................................... 63 3.9.5 Variation de vitesse par cascade hyposynchrone pour moteurs asynchrones à bagues ............................. 63 3.9.6 Echange d’énergie entre réseaux triphasés et transport d’énergie en courant continu .............................. 64 3.9.7 Traction électrique .................................................................................................................................... 64 3.9.8 Variation de la tension d’excitation des génératrices synchrones ............................................................. 65 EXERCICES SUR LES REDRESSEURS COMMANDÉS ............................................................................................. 66 4. LES HACHEURS ................................................................................................................................................... 70 4.1 Fonction ............................................................................................................................................................ 70 4.2 Principe de fonctionnement, symbole et réalisation des hacheurs .................................................................... 70 4.3 Structures de base des hacheurs et analyse de leur fonctionnement ................................................................. 71 4.3.1 Le hacheur série ........................................................................................................................................ 71 4.3.2 Le hacheur parallèle .................................................................................................................................. 73 4.4 Association des hacheurs .................................................................................................................................. 74 4.4.1 Les hacheurs série entrelacés .................................................................................................................... 74 4.4.2 Le hacheur en demi-pont ........................................................................................................................... 74 4.4.3 Le hacheur en pont .................................................................................................................................... 75 4.5 Applications des hacheurs ................................................................................................................................. 75 EXERCICES SUR LES HACHEURS ............................................................................................................................ 77 5. LES ONDULEURS AUTONOMES ...................................................................................................................... 79 5.1 Fonction ............................................................................................................................................................ 79 5.2 Principe, type et constitution ............................................................................................................................. 79 5.3 Onduleurs autonomes autocommutés ................................................................................................................ 79 5.3.1 Onduleurs autocommutés monophasés ..................................................................................................... 79 5.3.2 Onduleurs triphasés ................................................................................................................................... 84 5.4 Onduleur à commutation par la charge ............................................................................................................ 86 5.4.1 Onduleur à circuit résonant série ............................................................................................................... 86 5.4.2 Onduleur à circuit résonant parallèle ......................................................................................................... 87 EXERCICES SUR LES ONDULEURS AUTONOMES ................................................................................................. 88 6. LES GRADATEURS .............................................................................................................................................. 90 6.1 Fonction ............................................................................................................................................................ 90 6.2 Principe, type et réalisation .............................................................................................................................. 90 6.3 Gradateurs à angle de phase ............................................................................................................................ 90 6.3.1 Gradateurs monophasés à angle de phase ................................................................................................. 90 6.3.2 Gradateurs triphasés à angle de phase ....................................................................................................... 93 6.4 Gradateur à train d’ondes................................................................................................................................. 94 6.4.1 Gradateur monophasé à trains d’ondes...................................................................................................... 94 6.4.2 Gradateur triphasé à trains d’ondes ........................................................................................................... 94 6.5 Applications des Gradateurs ............................................................................................................................. 95 6.5.1 Démarrage progressif des moteurs asynchrones à cage ............................................................................ 95 6.5.2 Variation de vitesse des moteurs asynchrones à rotor bobiné ................................................................... 95 6.5.3 Commande de l’intensité lumineuse des lampes à incandescence, à fluorescente et de la vitesse des moteurs universels ..................................................................................................................................................... 95 Table des matières iv EXERCICES SUR LES GRADATEURS ........................................................................................................................ 96 BIBLIOGRAPHIE .......................................................................................................................................................... 97 Introduction à l’électronique de puissance 1 I IN NT TR RO OD DU UC CT TI IO ON N À À L L’ ’É ÉL LE EC CT TR RO ON NI IQ QU UE E D DE E P PU UI IS SS SA AN NC CE E Définition : L’électronique de puissance ou électronique des courants forts est la technique de mise en œuvre des composants électroniques semi-conducteurs pour la conversion du courant électrique et la modulation de la puissance électrique, afin de les adapter à l’utilisation. Nécessité de l’électronique de puissance : Pour des raisons économiques, l'énergie électrique est fournie aux usagers soit sous la forme de courant alternatif de tensions et fréquences fixes dans les réseaux publics, soit sous la forme de courant continu dans les piles et les batteries d'accumulateurs. Or les récepteurs électriques ont des contraintes d'alimentation très variées. Ils imposent parfois l'utilisation soit de tensions alternatives uploads/Ingenierie_Lourd/ electronique-industrielle-2013-pdf.pdf