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
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

Un convertisseur abaisseur-élévateur inverseur idéal transforme 9 V en −9 V à 500 kHz avec L = 33 µH. Trouvez l’ondulation crête à crête du courant dans l’inductance ΔIL.

Vin​ = 9 VVo​ = −9 Vf = 500 kHzL = 33 µH
ΔIL = A
2.Convertisseurs continu-continuDifficile
tiL​Imax​Io​DTT2T

Un convertisseur abaisseur transforme 15 V en 7,5 V à 250 kHz avec L = 220 µH. Trouvez le plus petit courant de charge Io,min pour lequel il reste en conduction continue.

Vin​ = 15 VVo​ = 7,5 Vf = 250 kHzL = 220 µH
Io,min = A
3.Moteurs à courant continuMoyen
+−VRa​M+−En = 2900 rpmT = ?

Un moteur à courant continu fournit 0,75 kW de puissance mécanique à 2900 rpm. Trouvez le couple sur l’arbre T.

P = 0,75 kWn = 2900 rpm
T = N·m
4.Moteurs à courant continuDifficile
+−110 VRa​ = 0,8 ΩM+−EωT

Un petit moteur à courant continu a une résistance d’induit de 0,8 Ω et fonctionne sous 110 V. En négligeant les pertes mécaniques, trouvez la plus grande puissance mécanique Pmax qu’il peut développer à n’importe quelle vitesse.

V = 110 VRa = 0,8 Ω
Pmax = W
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
P = 36 kWQSφ

Un moteur monophasé absorbe 36 kW avec un facteur de puissance de 0,85 inductif sous 400 V. Trouvez le courant de ligne I.

P = 36 kWpf = 0,85V = 400 V
I = A
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
P1​ = 104 kWQ1​S1​φ

Un transformateur monophasé de 200 kVA alimente une charge de 104 kW avec un facteur de puissance de 0,7 inductif. Quelle puissance active supplémentaire ΔP peut-on ajouter sous forme de charge résistive (facteur de puissance unitaire) avant que le transformateur atteigne sa puissance nominale en kVA ?

Smax = 200 kVAP1 = 104 kWpf1 = 0,7
ΔP = kW
7.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 208 VZ = 3 + j4 Ωpar phase

Une charge équilibrée couplée en triangle (Δ), d’impédance 3 + j4 Ω par phase, est branchée sur un réseau triphasé équilibré de tension composée 208 V. Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.

VL = 208 VZ = 3 + j4 Ω par phase
P = kW
8.Puissance triphaséeDifficile
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 50 kW avec un facteur de puissance de 0,75 (inductif) sur un réseau de 400 V (tension composée), 50 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,98 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en triangle (Δ). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 50 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Solutions

1.Convertisseurs continu-continu

Réponse: ΔIL = 0,2727 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 = 9/(9 + 9) = 0,5

Tension de l’inductance pendant la phase de conduction

Tant que S est fermé, l’inductance se trouve directement aux bornes de Vin.

VL = 9 V

Ondulation du courant

ΔIL = VL·D/(L·f) = 9·0,5/(33·10⁻⁶·500·10³) = 0,2727 A

Réponse

ΔIL = 0,2727 A
2.Convertisseurs continu-continu

Réponse: Io,min = 0,03409 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 = 7,5/15 = 0,5

Ondulation du courant

ΔIL = 7,5·0,5/(220·10⁻⁶·250·10³) = 0,06818 A

Courant de charge limite

Io,min = ΔIL/2 = 0,03409 A

Réponse

Io,min = 0,03409 A

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

3.Moteurs à courant continu

Réponse: T = 2,47 N·m

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 en rad/s

ω = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s

Couple

T = P/ω = 750/303,7 = 2,47 N·m

Réponse

T = 2,47 N·m
4.Moteurs à courant continu

Réponse: Pmax = 3781 W

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.

Puissance en fonction de la f.c.é.m.

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 55 V

Puissance maximale

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 110²/(4·0,8) = 3781 W

Réponse

Pmax = 3781 W

En ce point, le rendement n’est que de 50 %, c’est pourquoi les moteurs réels tournent bien au-dessus de la demi-vitesse.

5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: I = 105,9 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.

Courant de ligne

Seule la partie active de la puissance fournit un travail, donc divisez par le facteur de puissance.

I = P/(V·cos φ) = 36000/(400·0,85) = 105,9 A

Réponse

I = 105,9 A
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: ΔP = 65,54 kW

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 la charge existante

Q1 = 104·tan(arccos 0,7) = 106,1 kvar

Plus grande puissance active totale

À pleine charge nominale, S = Smax, et Q n’est pas modifiée par la charge résistive.

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 106,1²) = 169,5 kW

Puissance active supplémentaire

ΔP = 169,5 − 104 = 65,54 kW

Réponse

ΔP = 65,54 kW
7.Puissance triphasée

Réponse: P = 15,58 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.

Tension simple

Vph = VL = 208 V

Courant de phase

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
Iph = 208/5 = 41,6 A

Puissance active totale

Seule la partie résistive de chaque impédance absorbe de la puissance active.

P = 3·Iph²·R = 3·41,6²·3 = 15,58 kW

Réponse

P = 15,58 kW

Vérification : cos φ = R/|Z| = 0,6, et √3·VL·IL·cos φ donne la même puissance.

8.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 225,1 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 = 50·tan(acos 0,75) = 50·0,8819 = 44,1 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,98) = 50·0,2031 = 10,15 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 33,94 kvar

Capacité par phase

Dans une batterie en triangle, chaque condensateur est branché entre deux phases.

V = 400 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 11314/(314,2·400²) = 225,1 µF

Réponse

Cph = 225,1 µF

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