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Médiathèque INTRODUCTION À L'ÉLECTROTECHNIQUE ET À L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE

Médiathèque INTRODUCTION À L'ÉLECTROTECHNIQUE ET À L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE par C. GLAIZE Professeur Christian GLAIZE Université Montpellier 2 Laboratoire d'Électrotechnique de Montpellier Case Courrier 079 Place Eugène Bataillon 34095 MONTPELLIER CEDEX 5 Tél : 04 67 14 34 17 - Fax : 04 67 04 21 30 E-mail : glaize@univ-montp2.fr Université Montpellier II IUT de Nîmes AVANT-PROPOS Dans le cadre de la mutualisation des enseignements proposé par la Médiathèque e-EEA du Club EEA, je serais très heureux que des collègues me fassent part de leurs remarques voire actualisent certaines données afin d'améliorer ce texte qui deviendrait ainsi une œuvre collective. Médiathèque e-EEA Page 5/5 SOMMAIRE CHAPITRE 1. INTRODUCTION À L'ÉLECTROTECHNIQUE 7 CHAPITRE 2. PLACE DE L'ÉLECTROTECHNIQUE EN FRANCE 10 2.1. PRODUCTION ÉLECTRIQUE EN FRANCE 10 2.2. DÉTAILS DES CONSOMMATIONS ÉLECTRIQUES EN FRANCE 11 2.3. PERSONNES EMPLOYÉES DANS LE DOMAINE DE LA CONSTRUCTION ÉLECTRIQUE EN FRANCE 12 2.4. ÉVOLUTION DES FACTURATIONS DU SECTEUR CONSTRUCTION ÉLECTRIQUE EN FRANCE de 1991 à 1996 13 2.5. ÉVOLUTION DE LA BALANCE COMMERCIALE EXTÉRIEURE FRANÇAISE DANS LE SECTEUR DE LA CONSTRUCTION ÉLECTRIQUE de 1991 à 1996 14 2.6. PRINCIPALES INDUSTRIES DU SECTEUR DU GÉNIE ÉLECTRIQUE 15 Grands ensembliers 15 Autres ensembliers de stature internationale 15 Fabricants de composants électrotechniques de stature internationale 15 Équipementiers automobiles 16 Construction ferroviaire 16 Électroménager, Électronique Grand Public,... 16 Secteurs public et parapublic 16 CHAPITRE 3. INTRODUCTION À L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE 17 3.1. DÉFINITIONS 17 3.2. FONCTIONS DE BASE ET TERMINOLOGIE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 17 3.2.1. Réversibilité des convertisseurs 18 3.2.2. Conversion alternatif-continu 18 3.2.3. Conversion continu-alternatif 19 3.2.4. Conversion continu-continu 19 3.2.5. Conversion alternatif-alternatif 20 3.3. ASSOCIATIONS DE FONCTIONS DE BASE - CASCADE DE CONVERTISSEURS 20 3.4. EXEMPLES D'APPLICATIONS DES CONVERTISSEURS STATIQUES 23 3.4.1. Applications domestiques 23 3.4.2. Locaux commerciaux et tertiaires 23 3.4.3. Applications industrielles 23 3.4.4. Société 23 3.4.5. Télécommunications 24 3.4.6. Aéronautique et Spatial 24 3.4.7. Transports terrestres et marins 24 3.4.8. Compagnies de production et de distribution de l'électricité 25 Médiathèque e-EEA Page 6/6 3.4.9. Espaces culturels et de loisirs (Monuments, Scènes, Théâtres, Discothèques,...) 25 3.4.10. Appareils de laboratoires 25 3.4.11. Médical 25 3.5. GAMME DE PUISSANCE DES CONVERTISSEURS STATIQUES et exemples d'applications 26 3.6. CONSTITUTION DES CONVERTISSEURS STATIQUES 26 3.6.1. Caractéristiques des convertisseurs statiques 26 3.6.2. Intérêt d'un dispositif de conversion d'énergie à pertes minimales. 27 Gradation par rhéostat 27 Gradation par autotransformateur à rapport variable 28 Gradation par convertisseur statique 28 3.6.3. Composants utilisables 29 Exemple : calcul de la puissance instantanée pour un condensateur 30 3.7. MOYENS D'ÉTUDE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 31 3.7.1. Schémas partiels de fonctionnement 31 Exemple : Schémas partiels de fonctionnement d'un hacheur dévolteur sur charge R, L, E. 32 3.7.2. Détermination des conditions de fin d'étapes et des successions de d'étapes 33 Exemple : Détermination des conditions de fin d'étapes sur un hacheur dévolteur 34 3.7.3. Calcul des grandeurs 35 Exemple de calcul de valeurs moyennées 35 Exemples de calculs à l'aide de SIMUL 36 CHAPITRE 4. BIBLIOGRAPHIE GÉNÉRALE 41 4.1. ÉLECTROTECHNIQUE 41 4.1.1. Ouvrages de base 41 4.1.2. Autres ouvrages traitant de points plus spécifiques 41 4.1.3. Autres publications 41 4.2. ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE 42 4.2.1. Ouvrages de base 42 4.2.2. Ouvrages édités par les constructeurs 42 4.2.3. Polycopiés d'école 42 4.2.4. Autres ouvrages traitant de points plus spécifiques 43 4.3. AUTOMATIQUE pour Électrotechniciens 43 4.4. COMPATIBILITÉ ÉLECTROMAGNÉTIQUE (CEM) 43 4.5. DIVERS 44 Médiathèque e-EEA Page 7/7 C. GLAIZE - Introduction à l'électrotechnique et à l'électronique de puissance - Version du 12 février 2002. CHAPITRE 1. INTRODUCTION À L'ÉLECTROTECHNIQUE Étymologiquement, l'Électrotechnique est l'étude 1 des applications techniques de l'élec- tricité. En France, on réserve plutôt ce terme aux applications qui mettent en jeu plutôt une énergie qu'un signal. En France toujours, on l'appelle aussi Génie Électrique. Son domaine d'intervention est la production, le transport, la distribution, le traitement, la transformation2, la gestion et l'utilisation de l'énergie électrique. Si l'électricité est déjà connue des Grecs, l'Électrotechnique a commencé à exister avec la domestication de l'énergie électrique. On situe ce moment à l'invention de la dynamo par Zénobe GRAMME en 1869. L'énergie électrique est invisible (avec les dangers que cela peut occasionner) mais omniprésente et indispensable à notre civilisation. Imaginons les conséquences d'une grève des électrons... L'Électrotechnique est une composante majeure du développement de notre monde. L'Électrotechnique se rencontre partout : dans l'industrie, mais aussi dans l'automobile ou chez soi. Elle est tellement présente qu'elle passe inaperçue. On remarque sa présence universelle quand... elle n'est plus disponible (panne, grève,...). En traitement de l'énergie, on rencontre des alimentations de plus en plus sophistiquées sur tous les appareils électriques (alimentations à découpage dans les ordinateurs, télé- viseurs, chaînes haute-fidélité,...). Dans ce type d'application, la puissance unitaire de chaque appareil tend à diminuer. Mais le nombre d'unités en service est en constante augmentation. Dans les applications où l'on désire convertir l'énergie électrique en énergie m écanique (ou vice-versa), on utilise des moteurs ou génératrices. On peut compter le nombre de moteurs dans une automobile (démarreur, ventilateur de radiateur, essuie-glace avant et arrière, essuie phares, lève-glaces, ventilateur d'air chaud, d'air froid, pompes de lave-glace,...) ou chez soi (aspirateur, machines à laver le linge et la vaisselle - tambour ou pompe de lavage, pompe de vidange, programmateur -, robots ménagers, aérateurs, ventilateurs, hottes aspirantes, rasoirs électriques, magnétophones, magnétoscopes, platines disques ou compacts (rotation, tiroir), appareils photos (avance du film, mise au point,...), machines de bricolage,... Contrairement aux convertisseurs statiques utilisés seuls, la puissance demandée aux moteurs a tendance à augmenter et le 1 On entend par "étude", le développement et l'application de concepts, de méthodes, de moyens et d'outils, tant théoriques qu'expérimentaux, qui permettent l'analyse de matériels et situations existants ainsi que la conception de nouveaux dispositifs. 2 L'énergie électrique peut être issue de ou transformée en une autre forme d'énergie (mécanique, thermique, chimique, lumineuse,...). Médiathèque e-EEA Page 8/8 C. GLAIZE - Introduction à l'électrotechnique et à l'électronique de puissance - Version du 12 février 2002. nombre de moteurs s'accroît. De plus, les machines sont de plus en plus utilisées en association avec des convertisseurs ce qui leur donne une plus grande souplesse d'utilisation grâce à la vitesse variable. C'est le cas sur les perceuses, en électroménager (lave-linge, aspirateur,...). L'Électrotechnique se rencontre aussi dans l'industrie. Les usines emploient un très grand nombre de moteurs et de variateurs pour la ventilation, le pompage, l'entraînement à vitesse variable de machines (machines-outils, laminoirs,...). Le monde des transports utilise aussi beaucoup l'énergie électrique aussi bien dans le domaine ferroviaire (TGV3, motrices classiques, métros) que dans le domaine du transport urbain (tramways, trolleybus). L'aéronautique fait aussi un large appel à l'électricité (réseau de bord 400 Hz, commandes électriques d'Airbus A3204,...). Le développement du véhicule électrique urbain permettra de diminuer la pollution des zones fortement urbanisées. Le domaine de l'Électrotechnique est très vaste. Les actionneurs les plus petits ont des puissances de l'ordre du nW (micromoteurs électrostatiques dans les artères) ou de l'ordre du µW (montre à quartz). Les installations les plus importantes ont des puissances de quelques milliers de MVA (centrales de production électrique, liaisons haute tension courant continu,...). La particularité de l'Électrotechnique par rapport à l'Électronique, l'Automatique et l'Informatique vient du fait que la première s'intéresse essentiellement au traitement et à la conversion de l'énergie électrique plutôt qu'au traitement du signal (ou de l'information). La figure 1 illustre cette complémentarité. Fig. 1 : Complémentarité de l'Électrotechnique par rapport à l'Électronique, l'Automatique et l'Informatique Cette différence impose une manière différente de percevoir et de gérer les phénomènes électriques. Bien qu'utilisant les mêmes lois physiques que l'Électronique, l'Électrotech- 3 La puissance de la chaîne de traction d'un TGV est de l'ordre de 6 MW. 4 Les besoins énergétiques à bord des avions sont de plus en plus importants. En 1959, une Caravelle disposait de 27 kW (en continu). En 1972, un Airbus A300 a une puissance installée de 270 kVA (en alternatif 400 Hz). Les avions civils du futur demanderont de 300 à 600 kVA. Médiathèque e-EEA Page 9/9 C. GLAIZE - Introduction à l'électrotechnique et à l'électronique de puissance - Version du 12 février 2002. nique a ses propres hypothèses simplificatrices, ses propres développements, ses propres raisonnements qui sont spécifiques à son domaine. Cependant, tous ces domaines se rejoignent dès que l'on doit considérer les problèmes d'évacuation de chaleur, de performances massiques ou volumiques, de pollution électro- magnétique,... En conclusion, on peut noter que l'Électrotechnique d'aujourd'hui est une science pluri- disciplinaire au carrefour de : - l'Électrotechnique traditionnelle (machines tournantes, transformateurs), - l'Électronique de Puissance (convertisseurs statiques), - l'Électronique du signal (composants, commandes), - l'Automatique et l'Informatique (commande d'ensembles), - la Physique du Solide (étude interne des composants), - la Thermique (évacuation des pertes), - la Mécanique (charges entraînées), - l'Électrochimie (piles et accumulateurs), - la Physique en général (compréhension des processus, choix des capteurs). Toutes ces sciences doivent être simultanément utilisées lorsqu'il s'agit de concevoir des systèmes aux caractéristiques poussées. Note : l'Électrotechnique est à la fois une science et une technologie encore que ces deux termes ne soient pas si éloignés, la technologie étant (Petit Larousse Illustré 2000) uploads/Litterature/ intro-etn-e-pu.pdf