Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

Sébastien

GERGADIER

Lycée Richelieu

TSI 1

Synthèse des convertisseurs

statiques

Sébastien GERGADIERLycée Richelieu

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

Sébastien

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Lycée Richelieu

TSI 1

pertes

CVS

Pe Ps

Composants jouant le rôle

d’interrupteursélectroniques

Objectifs de la synthèse des convertisseurs statiques d’énergie :

- Déterminer la structure du convertisseur statique

- Déterminer les caractéristiques des interrupteurs.

Objectifs de la synthèse

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

Sébastien

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Lycée Richelieu

TSI 1

NATURE DES SOURCES :

- Sources de tension ou courant continu;

- Sources de tension ou courant alternatif.

REVERSIBILITE DES SOURCES :

- Une source est dite réversible si la puissance fournie peut être positive ou négative.

CVS

NATURE DES SOURCES

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.

Source d’entrée

Source de sortie

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

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TSI 1

Nature des sources

REVERSIBILITE DES CONVERTISSEURS STATIQUES :

- Un convertisseur statique est dit réversible si le transfert de puissance peut se réaliser dans les 2 sens.

CVSSource d’entrée

Source de sortie

Sens de transfert de puissance

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

Sébastien

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Lycée Richelieu

TSI 1

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

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

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TSI 1

Convertisseurs directs

Convertisseur statique DIRECT Tension / Courant :

Possibilité d’interconnexion de ces sources :

Structure du convertisseur direct tension courant :

K1=K4=1 K2=K3=1 K1=K3=1 ou K2=K4=1

P=Ve.Is P= -Ve.Is P=0

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

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TSI 1

Convertisseurs directs

Convertisseur statique DIRECT Courant / Tension : Possibilité d’interconnexion de ces sources :

Structure du convertisseur direct Courant Tension :

K1=K4=1 K2=K3=1 K1=K2=1 ou K3=K4=1

P=Ve.Is P= -Ve.Is P=0

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

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TSI 1

Convertisseurs statiques INDIRECT

Convertisseurs indirects

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.

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

Sébastien

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Lycée Richelieu

TSI 1

SOURCE DE TENSION VS SOURCE DE COURANT

Convertisseurs indirects

vE

iL

uL=L.di/dt=E-v

di/dt=(E-v)/L

Si L grand alors :

di/dt=0 soit i = constante

i

v

I

C

iC

iC=C.dv/dt=I-i

dv/dt=(I-i)/C

Si C grand alors :

dv/dt=0 soit v= constante

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

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TSI 1

Convertisseur statique INDIRECT par modification de la nature des sources

Convertisseurs indirects

Structure du CVS indirect Tension / Tension

Structure du CVS indirect Courant / Courant

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

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Lycée Richelieu

TSI 1

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.

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

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Lycée Richelieu

TSI 1

Convertisseur statique INDIRECT

Convertisseurs indirects

Pour la troisième solution, il faut aussi utiliser un composant supplémentaire qui ne dissipe pas de puissance active.

Leur rôle est de créer un étage d’accumulation d’énergie.

On stockera de l’énergie électrique dans une inductance ou dans un condensateur.

Après une phase de stockage de l’énergie électrique dans l’inductance ou le condensateur, cette énergie sera fournie à la source de sortie.

Convertisseur statique INDIRECT TENSION / TENSION :

- Stockage dans une INDUCTANCE

Convertisseur statique INDIRECT COURANT / COURANT :

- Stockage dans un CONDENSATEUR

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

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TSI 1

Convertisseur statique INDIRECT Tension / Tension

Convertisseurs indirects

Possibilité d’interconnexion de ces sources :

Structure des CVS INDIRECT Tension / Tension :

K5=1

K1=K2=K3=K4=0

K5=0

K1=K4=1

K5=0

K2=K3=1

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

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TSI 1

Convertisseur statique INDIRECT Courant / Courant

Convertisseurs indirects

Possibilité d’interconnexion de ces sources :

Structure des CVS INDIRECT Courant / Courant :

K1=K2=K3=1

K4=K5=0

K5=K1=K4=1

K2=K3=0

K5=K2=K3=1

K1=K4=0

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TSI 1

Etude des interrupteurs

iK

vK

fermé

vK

iKouvert v

K

iK

0

iK

vK

Modèle et convention d’un interrupteur idéal

Caractéristiques statiques IK(VK)

On distingue les interrupteurs en fonction de leur caractéristique statique IK(VK) :

- 2 segments;

- 3 segments;

- 4 segments.

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TSI 1

Etude des interrupteurs

Caractéristiques statiques IK(VK) à 2 segments :

Uni directionnalité en tension et en courant.

iK

vK

iK

vK

iK

vK

iK

vK

Transistor IGBT Diodes

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

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TSI 1

Etude des interrupteurs

Caractéristiques statiques IK(VK) à 3 segments :

Bidirectionnel en tension :

iK

vK

iK

vK

iK vK

Thyristor

Bidirectionnalité en tension.

Unidirectionnalité en courant.

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

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TSI 1

Etude des interrupteurs

Caractéristiques statiques IK(VK) à 3 segments :

Bidirectionnel en courant :

iK

vK

iK

vK

iK

vK

Transistor MOS

Bidirectionnalité en courant.

Unidirectionnalité en tension.

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

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TSI 1

Etude des interrupteurs

Caractéristiques statiques IK(VK) à 4 segments :

Bidirectionnalité en courant et en tension.

iK

vK

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

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TSI 1

Mode de commutations

vK

iK

0

Caractéristiques dynamiques

- Passage de l’état ouvert à l’état fermé amorçage- Passage de l’état fermé à l’état ouvert blocage

KkTcom

W v (t)i (t)dt Énergie pendant la commutation :

W>0 Commutation commandée

W<0

W<0

W>0

W>0 W=0 Commutation

naturelle

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

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TSI 1

Interrupteurs existants

vK

iK

0

vK

iK

0

vK

iK

0

iK

vK

DIODE

iK

vK

THYRISTOR

iK

vK

IGBT

iK

vK

MOS

vK

iK

0

Plus auprogramme

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TSI 1

Hacheur sérieVélo à assistance au pédalage

CVS

batterie MCC

E v>0

i>0

vK1

iK

1

0

vK2

iK

2

0

DIODE

E

K1

K2

v

I

Structure Choix des interrupteurs

Commande des interrupteurs

K1 K2

T T

IGBT

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TSI 1

OnduleurBarrière

CVS

Tensionredressée filtrée

MAS

Commande des interrupteurs

K5K6K5

K4K4 K3

2/3

K1 K2

2

Choix des interrupteurs

vK

iK

0

IGBT

+DIODE

K1

K2

K3

K4

K5

K6

E

i 0<>

Structure

Courant alternatif

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TSI 1

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.

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TSI 1

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

temps

E

αT T

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TSI 1

EXEMPLE DE SYNTHESE

Étape 3 : Structure de base du CVS

E

K1

K2

K3

K4

Convertisseur statique direct tension / courant

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 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)).

Synthèse des convertisseurs statiques d’énergie

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TSI 1

Transfert de puissance Phase de roue libre

Modification et simplification de la structure de base du CVS

E

K1

K2K4

Combinaisons possibles d’interconnexion des sources

EXEMPLE DE SYNTHESE

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TSI 1

EXEMPLE DE SYNTHESE

Étape 4 : Détermination des caractéristiques statiques des interrupteurs

vK1

iK1

vK2

iK2

vK4

iK4

K1

K2

K4

vK1

vK2 vK4

E

iK1

iK2 iK4

I E

K1

K2

K4

vK1

vK2 vK4

iK1

iK2 iK4

I

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TSI 1

EXEMPLE DE SYNTHESE

Étape 5 : Détermination des caractéristiques dynamiques des interrupteurs

vK1

iK1

vK2

iK2

vK4

iK4

E

K1

K2

K4

vK1

vK2 vK4

iK1

iK2 iK4

I

1)

E

K1

K2

K4

vK1

vK2 vK4

iK1

iK2 iK4

I

2)Enchaînement 1) 2) 1) 2) ..pour moduler le transfert de puissance, et donc la vitesse

1)

2)

1)

2)

1) 2)

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TSI 1

EXEMPLE DE SYNTHESE

Étape 6 : Détermination des interrupteurs

vK1

iK1

vK2

iK2

vK4

iK4

1)

2)

1)

2)

1) 2)

Interrupteur statique à 2 segments

Amorçage et blocage commandés

Interrupteur statique à 2 segments

Amorçage et blocage spontanés (naturels)

Interrupteur statique à 1 segments

TRANSISTOR IGBT DIODES EN INVERSE FIL

iK1

vK1

iK2

vK2

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TSI 1

EXEMPLE DE SYNTHESE

Structure du convertisseur statique nécessaire

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TSI 1

CLASSIFICATION DES INTERRUPTEURS