Cours Synthèse des convertisseurs statiques Référence : Sébastien GERGADIER Objectifs de la synthèse Pe pertes Ps CVS Composants jouant le rôle d’interrupteurs électroniques Objectifs de la synthèse des convertisseurs statiques d’énergie : - Déterminer la structure du convertisseur statique - Déterminer les caractéristiques des interrupteurs. NATURE DES SOURCES NATURE DES SOURCES : - Sources de tension ou courant continu; - Sources de tension ou courant alternatif. Source d’entrée CVS Source de sortie REVERSIBILITE DES SOURCES : - Une source est dite réversible si la puissance fournie peut être positive ou négative. Exemple de réversibilité d’une source : Batterie d’accumulateur : générateur en décharge et récepteur en charge Machine à courant continu : récepteur en fonctionnement normal et générateur en mode freinage. Nature des sources REVERSIBILITE DES CONVERTISSEURS STATIQUES : - Un convertisseur statique est dit réversible si le transfert de peut se réaliser dans les 2 sens. Source d’entrée CVS Sens de transfert de puissance Source de sortie puissance Structures des convertisseurs La structure des convertisseurs dépend de : - La nature des sources d’entrée et de sortie (tension ou courant); - Le type de sources d’entrée et de sortie (polyphasé). On parle alors de : - convertisseurs statiques directs; Tension → Courant ou Courant → Tension - convertisseurs statiques indirects Tension → Tension ou Courant → Courant Convertisseurs directs Convertisseur statique DIRECT Tension / Courant : Possibilité d’interconnexion de ces sources : K1=K4=1 K2=K3=1 P=Ve.Is P= -Ve.Is K1=K3=1 ou K2=K4=1 P=0 Structure du convertisseur direct tension courant : Convertisseurs directs Convertisseur statique DIRECT Courant / Tension : Possibilité d’interconnexion de ces sources : K1=K4=1 K2=K3=1 P=Ve.Is P= -Ve.Is K1=K2=1 ou K3=K4=1 P=0 Structure du convertisseur direct Courant Tension : Convertisseurs indirects Convertisseurs statiques INDIRECT 3 solutions envisageables : - En modifiant la nature des sources et utilisant des convertisseurs statiques DIRECT; - Par utilisation d’un étage tampon; - En utilisant des convertisseurs statiques INDIRECT. Pour la première solution, il faut utiliser un composant supplémentaire qui ne dissipe pas de puissance active. Soit donc, des inductances ou des condensateurs. Leur rôle est de modifier la nature des sources d’entrée ou de sortie. Il est donc possible d’utiliser les structures des convertisseurs statiques DIRECT. Convertisseurs indirects SOURCE DE TENSION VS SOURCE DE COURANT L i uL=L.di/dt=E-v v E di/dt=(E-v)/L Si L grand alors : di/dt=0 soit i = constante i I iC=C.dv/dt=I-i dv/dt=(I-i)/C iC v C Si C grand alors : dv/dt=0 soit v= constante Convertisseurs indirects Convertisseur statique INDIRECT par modification de la nature des sources Structure du CVS indirect Tension / Tension Structure du CVS indirect Courant / Courant Convertisseurs indirects Pour la seconde solution, il faut aussi utiliser un composant supplémentaire qui ne dissipe pas de puissance active. Leur rôle est de créer un étage tampon. On utilisera alors 2 convertisseurs statiques DIRECT. TRES PEU UTILISE, EN RAISON DU RENDEMENT FAIBLE, ET DU NOMBRE DE COMPOSANTS. Etude des interrupteurs Modèle et convention d’un interrupteur idéal vK iK Caractéristiques statiques IK(VK) iK fermé iK vK vK On distingue les interrupteurs en fonction de leur caractéristique statique IK(VK) : - 2 segments; - 3 segments; - 4 segments. 0 iK ouvert vK Etude des interrupteurs Caractéristiques statiques IK(VK) à 2 segments : vK vK iK vK vK iK iK Transistor IGBT Uni directionnalité en tension et en courant. Diodes iK Etude des interrupteurs Caractéristiques statiques IK(VK) à 3 segments : Bidirectionnel en tension : vK vK iK Thyristor iK iK vK Bidirectionnalité en tension et Unidirectionnalité en courant. Etude des interrupteurs Caractéristiques statiques IK(VK) à 3 segments : Bidirectionnel en courant : vK iK vK iK vK iK Transistor MOS Bidirectionnalité en courant et Unidirectionnalité en tension. Mode de commutations Caractéristiques dynamiques - Passage de l’état ouvert à l’état fermé amorçage iK W> 0 W< 0 vK 0 - Passage de l’état fermé à l’état ouvert blocage Énergie pendant la commutation : W = W> 0 W< 0 ò Tcom vk (t)iK (t)dt W>0 Commutation commandée W=0 Commutation naturelle Interrupteurs existants Hacheur série Vélo à assistance au pédalage i>0 E v>0 CVS batterie MCC Structure Choix des interrupteurs iK2 iK1 K1 E vK2 vK1 I 0 0 v K2 Commande des interrupteurs K1 T K2 T IGBT DIODE Onduleur Barrière CVS Tension redressée filtrée Structure Commande des interrupteurs Courant alternatif K1 K3 MAS K1 K5 K2 K4 K5 E K6 2/3 i< > 0 K2 K4 iK K6 K5 2 Choix des interrupteurs vK 0 K4 K3 IGBT + DIODE METHODE DE SYNTHESE Etape 1 : Identifier la nature des sources d’entrée et de sortie. En déduire la structure de base du convertisseur statique. Etape 2 : Déduire du cahier des charges les réversibilités en tension et en courant des sources d’entrée et de sortie. Etape 3 : Identifier sur la structure de base, les séquences de fonctionnement nécessaires, compte tenu des réversibilités souhaitées et des contrôles d’énergie souhaitée. Effectuer les simplifications si nécessaire. En déduire le montage de base du convertisseur statique. Etape 4 : Pour les différentes séquences déterminées à l’étape 3, observer le sens du courant dans les interrupteurs passants, et le signe de la tension à leurs bornes lorsque ceux-ci sont bloqués. En déduire la caractéristique iK=f(vK) de chaque interrupteur. Etape 5 : Déduire d’une étude approfondie du cahier des charges, l’enchaînement des séquences déterminées à l’étape 3 afin d’obtenir les formes d’ondes des signaux de sortie désirées. En déduire le type de commutation dynamique. (commandée ou spontanée) Etape 6 : Connaissant les caractéristiques statiques et dynamiques des interrupteurs, on peut déterminer les types d’interrupteurs à utiliser. EXEMPLE DE SYNTHESE CAHIER DES CHARGES : On désire alimenter à partir d’une batterie d’accumulateurs, une machine à courant continu fonctionnant en moteur sans aucune réversibilité. Ce moteur devra être alimenté sous tension variable, afin de faire varier sa vitesse, pour cela, on utilisera un convertisseur statique. Dans le but de faire varier la vitesse de rotation du moteur à courant continu, la valeur moyenne de la tension de sortie devra être variable de 0 à E. Umoteur E αT T temps EXEMPLE DE SYNTHESE Étape 1 : Caractérisation des sources d’entrée – sortie L’entrée est une source de tension continue (résistance interne négligée), et la sortie est une source de courant continue(présence d’une inductance (bobinage)). Étape 2 : Réversibilité des sources d’entrée – sortie L’entrée est une source de tension réversible en courant (I positif=décharge; I négatif=recharge) et la sortie est une source de courant réversible en courant et en tension. Cependant, aucune réversibilité n’est nécessaire d’après le cahier des charges. Étape 3 : Structure de base du CVS Convertisseur statique direct tension / courant K1 K3 K2 K4 E EXEMPLE DE SYNTHESE Combinaisons possibles d’interconnexion des sources Transfert de puissance Phase de roue libre Modification et simplification de la structure de base du CVS K1 E K2 K4 EXEMPLE DE SYNTHESE Étape 4 : Détermination des caractéristiques statiques des interrupteurs E vK1 vK2 K1 iK1 I E K4 vK4 iK2 iK4 K2 vK1 vK2 iK1 I vK4 iK2 K2 K4 iK4 iK4 iK2 iK1 K1 vK2 vK1 vK4 EXEMPLE DE SYNTHESE Étape 5 : Détermination des caractéristiques dynamiques des interrupteurs E K1 iK1 vK1 vK2 I vK4 iK2 K2 E K4 iK4 vK1 vK2 K1 iK1 iK2 K2 I vK4 K4 iK4 2) 1) Enchaînement 1) 2) 1) 2) ..pour moduler le transfert de puissance, et donc la vitesse iK4 iK2 iK1 1) vK2 1) 1) 2) 2) 2) vK1 vK4 EXEMPLE DE SYNTHESE Étape 6 : Détermination des interrupteurs iK2 iK1 1) 1) iK4 vK2 1) 2) 2) 2) Interrupteur statique à 2 segments Amorçage et blocage commandés TRANSISTOR IGBT vK4 vK1 Interrupteur statique à 2 segments Amorçage et blocage spontanés (naturels) DIODES EN INVERSE vK2 vK1 iK1 Interrupteur statique à 1 segments iK2 FIL EXEMPLE DE SYNTHESE Structure du convertisseur statique nécessaire CLASSIFICATION DES INTERRUPTEURS
