Synthèse des convertisseurs statiques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu

Composants jouant le rôle Objectifs de la synthèse pertes CVS Pe Ps Composants jouant le rôle d’interrupteurs électroniques Berceau: pour fixer la raquette Mors de tirage: pour tendre le cordage à une tension préréglée sur le clavier Pinces: pour maintenir le cordage pendant les manipulations Cordeuse officielle de Roland Garros Objectifs de la synthèse des convertisseurs statiques d’énergie : - Déterminer la structure du convertisseur statique - Déterminer les caractéristiques des interrupteurs.

CVS NATURE DES SOURCES NATURE DES SOURCES : - Sources de tension ou courant continu; - Sources de tension ou courant alternatif. CVS Source d’entrée Source de sortie REVERSIBILITE DES SOURCES : - Une source est dite réversible si la puissance fournie peut être positive ou négative. Berceau: pour fixer la raquette Mors de tirage: pour tendre le cordage à une tension préréglée sur le clavier Pinces: pour maintenir le cordage pendant les manipulations Cordeuse officielle de Roland Garros 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.

CVS 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. CVS Source d’entrée Source de sortie Sens de transfert de puissance Berceau: pour fixer la raquette Mors de tirage: pour tendre le cordage à une tension préréglée sur le clavier Pinces: pour maintenir le cordage pendant les manipulations Cordeuse officielle de Roland Garros

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 Berceau: pour fixer la raquette Mors de tirage: pour tendre le cordage à une tension préréglée sur le clavier Pinces: pour maintenir le cordage pendant les manipulations Cordeuse officielle de Roland Garros

Convertisseurs directs Convertisseur statique DIRECT Tension / Courant : Possibilité d’interconnexion de ces sources : K1=K4=1 K2=K3=1 K1=K3=1 ou K2=K4=1 P=Ve.Is P= -Ve.Is P=0 Structure du convertisseur direct tension courant :

Convertisseurs directs Convertisseur statique DIRECT Courant / Tension : Possibilité d’interconnexion de ces sources : K1=K2=1 ou K3=K4=1 K1=K4=1 K2=K3=1 P=Ve.Is P= -Ve.Is 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 i L uL=L.di/dt=E-v v E di/dt=(E-v)/L Si L grand alors : di/dt=0 soit i = constante i v I iC=C.dv/dt=I-i C iC dv/dt=(I-i)/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.

Convertisseurs indirects Convertisseur statique INDIRECT 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

Convertisseurs indirects Convertisseur statique INDIRECT Tension / Tension Possibilité d’interconnexion de ces sources : K5=1 K1=K2=K3=K4=0 K5=0 K1=K4=1 K2=K3=1 Structure des CVS INDIRECT Tension / Tension :

Convertisseurs indirects Convertisseur statique INDIRECT Courant / Courant Possibilité d’interconnexion de ces sources : K1=K2=K3=1 K4=K5=0 K5=K1=K4=1 K2=K3=0 K5=K2=K3=1 K1=K4=0 Structure des CVS INDIRECT Courant / Courant :

Etude des interrupteurs Modèle et convention d’un interrupteur idéal iK vK Caractéristiques statiques IK(VK) vK iK iK vK fermé vK iK ouvert Berceau: pour fixer la raquette Mors de tirage: pour tendre le cordage à une tension préréglée sur le clavier Pinces: pour maintenir le cordage pendant les manipulations Cordeuse officielle de Roland Garros On distingue les interrupteurs en fonction de leur caractéristique statique IK(VK) : - 2 segments; - 3 segments; - 4 segments.

Transistor IGBT Diodes Etude des interrupteurs Caractéristiques statiques IK(VK) à 2 segments : iK vK iK vK iK vK iK vK Berceau: pour fixer la raquette Mors de tirage: pour tendre le cordage à une tension préréglée sur le clavier Pinces: pour maintenir le cordage pendant les manipulations Cordeuse officielle de Roland Garros Transistor IGBT Diodes Uni directionnalité en tension et en courant.

Etude des interrupteurs Caractéristiques statiques IK(VK) à 3 segments : Bidirectionnel en tension : iK vK iK vK iK vK Berceau: pour fixer la raquette Mors de tirage: pour tendre le cordage à une tension préréglée sur le clavier Pinces: pour maintenir le cordage pendant les manipulations Cordeuse officielle de Roland Garros Thyristor Bidirectionnalité en tension. Unidirectionnalité en courant.

Etude des interrupteurs Caractéristiques statiques IK(VK) à 3 segments : Bidirectionnel en courant : iK vK iK vK iK vK Berceau: pour fixer la raquette Mors de tirage: pour tendre le cordage à une tension préréglée sur le clavier Pinces: pour maintenir le cordage pendant les manipulations Cordeuse officielle de Roland Garros Transistor MOS Bidirectionnalité en courant. Unidirectionnalité en tension.

Etude des interrupteurs Caractéristiques statiques IK(VK) à 4 segments : Bidirectionnalité en courant et en tension. iK vK Berceau: pour fixer la raquette Mors de tirage: pour tendre le cordage à une tension préréglée sur le clavier Pinces: pour maintenir le cordage pendant les manipulations Cordeuse officielle de Roland Garros

Caractéristiques dynamiques Mode de commutations Caractéristiques dynamiques - Passage de l’état ouvert à l’état fermé  amorçage vK iK W>0 W<0 - Passage de l’état fermé à l’état ouvert  blocage Énergie pendant la commutation : W>0  Commutation commandée Berceau: pour fixer la raquette Mors de tirage: pour tendre le cordage à une tension préréglée sur le clavier Pinces: pour maintenir le cordage pendant les manipulations Cordeuse officielle de Roland Garros W=0  Commutation naturelle

Interrupteurs existants iK vK iK vK vK iK vK iK DIODE IGBT Plus au programme iK vK iK vK vK iK vK iK Berceau: pour fixer la raquette Mors de tirage: pour tendre le cordage à une tension préréglée sur le clavier Pinces: pour maintenir le cordage pendant les manipulations Cordeuse officielle de Roland Garros MOS THYRISTOR

Hacheur série I E v CVS K1 K2 i>0 E v>0 Vélo à assistance au pédalage v>0 i>0 CVS batterie MCC E E K1 K2 v I Structure Choix des interrupteurs vK1 iK1 vK2 iK2 Berceau: pour fixer la raquette Mors de tirage: pour tendre le cordage à une tension préréglée sur le clavier Pinces: pour maintenir le cordage pendant les manipulations Cordeuse officielle de Roland Garros IGBT DIODE Commande des interrupteurs K1 K2 aT T

Onduleur CVS K1 K2 K3 K4 K5 K6 E i 0 < > Courant alternatif Barrière Onduleur CVS Tension redressée filtrée MAS K1 K2 K3 K4 K5 K6 E i 0 < > Structure Courant alternatif Commande des interrupteurs K1 K2 2p K4 K3 2p/3 K5 K6 Berceau: pour fixer la raquette Mors de tirage: pour tendre le cordage à une tension préréglée sur le clavier Pinces: pour maintenir le cordage pendant les manipulations Cordeuse officielle de Roland Garros Choix des interrupteurs vK iK 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.

CAHIER DES CHARGES : EXEMPLE DE SYNTHESE 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

E K1 K3 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 E K1 K2 K3 K4

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 E K1 K2 K4

E E K1 K1 EXEMPLE DE SYNTHESE Étape 4 : Détermination des caractéristiques statiques des interrupteurs K1 K2 K4 vK1 vK2 vK4 E iK1 iK2 iK4 I E K1 K2 K4 vK1 vK2 vK4 iK1 iK2 iK4 I vK1 iK1 vK2 iK2 vK4 iK4

E E K1 K1 EXEMPLE DE SYNTHESE Étape 5 : Détermination des caractéristiques dynamiques des interrupteurs 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 vK1 iK1 vK2 iK2 vK4 iK4 1) 1) 1) 2) 2) 2)

vK1 vK2 iK1 iK2 EXEMPLE DE SYNTHESE Étape 6 : Détermination des interrupteurs vK1 iK1 vK2 iK2 vK4 iK4 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

Structure du convertisseur statique nécessaire EXEMPLE DE SYNTHESE Structure du convertisseur statique nécessaire

CLASSIFICATION DES INTERRUPTEURS