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Introduction au redressement monophasé non commandé

Les besoins des récepteurs électriques nécessitent d’adapter la forme de l’énergie fournie par le réseau de distribution. C’est le rôle des modulateurs d’énergie. Or les réseaux et les récepteurs électriques absorbe de l’énergie sous deux formes, en continus ou en alternatifs. Pour adapter l’offre à la demande quatre types de convertisseurs sont nécessaires. Parmi ceux-ci, ce document aborde la conversion alternatif-continu au sein de redresseurs dont l’étude est limitée aux ensembles non commandés.
La chaîne de conversion peut se décomposer en trois parties : la source alternative, le commutateur et enfin la charge. L’étude de chacune de ces fonctions permet de juger de leur influence sur l’efficacité globale du redresseur.
L’étude d’une structure élémentaire débitant sur une charge résistive permet de définir la tension moyenne, le courant moyen, la puissance moyenne, la puissance apparente et le facteur de puissance. Ce dernier est plutôt médiocre dans ce premier exemple. L’étude se poursuit alors en faisant évoluer la charge vers un récepteur inductif plus proche des charges industrielles. Dans ces conditions, le courant ne s’annule qu’après la tension, forçant la conduction du commutateur pour laisser apparaître une tension négative aux bornes de la charge. Pour compléter cet aspect, on traite le cas d’une charge comportant une f.e.m. en série (comme dans les moteurs à courant continu). L’étape suivante permet d’améliorer le facteur de puissance, le commutateur évolue par l’insertion d’une diode de roue libre pour assurer la continuité du courant dans la charge inductive lors d’une conduction continue. Ces considérations permettent de mettre en place une modélisation de la charge par une source de courant. Dernier aspect, la source est modifiée par l’emploi d’un transformateur pour assurer un facteur de puissance proche de 1, garant d’une grande qualité du comportement harmonique de l’ensemble {redresseur + charge}. ......

Les composants de l'électronique de puissance

L’électronique de puissance utilise des composants semi-conducteurs pour réaliser les fonctions de commutation (interrupteurs) chargées d’adapter les tensions et les courants issus d’un réseau de distribution pour satisfaire les besoins de la charge à alimenter.
Les commutateurs non commandés sont réalisés par les diodes de puissance. Lorsque les applications nécessitent une intervention extérieure, les composants commandables entrent en jeu : parmi ceux-ci, le document se limite à l’étude des thyristors et des transistors de puissance bipolaires ou MOS. Un bref aperçu du transistor IGBT, plus moderne, est présenté pour terminer.
L’étude de la diode de puissance commence par un rappel de ses fonctions, considérée parfaite et fonctionnant en commutation. Une extension relative aux imperfections essentielles amène naturellement aux critères de son dimensionnement tout en précisant les moyens de sa protection.
Élément majeur de l’électronique de puissance (en tous cas historiquement), le thyristor a un comportement proche de la diode avec la propriété d’une conduction commandable électriquement. Suivant le même plan que précédemment, sa description commence par l’élément parfait tandis que les moyens d’obtenir sa conduction et son blocage, par commutation naturelle ou forcée, sont précisés. Les caractéristiques réelles imposent des conditions de fonctionnement plus contraignantes. Similaires à ceux de la diode, le choix et la protection d’un thyristor en suivent les mêmes règles. Mais puisque ce composant est commandable, une large description des circuits de commande est réalisée : modèle électrique de la broche de commande, nature des signaux de contrôle et précaution de l’isolement galvanique (abordée par des moyens électromagnétiques ou électro-optiques).
Technologiquement plus récent, le transistor bipolaire supplante le thyristor pour les applications de moyenne puissance. Il peut se comporter comme un commutateur aisément contrôlable à l’ouverture et à la fermeture ce qui permet une commande plus aisée. Caractéristiques parfaites puis réelles permettent de fixer les éléments de choix et de protection de ce composant. A l’instar du thyristor, les structures et les modes de fonctionnement de la commande sont précisés à la fermeture et à l’ouverture. Les interfaces ne sont que rapidement évoquées (sans être étudiées) en s’appuyant sur des exemples industriels.
Toujours dans la lignée des transistors, le MOS apporte une facilité de mise en oeuvre accrue pour des performances très proches des bipolaires. Pour terminer la description des composants principaux, le transistor IGBT est rapidement évoqué comme fusion des avantages des deux transistors précédents.
Pour terminer totalement, la dernière partie évoque le moyen de constituer un commutateur réversible en courant par association d’un transistor et d’une diode.

Protection thermique des composants de puissance

L'essentiel sur la diode de puissance

Dès qu’il s’agit de parler de composants de puissance, on s’attache immédiatement au modèle
externe de l’élément. La présentation du composant réel évolue vers le modèle parfait pour
évoquer la fonction de l’élément.

Télécharger :

L'essentiel sur le transistor bipolaire de puissance

Le transistor bipolaire est le plus ancien des composants commandés utilisés dans les convertisseurs de puissance. Il est aujourd’hui remplacé par le transistor MOSFET ou le transistor IGBT qui font l’objet de fiches spécifiques.

Télécharger : L'Essentiel Sur Le Transistor Bipolaire de Puissance (pdf)

Machine asynchrone triphasée : pilotage à vitesse variable

L’exploitation industrielle de la machine asynchrone nécessite la mise en place des moyens de variation de la vitesse de rotation dans le but d’entraîner la charge à vitesse variable. Cette application est fondée sur une bonne connaissance du modèle de la machine et de l’expression du couple électromécanique dépendant des paramètres électriques.
Le document débute par le rappel de l’expression du couple électromagnétique établie dans le document « Machine asynchrone triphasée : modélisation ». C’est l’occasion de recenser les moyens de déplacer le point de fonctionnement : par action sur la tension statorique, par modification de la résistance rotorique (sur machine à rotor bobiné exclusivement) ou par variation de la pulsation des tensions statoriques du réseau d’alimentation.
Le détail aborde en premier lieu le moyen de changer le sens de rotation rotorique. Les deux procédés suivants rappellent la modification de la tension statorique et de la résistance rotorique. Ils sont cependant limités à des phases transitoires en raison de rendements énergétique médiocres. Le dernier mode agit sur la fréquence du réseau d’alimentation . C’est le plus employé industriellement en raison de sa souplesse et qui procure les meilleures fonctionnalités à la MAS. En effet, les modifications de la caractéristique de couple permettent d’assurer l’ajustement optimal du point de fonctionnement afin d’assurer le meilleur comportement dynamique de la machine. Cette qualité est d’autant mieux obtenue que le rapport tension efficace–fréquence statorique est maintenu constant.
C’est alors l’occasion de mettre en oeuvre les convertisseurs d’énergie pour assurer le meilleur pilotage de la MAS : un onduleur triphasé, assurant de surcroît une optimisation spectrale des tensions statoriques ayant recours à la modulation de largeur d’impulsions (M.L.I.).

Voir aussi : Machine asynchrone triphasée : modélisation

Machine asynchrone triphasée : modélisation

Après avoir établi le principe et la réalisation d’une MAS, ce document s’intéresse à la mise en place d’un modèle électrique satisfaisant afin de l’exploiter dans un contexte industriel.
La recherche du schéma électrique équivalent commence par la mise en place de l’expression de la tension induite statorique puis, par analogie, de la tension rotorique. Ceci conduit à établir leur rapport pour mettre en évidence le comportement d’un transformateur singulier. En effet, la fréquence de la tension rotorique dépend du paramètre cinématique « glissement » qui traduit la variation relative des vitesses du champ tournant statorique et du rotor. Se basant sur cette analogie, un premier schéma équivalent est mis en évidence où interviennent les imperfections, tant magnétiques qu’électriques.

Après les tensions, une étude du rapport de transformation en courant montre qu’il n’est pas l’inverse de celui en tension. Cette constatation met en lumière la singularité du transformateur précédemment introduit. Pour approfondir la modélisation, on s’attache à évaluer les puissances mises en jeu. C’est l’occasion de monter que la puissance électrique n’est pas transmise intégralement, laissant apparaître une puissance électromagnétique qui traduit la conversion électromécanique. Le modèle est alors enrichi pour tenir compte de cette puissance active au travers d’une résistance.
Pour en terminer avec le schéma équivalent, il évolue afin d’être plus pratique. Le nouveau modèle utilise une représentation mono fréquentielle par passage des éléments rotoriques au stator (on s’inspire en fait de la représentation équivalente au primaire d’un transformateur). Le couple électromécanique peut alors être exprimé, tant mécaniquement, qu’électriquement pour traduire le comportement électromécanique de la machine.
La caractéristique de couple est ensuite étudiée. Elle laisse apparaître un fonctionnement deux quadrants par changement de signe du couple. L’extension à quatre quadrants est immédiate par inversion de la vitesse de rotation à l’aide d’un champ tournant inverse (échange de deux phases). La caractéristique laisse apparaître des extrema pour des glissements proches du synchronisme mais aussi une zone de fonctionnement quasi-linéaire. Cette exploitation offre l’occasion d’observer les moyens de faire varier la vitesse de rotation par modification de la tension efficace statorique, d’une part, et de la résistance rotorique, d’autre part (les autres moyens étant abordés dans la troisième partie).
Pour terminer les méthodes expérimentales pour relever les éléments du schéma équivalent sont décrites. Le premier est orienté « laboratoire » : un essai préliminaire, un essai au synchronisme et un à rotor bloqué sous tension réduite. Le second fait appel au relevé du couple de démarrage, maximal et du glissement correspondant. Associé à la connaissance du courant statorique nominal, tous les paramètres peuvent être déterminés.



Voir aussi :

Machine asynchrone triphasée : principe, fonctionnement et structure interne

La machine asynchrone (MAS), aussi appelée machine d’induction, est basée sur l’utilisation d’un champ tournant sinusoïdal. Pour en expliquer le principe et la mise en oeuvre, la première partie présente une machine comportant une partie fixe, le stator, supportant des enroulements qui se logent dans des encoches réparties sur le pourtour et une partie mobile, le rotor. Entre les deux, un entrefer permet le mouvement relatif. Les enroulements assurent la création de pôles magnétiques qui permettent une élévation du nombre de cycles magnétiques autour du stator.

La présentation aborde ensuite l’induction magnétique qui peut être à répartition spatiale sinusoïdale si elle dépend de la position. Mais elle peut aussi se propager à la manière d’une onde circulaire autour du stator à la pulsation de synchronisme : il s’agit d’un champ tournant sinusoïdal.
La partie préliminaire se termine en présentant les moyens de réaliser un champ tournant sinusoïdal. On s’intéresse pour cela à l’évolution du champ d’excitation au passage d’un conducteur du bobinage statorique, puis d’un enroulement comportant davantage de spires alimentées en monophasé. On constate alors que le champ d’excitation suit une évolution trapézoïdale. En ajustant la répartition des conducteurs, les harmoniques indésirables sont éliminées afin d’obtenir un champ d’induction quasi sinusoïdal. Fort de la création de ce champ à répartition spatiale, le théorème de Leblanc indique qu’il est à l’origine de deux champs tournant en sens contraires, donc inadaptés à l’entraînement d’un rotor (sur lequel se caler ?). Une solution est fournie par trois enroulements alimentés en triphasé dont le théorème de Ferraris fournit l’expression.
Les deux applications du champ tournant sont ensuite abordées. Avec un rotor disposant d’une polarité magnétique d’abord (aimant ou électro-aimant), celui-ci tourne à la vitesse de synchronisme pour constituer une machine synchrone (MS), hors programme cependant. L’autre application consiste à réaliser des enroulements sur le rotor et à les court-circuiter pour parvenir à la machine asynchrone.
Pour terminer sur des aspects strictement technologiques, la dernière partie s’attache à présenter la constitution de la MAS au travers de ses trois parties principales : le stator, l’entrefer et le rotor. C’est l’occasion de montrer que si la structure du stator reste invariante, le rotor peut être constitué d’enroulements bobinés ou de conducteurs moulés en cage d’écureuil.
Télécharger : 
Machine Asynchrone Triphasée _ Principe, Fonctionnement Et Structure Interne (pdf)
Voir aussi:

L'électronique par l'expérience

Pour aborder l'électronique, il est nécessaire, au-delà théorie, d'acquérir un sens physique (pratique) des inhérents à cette discipline.
C'est ce que propose l'électronique par l'expérience en délivrant les moyens de comprendre et d'assimiler les modes de raisonnements de l'électronique.
Cet ouvrage, véritable guide d'apprentissage de l'électronique, s'adresse à l'électronicien débutant ainsi qu'à toute personne qui dans son travail est amené un jour à se familiariser avec l'électronique.  Pierre Mayé

Télécharger : L'électronique Par L'expérience  (pdf)

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Apprendre l'électronique en partant de zéro


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