Électronique de puissance et entraînements : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 8 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Convertisseurs continu-continu

Abaisseur
Vo = D·Vin
Élévateur
Vo = Vin/(1 − D)
Abaisseur-élévateur inverseur
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
Bilan de puissance idéal
VinIin = VoIo
Ondulation de l’inductance
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
Courant moyen dans l’inductance
abaisseur Io ; élévateur et abaisseur-élévateur Io/(1 − D)
Ondulation de sortie
abaisseur ΔIL/(8fC) ; élévateur et abaisseur-élévateur Io·D/(fC)
Limite de conduction continue
abaisseur (1 − D)R/(2f) ; élévateur D(1 − D)²R/(2f) ; abaisseur-élévateur (1 − D)²R/(2f)

Méthode

  1. Identifiez le convertisseur (abaisseur, élévateur ou abaisseur-élévateur) et le rapport cyclique D à partir du rapport des tensions.
  2. Utilisez l’équilibre volt-seconde de l’inductance : la tension moyenne de l’inductance sur une période est nulle.
  3. Trouvez la tension de l’inductance pendant que l’interrupteur est fermé, puis ΔIL = VL·D/(L·f).
  4. Pour l’ondulation de sortie, trouvez la charge qui entre dans le condensateur et en sort ; pour la limite de conduction continue, égalez le courant moyen dans l’inductance à ΔIL/2.

Moteurs à courant continu

Circuit d’induit
V = E + IaRa
F.c.é.m. et couple
E = k·ω, T = k·Ia
Vitesse
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Vitesse à vide et couple de blocage
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Puissances
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Démarrage
Istart = V/(Ra + Rst)
Variation de vitesse
SR = (n0 − nFL)/nFL
Puissance développée maximale
Pmax = V²/(4Ra)
Entraînement par hacheur
Va = D·Vdc

Méthode

  1. Dessinez le circuit d’induit : l’alimentation V, la résistance Ra et la f.c.é.m. E en série.
  2. Utilisez V = E + Ia·Ra pour relier tension, courant et f.c.é.m.
  3. Utilisez E = k·ω pour la vitesse et T = k·Ia pour le couple, avec ω = 2π·n/60.
  4. Pour la puissance et le rendement, partez de V·Ia, soustrayez les pertes Joule Ia²·Ra, puis les pertes mécaniques.

Puissance alternative et facteur de puissance

Puissance active
P = V·I·cos φ
Puissance réactive
Q = V·I·sin φ
Puissance apparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Facteur de puissance
pf = cos φ = P/S
Condensateur de compensation
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Puissance triphasée

Couplage en étoile (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Couplage en triangle (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Puissance active totale
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Puissances apparente et réactive
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Condensateurs de compensation
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tension aux bornes de chaque condensateur
Δ : VL Y : VL/√3
Puissance absorbée par le moteur
Pin = Pout/η

2Exercices

1.Convertisseurs continu-continuMoyen
+−15 VLSCR = 25 Ω+−37,5 V

Un convertisseur élévateur idéal transforme 15 V en 37,5 V pour une charge de 25 Ω. Trouvez le courant moyen dans l’inductance IL.

Vin​ = 15 VVo​ = 37,5 VR = 25 Ω
IL = A
2.Convertisseurs continu-continuDifficile
tiL​Imax​Io​DTT2T

Un convertisseur abaisseur transforme 48 V en 33,6 V à 200 kHz avec L = 150 µH. Trouvez le plus petit courant de charge Io,min pour lequel il reste en conduction continue.

Vin​ = 48 VVo​ = 33,6 Vf = 200 kHzL = 150 µH
Io,min = A
3.Moteurs à courant continuMoyen
T (N·m)n (rpm)3,75 N·mn0​nFL​

Un moteur à courant continu (k = 0,75 V·s/rad, Ra = 2 Ω) est alimenté sous 240 V. À pleine charge, il absorbe 5 A. En négligeant le courant à vide, trouvez sa variation de vitesse SR = (n₀ − nFL)/nFL en pourcentage.

V = 240 Vk = 0,75 V·s/radRa = 2 ΩIFL = 5 A
SR = %
4.Moteurs à courant continuDifficile
+−110 VRs​ = ?Ra​ = 1 ΩM+−En = 400 rpmT = 6 N·m

Un moteur à courant continu (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 1 Ω) alimenté sous une tension fixe de 110 V entraîne une charge de 6 N·m. Trouvez la résistance en série Rs qui le ralentit à 400 rpm.

V = 110 Vk = 1,2 V·s/radRa = 1 ΩT = 6 N·mn = 400 rpm
Rs = Ω
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
230 V123 kW, 0,65224 kW, 1I

Deux charges sont branchées en parallèle sur une alimentation monophasée de 230 V : une charge de 23 kW avec un facteur de puissance de 0,65 inductif et un radiateur de 24 kW (facteur de puissance unitaire). Trouvez le facteur de puissance global cos φ vu par l’alimentation.

V = 230 VP1 = 23 kW, pf1 = 0,65 inductifP2 = 24 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
230 V50 Hzcharge20 kW, 0,65C220 µFI = ?

Une charge monophasée absorbe 20 kW avec un facteur de puissance de 0,65 inductif sur une alimentation de 230 V, 50 Hz. Un condensateur de 220 µF est branché en parallèle sur la charge. Trouvez le nouveau courant de ligne I.

P = 20 kWpf1 = 0,65V = 230 Vf = 50 HzC = 220 µF
I = A
7.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 690 VIL​ = 20 Acos φ = 0,8inductif

Une charge triphasée équilibrée absorbe un courant de ligne de 20 A sur un réseau de tension composée 690 V. Le facteur de puissance vaut 0,8 (inductif). Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.

VL = 690 VIL = 20 Acos φ = 0,8
P = kW
8.Puissance triphaséeDifficile
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 300 kW avec un facteur de puissance de 0,7 (inductif) sur un réseau de 415 V (tension composée), 60 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,95 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en étoile (Y). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 300 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Solutions

1.Convertisseurs continu-continu

Réponse: IL = 3,75 A

Convertisseurs continu-continu : un interrupteur S est fermé pendant la fraction D de chaque période T = 1/f. En régime permanent, la tension moyenne aux bornes de l’inductance est nulle (équilibre volt-seconde), ce qui donne les rapports de conversion idéaux en conduction continue : abaisseur Vo = D·Vin, élévateur Vo = Vin/(1 − D), abaisseur-élévateur inverseur |Vo| = Vin·D/(1 − D). Un convertisseur idéal conserve la puissance : Vin·Iin = Vo·Io. Tant que S est fermé, le courant de l’inductance augmente de ΔIL = VL·D·T/L, avec VL = Vin − Vo pour l’abaisseur et Vin pour l’élévateur et l’abaisseur-élévateur. L’ondulation de la tension de sortie est ΔVo = ΔIL/(8fC) pour l’abaisseur et Io·D/(fC) pour l’élévateur et l’abaisseur-élévateur. Le courant de l’inductance touche tout juste zéro (limite de la conduction continue) lorsque le courant moyen de l’inductance est égal à ΔIL/2.

Rapport cyclique

D = 1 − 15/37,5 = 0,6

Courant de charge

Io = 37,5/25 = 1,5 A

Courant dans l’inductance

IL = Io/(1 − D) = 1,5/0,4 = 3,75 A

Réponse

IL = 3,75 A
2.Convertisseurs continu-continu

Réponse: Io,min = 0,168 A

Convertisseurs continu-continu : un interrupteur S est fermé pendant la fraction D de chaque période T = 1/f. En régime permanent, la tension moyenne aux bornes de l’inductance est nulle (équilibre volt-seconde), ce qui donne les rapports de conversion idéaux en conduction continue : abaisseur Vo = D·Vin, élévateur Vo = Vin/(1 − D), abaisseur-élévateur inverseur |Vo| = Vin·D/(1 − D). Un convertisseur idéal conserve la puissance : Vin·Iin = Vo·Io. Tant que S est fermé, le courant de l’inductance augmente de ΔIL = VL·D·T/L, avec VL = Vin − Vo pour l’abaisseur et Vin pour l’élévateur et l’abaisseur-élévateur. L’ondulation de la tension de sortie est ΔVo = ΔIL/(8fC) pour l’abaisseur et Io·D/(fC) pour l’élévateur et l’abaisseur-élévateur. Le courant de l’inductance touche tout juste zéro (limite de la conduction continue) lorsque le courant moyen de l’inductance est égal à ΔIL/2.

Rapport cyclique

D = 33,6/48 = 0,7

Ondulation du courant

ΔIL = 33,6·0,3/(150·10⁻⁶·200·10³) = 0,336 A

Courant de charge limite

Io,min = ΔIL/2 = 0,168 A

Réponse

Io,min = 0,168 A

En dessous de ce courant, le convertisseur passe en conduction discontinue et Vo dépasse D·Vin.

3.Moteurs à courant continu

Réponse: SR = 4,348 %

Moteur à courant continu : l’induit est une résistance Ra en série avec la force contre-électromotrice E, donc V = E + Ia·Ra. La force contre-électromotrice croît avec la vitesse, E = k·ω, et le couple avec le courant, T = k·Ia, avec la même constante de moteur k (V·s/rad = N·m/A) en unités SI. Convertissez les vitesses avec ω = 2π·n/60. La puissance développée est E·Ia = T·ω ; la puissance d’entrée est V·Ia, et la différence correspond aux pertes par effet Joule Ia²Ra et aux pertes mécaniques. La vitesse diminue linéairement avec le couple, ω = V/k − Ra·T/k², de la vitesse à vide V/k jusqu’à zéro au couple de blocage k·V/Ra. À l’arrêt, E = 0, donc le courant de démarrage V/Ra est élevé, sauf si une résistance le limite.

Vitesse à vide et à pleine charge

n₀ = 60·240/(2π·0,75) = 3056 rpm
nFL = 60·(240 − 5·2)/(2π·0,75) = 2928 rpm

Variation de vitesse

SR = (3056 − 2928)/2928·100 = 4,348 %

Réponse

SR = 4,348 %
4.Moteurs à courant continu

Réponse: Rs = 10,95 Ω

Moteur à courant continu : l’induit est une résistance Ra en série avec la force contre-électromotrice E, donc V = E + Ia·Ra. La force contre-électromotrice croît avec la vitesse, E = k·ω, et le couple avec le courant, T = k·Ia, avec la même constante de moteur k (V·s/rad = N·m/A) en unités SI. Convertissez les vitesses avec ω = 2π·n/60. La puissance développée est E·Ia = T·ω ; la puissance d’entrée est V·Ia, et la différence correspond aux pertes par effet Joule Ia²Ra et aux pertes mécaniques. La vitesse diminue linéairement avec le couple, ω = V/k − Ra·T/k², de la vitesse à vide V/k jusqu’à zéro au couple de blocage k·V/Ra. À l’arrêt, E = 0, donc le courant de démarrage V/Ra est élevé, sauf si une résistance le limite.

Courant et f.c.é.m.

Ia = 6/1,2 = 5 A
E = 1,2·41,89 = 50,27 V

Résistance en série

Ra + Rs = (110 − 50,27)/5 = 11,95 Ω
Rs = 10,95 Ω

Réponse

Rs = 10,95 Ω

La résistance dissipe 273,7 W ; un hacheur règle la vitesse avec bien moins de pertes.

5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: cos φ = 0,868

Puissance en alternatif : la puissance apparente S = V·I (VA) se partage entre la puissance active P = S·cos φ (W), qui fournit un travail utile, et la puissance réactive Q = S·sin φ (var), qui fait des allers-retours entre source et charge. Le facteur de puissance est cos φ. Un condensateur en parallèle fournit la puissance réactive sur place, donc le courant de ligne baisse pour la même puissance active.

Puissance réactive de chaque charge

Une charge inductive absorbe de la puissance réactive (Q > 0) ; une charge capacitive en fournit (Q < 0).

Q1 = 23·tan(arccos 0,65) = 26,89 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totaux

P = 23 + 24 = 47 kW
Q = 26,89 + 0 = 26,89 kvar
S = √(47² + 26,89²) = 54,15 kVA

Facteur de puissance global

cos φ = P/S = 47/54,15 = 0,868 inductif

Réponse

cos φ = 0,868
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: I = 122,1 A

Puissance en alternatif : la puissance apparente S = V·I (VA) se partage entre la puissance active P = S·cos φ (W), qui fournit un travail utile, et la puissance réactive Q = S·sin φ (var), qui fait des allers-retours entre source et charge. Le facteur de puissance est cos φ. Un condensateur en parallèle fournit la puissance réactive sur place, donc le courant de ligne baisse pour la même puissance active.

Puissance réactive avant et après

La puissance active P ne change pas ; seule la puissance réactive prélevée sur le réseau change.

Q1 = 20·tan(arccos 0,65) = 23,38 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·220·10⁻⁶ = 3656 var = 3,656 kvar
Q2 = 23,38 − 3,656 = 19,73 kvar

Nouvelle puissance apparente

S2 = √(20² + 19,73²) = 28,09 kVA

Nouveau courant de ligne

I = S2/V = 28091/230 = 122,1 A

Réponse

I = 122,1 A
7.Puissance triphasée

Réponse: P = 19,12 kW

Systèmes triphasés équilibrés : en couplage étoile (Y), la tension composée vaut √3 fois la tension simple, VL = √3·Vph, et le courant de ligne est égal au courant de phase. En couplage triangle (Δ), la tension composée est égale à la tension de phase et le courant de ligne vaut √3 fois le courant de phase, IL = √3·Iph. La puissance totale vaut trois fois la puissance d’une phase : P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Puissance apparente

S = √3·VL·IL = √3·690·20 = 23,9 kVA

Puissance active

P = S·cos φ = 23,9·0,8 = 19,12 kW

Réponse

P = 19,12 kW
8.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 3195 µF

Systèmes triphasés équilibrés : en couplage étoile (Y), la tension composée vaut √3 fois la tension simple, VL = √3·Vph, et le courant de ligne est égal au courant de phase. En couplage triangle (Δ), la tension composée est égale à la tension de phase et le courant de ligne vaut √3 fois le courant de phase, IL = √3·Iph. La puissance totale vaut trois fois la puissance d’une phase : P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Compensation du facteur de puissance : les condensateurs fournissent localement de la puissance réactive, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Chacun des trois condensateurs fournit QC/3 = V²·ω·C, où V est la tension aux bornes de ce condensateur : VL dans une batterie en triangle, VL/√3 dans une batterie en étoile.

Puissance réactive avant et après

La puissance active ne change pas ; chaque facteur de puissance fixe donc la puissance réactive : Q = P·tan φ.

Q1 = 300·tan(acos 0,7) = 300·1,02 = 306,1 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,95) = 300·0,3287 = 98,61 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 207,5 kvar

Capacité par phase

Dans une batterie en étoile, chaque condensateur est branché entre une phase et le point neutre.

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 69152/(377·239,6²) = 3195 µF

Réponse

Cph = 3195 µF

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