Electronique de puissance

L’électronique de puissance est la branche de l’électrotechnique qui a pour objet l’étude de la conversion statique d’énergie électrique. Elle permet de contrôler les courants forts moyennant des composants à semi-conducteurs tels que les diodes, les transistors bipolaires et MOSFET, les thyristors, les triacs, les GTO et les IGBT. Ces composants travaillent surtout en commutation ou autrement dit, en régime tout ou rien. En fonctionnement idéal, ils se comportent comme des interrupteurs dont les caractéristiques sont les suivantes :
● A l’état passant, ils laissent passer les courants forts en provoquant une chute de tension la plus faible possible (au cas idéal, cette chute de tension est nulle).
● A l’état bloqué, ils empêchent la circulation des courants en supportant des tensions très élevées. .

Le mot « puissance » ne signifie pas que l’électronique de puissance ne s’intéresse qu’à la commande de moteur d’au moins 1MW. Le domaine de l’électronique de puissance s’étend de quelques micro watts (nano machines électriques) à une centaine de mégawatts (MW). L’électronique de puissance traite l’énergie électrique par voie statique. Elle a pour avantages :
● Une utilisation plus souple et plus adaptée de l’énergie électrique.
● Une amélioration de la gestion, du transport et de la distribution de l’énergie électrique.

CONVERTISSEURS STATIQUES

Généralités

Les convertisseurs statiques sont des dispositifs qui transforment de l’énergie électrique disponible en une forme appropriée à l’alimentation d’une charge. Les premiers convertisseurs de puissance électrique ont été réalisés avec des machines électriques couplées mécaniquement. Une machine à courant alternatif d’une part (de type synchrone ou asynchrone) couplée au réseau permettait de convertir l’énergie électrique en énergie mécanique à vitesse fixe. Une machine à courant continu d’autre part dont l’excitation commandée permettait de disposer d’une tension continue variable en sortie. Le développement des composants de puissance au milieu du 20° siècle (électronique de puissance) a permis de développer des convertisseurs de puissance électrique sans machines tournantes.

Notion de réversibilité

Traitant de l’énergie, une notion importante en électronique de puissance est la notion de réversibilité. Un convertisseur statique est dit réversible lorsque l’énergie peut transiter (en général, être contrôlée) de manière bidirectionnelle, c’est-à-dire aussi bien dans un sens que dans l’autre. Les notions d’entrée et de sortie ne sont alors plus évidentes. Un convertisseur non-réversible transfère (et convertit) l’énergie d’une source vers une charge utilisatrice. L’énergie ne peut pas transiter dans l’autre sens. Certains convertisseurs statique sont naturellement réversibles (onduleurs). D’autres sont naturellement non-réversibles (redresseur à diodes).

Les fonctions de base

L’énergie électrique est disponible soit sous forme alternative (réseau de distribution électrique, alternateur) soit sous forme continue (batterie d’accumulateur, génératrice à courant continu, alimentation par caténaire…). La charge peut nécessiter une alimentation en alternatif ou en continu. On définit donc quatre classes de convertisseurs transformant directement l’énergie électrique. Ce sont les « fonctions de base » des convertisseurs statiques.

Conversion alternatif-continu

Le convertisseur qui transforme l’énergie électrique délivrée sous forme alternative en continu est le « redresseur » (fig. 2). Il est plus souvent alimenté par un réseau à fréquence industrielle éventuellement polyphasé. Mais il peut être alimenté en haute fréquence. La tension(ou le courant) de sortie peut être ou non réglable par rapport à la grandeur d’entrée (tension ou courant). Il existe des redresseurs monophasés, triphasés et polyphasés. Ils peuvent être constitués de diodes ou de diodes et de thyristors (ils sont dits mixtes). Ils ne sont pas réversibles en énergie. Les redresseurs réversibles sont composés uniquement de thyristors.

Convertisseur continu-alternatif

Les onduleurs assurent la transformation de l’énergie électrique continu en alternatif (fig. 3). La charge alternative peut être de plusieurs types. Si elle peut délivrer de la puissance et présente des forces-électromotrices (réseau de distribution électrique, machine synchrone, alternateur), l’onduleur pourra avoir une structure identique à celle d’un redresseur. C’est le fonctionnement réversible d’un même convertisseur. On parle alors « d’onduleur assisté » ou « non autonome ». Si la charge est constituée par un circuit oscillant, on pourra utiliser les propriétés du dernier pour adapter la structure de l’onduleur. Il prend le nom « d’onduleur à résonance ». Dans tous les autres cas, on emploie un « onduleur autonome » qui ne suppose aucune caractéristique particulière de la charge.

Convertisseur continu-continu

Le convertisseur continu-continu ou hacheur délivre une tension continue variable à partir d’une source continue fixe (fig. 4). La tension à la sortie peut être supérieure ou inférieure à la tension d’entrée selon le montage choisi. Actuellement, il existe deux variantes :
● Le convertisseur dc-dc à transformateur
● Le convertisseur utilisant une diode et un condensateur Il peut être réversible ou non.

Convertisseur alternatif-alternatif

La conversion de l’énergie électrique délivrée sous forme alternative pour alimenter une charge en alternatif peut se faire avec ou sans changement de fréquence. Dans le premier cas, on parle de « cyclo-convertisseur ». Dans le second cas, on parle de « gradateur » (fig. 5). Le schéma d’un cyclo-convertisseur triphasé-triphasé comprend 36 thyristors (il peut être considéré comme la juxtaposition de 3 redresseurs tête-bêche, soit 3*2 ponts à 6 thyristors). Il n’est quasiment utilisé que pour des puissances très importantes (supérieur à 1 MVA). Le gradateur est un convertisseur de structure extrêmement simple. Il est principalement utilisé en éclairage (lampadaire halogène, éclairage de scène, discothèque…) et sur moteur universel (perceuse, aspirateur…) car, pour ces applications, la fréquence des courants d’alimentation n’a que peu d’importance. Il est aussi utilisé sur des moteurs asynchrones à cage pour de la variation de vitesse industrielle et domestique économique en pompage et ventilation.

COMPOSANTS EN ELECTRONIQUE DE PUISSANCE

Généralités 

Les convertisseurs statiques d’énergie électrique utilisent des composants de l’électronique à semi-conducteurs et des éléments linéaires. Pour contrôler des puissances électriques importantes, les composants sont parcourus par des courants élevés atteignant le kilo ampère sous des tensions importantes avoisinant aisément le kilovolt. Dans un convertisseur, le choix d’un type de composant est basé sur sa commande à l’ouverture et à la fermeture, en tension ou en courant, et sa réversibilité. La réversibilité en tension est l’aptitude à supporter des tensions directes et inverses à l’état bloqué, tandis qu’en courant, il s’agit de l’aptitude à laisser passer des courants directs et inverses à l’état passant. Les « interrupteurs » de l’électronique de puissance travaillent jusqu’à plusieurs dizaines de kHz. Il est impossible d’employer des interrupteurs classiques. Ceux-ci ne supporteraient pas de telles fréquences de fonctionnement. De plus, un arc électrique s’établirait entre les contacts. Seuls les interrupteurs statiques à base de semi-conducteur sont utilisés. On trouve :
● la diode de puissance
● le transistor bipolaire de puissance
● le transistor MOS de puissance
● le transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
● le thyristor « classique »
● le thyristor GTO (Gate Turn Off) .

Diode de puissance
La diode de puissance (fig. 6) est un composant qu’on ne peut pas commander 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).

Le fonctionnement de la diode s’opère suivant deux modes  :
● diode passante (ou ON), tension vAK = 0 pour iAK > 0
● diode bloquée (ou OFF), tension iAK = 0 pour vAK < 0
On dit aussi que la diode a une caractéristique à deux segments.

En résumé, une diode se comporte comme un interrupteur parfait dont les commutations sont exclusivement spontanées :
● il est fermé ON tant que le courant qui le traverse est positif (conventions de la figure 6).
● il est ouvert OFF tant que la tension à ses bornes est négative. Le fonctionnement réel est toujours caractérisé par ses deux états (fig. 8) :
● à l’état passant : vAK ≈ 0, le courant direct est limité au courant direct maximal ;
● à l’état bloqué : iAK ≈ 0, la tension inverse est limitée (phénomène de claquage par avalanche) à la tension inverse maximale.

Transistor bipolaire de puissance

Parmi les deux types, NPN et PNP, le transistor de puissance existe essentiellement dans la première catégorie (fig. 9). Le transistor est un composant totalement commandé : à la fermeture et à l’ouverture. Il n’est pas réversible en courant, ne laissant passer que des courants de collecteur i c positifs. Il n’est pas réversible en tension, n’acceptant que des tensions VCE positives lorsqu’il est bloqué.

Le transistor possède deux types de fonctionnement, le mode en commutation (ou non linéaire) est employé en électronique de puissance tandis que le fonctionnement linéaire est plutôt utilisé en amplification de signaux. Dans son mode de fonctionnement linéaire, le transistor se comporte comme une source de courant iC commandée par le courant iB . Dans ce cas, la tension VCE est imposée par le circuit extérieur.

L’état bloqué (B) ou OFF du transistor est obtenu en annulant le courant iB de commande, ce qui induit un courant de collecteur nul et une tension VCE non fixée. L’équivalent est un commutateur ouvert. Dans le cas du transistor saturé (S) ou ON le courant iB est tel que le transistor impose une tension VCE nulle tandis que le courant ic atteint une valeur limite dite de saturation, icsat. L’équivalent est un commutateur fermé.

Transistor MOS de puissance
Le transistor MOS est un composant totalement commandé c’est-à-dire qu’on peut le commander à la fermeture et à l’ouverture. Il est rendu passant grâce à une tension vGS positive (de l’ordre de quelques volts). La grille est isolée du reste du transistor, ce qui procure une impédance grille-source très élevée. La grille n’absorbe donc aucun courant en régime permanent. La jonction drain-source est alors assimilable à une résistance très faible : RDS de quelques milli-ohm. On le bloque en annulant VGS, RDS devient alors très élevée.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
I.1 DEFINITIONS
I.2 CONVERTISSEURS STATIQUES
I.2.1 Généralités
I.2.2 Notion de réversibilité
I.2.3 Les fonctions de base
I.2.3.1 Conversion alternatif-continu
I.2.3.2 Convertisseur continu-alternatif
I.2.3.3 Convertisseur continu-continu
I.2.3.4 Convertisseur alternatif-alternatif
I.3 COMPOSANTS EN ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
I.3.1 Généralités
I.3.2 Diode de puissance
I.3.3 Transistor bipolaire de puissance
I.3.4 Transistor MOS de puissance
I.3.5 Transistor IGBT
I.3.6 Thyristors
I.3.7 Thyristor GTO
I.3.8 Réversibilité en courant des transistors
I.3.8.1 Représentation par segments
I.3.8.2 Recherche de la réversibilité en courant
I.3.9 Réversibilité en courant des thyristors
I.4 CONVERTISSEURS CONTINU-ALTERNATIF
I.4.1 Définition
I.4.2 Classification des onduleurs
I.4.2.1 Onduleur non-autonome ou « assisté »
a) Onduleur à fréquence variable
I.4.2.2 Onduleur autonome
a) Onduleur à fréquence fixe
I.4.2.3 Onduleur de tension
I.4.2.4 Onduleur de courant
I.4.2.5 Onduleur à résonance
a) Onduleur à résonance parallèle
b) Onduleur à résonance série
I.4.3 Structures principales des onduleurs autonomes
I.4.3.1 Onduleur de tension monophasé à deux interrupteurs
a) Cas du débit sur charge inductive
I.4.3.2 Onduleur monophasé en pont
I.4.3.3 Onduleur triphasé en pont
a) Structure principale
I.4.4 Applications des onduleurs
I.5 ONDULEURS A MODULATION DE LARGEUR D’IMPULSIONS
I.5.1 Généralités
I.5.2 Les harmoniques
I.5.2.1 Définitions
I.5.2.2 Perturbation des harmoniques
I.5.2.3 Mode de représentation
I.5.2.4 Effets des harmoniques
I.5.2.5 L’harmonique mesuré en pratique
I.5.3 Problème de filtrage
I.5.4 Topologies des onduleurs à MLI
I.5.4.1 Cellule de commutation d’un onduleur à MLI
a) Principe de base de la modulation de largeur d’impulsions
I.5.4.2 Onduleur de tension monophasé en pont
I.5.4.3 Onduleur de tension triphasé en pont
I.5.5 Techniques de commande par MLI
I.5.5.1 Contrôle de tension d’un onduleur
I.5.5.2 MLI naturelle
a) Principes généraux
b) Avantages de la MLI intersective
I.5.5.3 MLI à sélection d’harmonique à éliminer
a) Principes généraux
b) Méthode de calcul des angles de commutation
c) Algorithme de Newton-Raphson
CHAPITRE II CONCEPTION DES COMMANDES
II.1 DESCRIPTION DU CONTEXTE
II.2 SCHEMA BLOC DE L’ENSEMBLE
II.3 ALLURES DES TENSIONS DE SORTIE
II.3.1 Allure de la courbe n°1
II.3.2 Allure de la courbe n°2
II.3.3 Allure de la courbe n°3
II.4 CALCUL DES ANGLES DE COMMUTATION
II.4.1 Résolution de la première commande
II.4.2 Résolution de la deuxième commande
II.4.3 Résolution de la troisième commande
II.5 PRINCIPES DE LA COMMANDE
II.5.1 Règle d’interconnexion d’une source tension
II.5.2 Phénomène de chevauchement
II.5.3 Allures des signaux de commande
II.5.3.1 Allures des 6 signaux de la première commande
II.5.3.2 Allures des 6 signaux de la deuxième commande
II.5.3.3 Allures des 6 signaux de la troisième commande
II.6 GENERATION DES SIGNAUX DE COMMANDE PAR UN MICROCONTROLEUR
II.6.1 Définitions
II.6.1.1 Microcontrôleurs
II.6.1.2 PIC
a) Identification générale d’un PIC
II.6.2 PIC 16F84A
II.6.2.1 Caractéristiques
II.6.2.2 Brochage
II.6.2.3 Processeur
II.6.2.4 Organisation des mémoires
a) Mémoire programme
b) Mémoire de donnée
c) Registres généraux
d) Registres de fonctions spéciaux
II.6.2.5 Mémoire EEPROM
II.6.2.6 Ressources auxiliaires
II.6.2.7 Ports d’entrées/sorties (E/S)
II.6.2.8 Timer0
II.6.2.9 Les interruptions
a) Mécanisme générale d’une interruption
b) Différentes sources d’interruption
c) Validation des interruptions
II.6.2.10 Le Watchdog
II.6.2.11 Le prédiviseur
II.6.2.12 Le mode « Sleep »
II.7 CONCEPTION DES PROGRAMMES DE COMMANDE
II.7.1 Choix du compilateur
II.7.2 Présentation du mikroC PRO for PIC v.6.0.0
II.7.3 Création d’un nouveau projet
II.7.3.1 Etapes à suivre
II.7.4 Compilation d’un programme
II.7.5 Programmation du PIC 16F84A
II.7.5.1 Principes généraux de la conception
II.7.5.2 Organigramme du programme de commande
II.8 CONCEPTION DU CIRCUIT DE COMMANDE AVEC LE LOGICIEL PROTEUS
II.8.1 Présentation de PROTEUS VSM
II.8.2 Les environnements de travail d’ISIS
II.8.3 Edition d’un nouveau circuit avec ISIS
II.8.3.1 Sélection des composants à utiliser
II.8.3.2 Ajout d’un composant sur le schéma
a) Placement d’un composant
b) Edition des caractéristiques d’un composant
II.8.3.3 Connexion des composants
II.8.4 Ajout d’un générateur
II.8.4.1 Edition des caractéristiques d’un générateur
II.8.4.2 Différents types de générateur
a) Générateurs des signaux analogiques
b) Générateurs de signaux logiques
II.8.5 La masse
II.8.6 Conception du circuit de commande avec ISIS
II.8.6.1 Partie commande
II.8.6.2 Partie isolation
a) Présentation des optocoupleurs
b) Rôle des optocoupleurs
c) Fonctionnement général des optocoupleurs
d) Particularité des optocoupleurs
e) Liste des différents composants
f) Montage d’un optocoupleur
CHAPITRE III RESULTATS DES SIMULATIONS DE L’ONDULEUR
III.1 RESULTATS DE LA SIMULATION AVEC ISIS
III.1.1 Simulation du circuit de commande avec ISIS
III.1.1.1 Importation du fichier programme
III.1.1.2 Placement d’un oscilloscope dans ISIS
III.1.1.3 Lancement de la simulation
III.1.1.4 Résultats de simulation de la première commande
III.1.1.5 Résultats de simulation de la deuxième commande
III.1.1.6 Résultats de simulation de la troisième commande
III.1.2 Interprétation des résultats
III.2 RESULTATS DE LA SIMULATION AVEC MATLAB/SIMULINK
III.2.1 Présentation de MATLAB
III.2.2 Présentation de SIMULINK
III.2.3 Lancement de la simulation
III.2.4 Rôle du bloc « powergui » dans la simulation
III.2.5 Schéma du modèle Simulink de simulation
III.2.6 Résultats de la simulation avec la charge résistive
III.2.6.1 Résultats de la simulation avec la première commande
a) Allures des tensions simples
b) Analyse harmonique de la tension V1
c) Allures des tensions composées
d) Analyse harmonique de la tension U12
e) Allures des courants
f) Analyse harmonique du courant I1
III.2.6.2 Résultats de la simulation avec la deuxième commande
a) Allures des tensions simples
b) Analyse harmonique de la tension V1
c) Allures des tensions composées
d) Analyse harmonique de la tension U12
e) Allures des courants
f) Analyse harmonique du courant I1
III.2.6.3 Résultats de la simulation avec la troisième commande
a) Allures des simples
b) Analyse harmonique de la tension V1
c) Allures des tensions composées
d) Analyse harmonique de la tension U12
e) Allures des courants
f) Analyse harmonique du courant I1
III.2.7 Résultats de la simulation avec la charge (R, L)
III.2.7.1 Résultats de la simulation avec la première commande
a) Allures des tensions simples
b) Analyse harmonique de la tension V1
c) Allures des tensions composées
d) Analyse harmonique de la tension U12
e) Allures des courants
f) Analyse harmonique du courant I1
III.2.7.2 Résultats de la simulation avec la deuxième commande
a) Allures des tensions simples
b) Analyse harmonique de la tension V1
c) Allures des tensions composées
d) Analyse harmonique de la tension U12
e) Allures des courants
f) Analyse harmonique du courant I1
III.2.7.3 Résultats de la simulation avec la troisième commande
a) Allures des simples
b) Analyse harmonique de la tension V1
c) Allures des tensions composées
d) Analyse harmonique de la tension U12
e) Allures des courants
f) Analyse harmonique du courant I1
III.2.8 Interprétation des résultats
IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
Impact positif
Impact négatif
Le courant électrique et ses effets
Les tensions dangereuses
CONCLUSION GENERALE

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