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INTRODUCTION À L'ÉLECTROTECHNIQUE ET À L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Université M

INTRODUCTION À L'ÉLECTROTECHNIQUE ET À L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Université Montpellier II IUT de Nîmes 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 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 SOMMAIRE CHAPITRE 1. INTRODUCTION À L'ÉLECTROTECHNIQUE 8 CHAPITRE 2. PLACE DE L'ÉLECTROTECHNIQUE EN FRANCE 11 2.1. PRODUCTION ÉLECTRIQUE EN FRANCE 11 2.2. DÉTAILS DES CONSOMMATIONS ÉLECTRIQUES EN FRANCE 13 2.3. PERSONNES EMPLOYÉES DANS LE DOMAINE DE LA CONSTRUCTION ÉLECTRIQUE EN FRANCE 15 2.4. ÉVOLUTION DES FACTURATIONS DU SECTEUR CONSTRUCTION ÉLECTRIQUE EN FRANCE de 1991 à 1996 15 2.5. ÉVOLUTION DE LA BALANCE COMMERCIALE EXTÉRIEURE FRANÇAISE DANS LE SECTEUR DE LA CONSTRUCTION ÉLECTRIQUE de 1991 à 1996 16 2.6. PRINCIPALES INDUSTRIES DU SECTEUR DU GÉNIE ÉLECTRIQUE 17 Grands ensembliers 17 Autres ensembliers de stature internationale 17 Fabricants de composants électrotechniques de stature internationale 17 Équipementiers automobiles 18 Construction ferroviaire 18 Électroménager, Électronique Grand Public,... 18 Secteurs public et parapublic 18 CHAPITRE 3. INTRODUCTION À L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE 19 3.1. DÉFINITIONS 19 3.2. FONCTIONS DE BASE ET TERMINOLOGIE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 20 3.2.1. Réversibilité des convertisseurs 20 3.2.2. Conversion alternatif-continu 21 3.2.3. Conversion continu-alternatif 21 3.2.4. Conversion continu-continu 22 3.2.5. Conversion alternatif-alternatif 22 Médiathèque e-EEA Page 6 3.3. ASSOCIATIONS DE FONCTIONS DE BASE - CASCADE DE CONVERTISSEURS 23 3.4. EXEMPLES D'APPLICATIONS DES CONVERTISSEURS STATIQUES 25 3.4.1. Applications domestiques 25 3.4.2. Locaux commerciaux et tertiaires 26 3.4.3. Applications industrielles 26 3.4.4. Société 26 3.4.5. Télécommunications 26 3.4.6. Aéronautique et Spatial 27 3.4.7. Transports terrestres et marins 27 3.4.8. Compagnies de production et de distribution de l'électricité 28 3.4.9. Espaces culturels et de loisirs (Monuments, Scènes, Théâtres, Discothèques,...) 28 3.4.10. Appareils de laboratoires 28 3.4.11. Médical 28 3.5. GAMME DE PUISSANCE DES CONVERTISSEURS STATIQUES et exemples d'applications 29 3.6. CONSTITUTION DES CONVERTISSEURS STATIQUES 37 3.6.1. Caractéristiques des convertisseurs statiques 37 3.6.2. Intérêt d'un dispositif de conversion d'énergie à pertes minimales. 37 Gradation par rhéostat 38 Gradation par autotransformateur à rapport variable 38 Gradation par convertisseur statique 39 3.6.3. Composants utilisables 40 Exemple : calcul de la puissance instantanée pour un condensateur 41 3.7. MOYENS D'ÉTUDE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 43 3.7.1. Schémas partiels de fonctionnement 43 Exemple : Schémas partiels de fonctionnement d'un hacheur dévolteur sur charge R, L, E. 44 3.7.2. Détermination des conditions de fin d'étapes et des successions de d'étapes 46 Exemple : Détermination des conditions de fin d'étapes sur un hacheur dévolteur 46 3.7.3. Calcul des grandeurs 47 Exemple de calcul de valeurs moyennées 48 Exemples de calculs à l'aide de SIMUL 49 CHAPITRE 4. BIBLIOGRAPHIE GÉNÉRALE 56 4.1. ÉLECTROTECHNIQUE 56 4.1.1. Ouvrages de base 56 4.1.2. Autres ouvrages traitant de points plus spécifiques 56 4.1.3. Autres publications 57 Médiathèque e-EEA Page 7 4.2. ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE 57 4.2.1. Ouvrages de base 57 4.2.2. Polycopiés d'école 57 4.2.3. Autres ouvrages traitant de points plus spécifiques 58 4.3. VARIATION DE VITESSE DES MACHINES ÉLECTRIQUES 58 4.4. ALIMENTATIONS À DÉCOUPAGE 59 4.5. AUTOMATIQUE pour Électrotechniciens 59 4.6. COMPATIBILITÉ ÉLECTROMAGNÉTIQUE (CEM) 59 4.7. DIVERS 60 Médiathèque e-EEA Page 8 CHAPITRE 1. INTRODUCTION À L'ÉLECTROTECHNIQUE Étymologiquement, l'Électrotechnique est l'étude1 des applications techniques de l'électricité. 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, téléviseurs, 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 mécanique (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 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,...). Fichier C. GLAIZE\Intro_e2.doc du 22 septembre 2003 à 00:09 Médiathèque e-EEA Page 9 point,...), machines de bricolage,... Contrairement aux convertisseurs statiques utilisés seuls, la puissance demandée aux moteurs a tendance à augmenter et le 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 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. Fichier C. GLAIZE\Intro_e2.doc du 22 septembre 2003 à 00:09 Médiathèque e-EEA Page 10 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'Électrotechnique 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 électromagnétique,... En conclusion, on peut noter que l'Électrotechnique d'aujourd'hui est une science pluridisciplinaire 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) l'ensemble de savoirs et de pratiques fondé sur des principes scientifiques dans un domaine technique. Fichier C. GLAIZE\Intro_e2.doc du 22 septembre 2003 à 00:09 Médiathèque e-EEA Page 11 CHAPITRE 2. PLACE DE L'ÉLECTROTECHNIQUE EN uploads/Litterature/ introduction-a-l-x27-electrotechnique.pdf