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​Io​DTT2T

Un convertisseur abaisseur transforme 12 V en 7,2 V pour une charge de 4 Ω. Il commute à 250 kHz avec L = 68 µH. Trouvez le courant crête dans l’inductance Imax.

Vin​ = 12 VVo​ = 7,2 Vf = 250 kHzL = 68 µHR = 4 Ω
Imax = A
2.Convertisseurs continu-continuDifficile
tiL​Imax​IL​DTT2T

Un convertisseur abaisseur idéal transforme 15 V en 10,5 V pour une charge de 4 Ω à 100 kHz. Trouvez la plus petite inductance Lcrit permettant la conduction continue.

Vin​ = 15 VVo​ = 10,5 Vf = 100 kHzR = 4 Ω
Lcrit = µH
3.Moteurs à courant continuMoyen
T (N·m)n (rpm)12,5 N·mn0​n = ?

Un moteur à courant continu (k = 0,5 N·m/A, Ra = 0,4 Ω) est alimenté sous 120 V et entraîne une charge de couple 12,5 N·m. Trouvez sa vitesse n en rpm.

V = 120 Vk = 0,5 N·m/ARa = 0,4 ΩT = 12,5 N·m
n = rpm
4.Moteurs à courant continuDifficile
+−220 VRa​ = 0,2 ΩM+−En = ?T = 80 N·m

Un moteur à courant continu à excitation indépendante (k = 2 V·s/rad à plein champ, Ra = 0,2 Ω, V = 220 V) entraîne une charge de couple constant 80 N·m. Le flux d’excitation est réduit à 70 % de sa valeur maximale. Trouvez la nouvelle vitesse n.

V = 220 Vk = 2 V·s/radRa = 0,2 ΩT = 80 N·mΦ = 70 %
n = rpm
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
P = 9 kWQ = ?Sφ

Un moteur monophasé absorbe 9 kW avec un facteur de puissance de 0,7 inductif sous 240 V. Trouvez la puissance réactive Q qu’il absorbe.

P = 9 kWpf = 0,7V = 240 V
Q = kvar
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
P = 5 kWQ1​S1​φ1​QC​

Une charge monophasée absorbe 5 kW avec un facteur de puissance de 0,8 inductif sous 400 V, 50 Hz. Un condensateur branché en parallèle relève le facteur de puissance à 0,98. Trouvez la capacité C nécessaire.

P = 5 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
7.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 208 VNZ = 3 + j4 Ωpar phase

Une charge équilibrée couplée en étoile (Y), 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 = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Une charge triphasée équilibrée absorbe 60 kW avec un facteur de puissance de 0,7 (inductif) sur un réseau de 415 V (tension composée), 50 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,95 (inductif). La puissance active reste la même. Trouvez la puissance réactive totale QC que doit fournir la batterie de condensateurs, en kvar.

P = 60 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar

3Solutions

1.Convertisseurs continu-continu

Réponse: Imax = 1,885 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 = 7,2/12 = 0,6

Courant moyen et ondulation

Io = 7,2/4 = 1,8 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 4,8·0,6/(68·10⁻⁶·250·10³) = 0,1694 A

Courant crête

Imax = 1,8 + 0,1694/2 = 1,885 A

Réponse

Imax = 1,885 A
2.Convertisseurs continu-continu

Réponse: Lcrit = 6 µH

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 = 10,5/15 = 0,7

Condition limite

Égalez le courant moyen dans l’inductance à la moitié de l’ondulation et résolvez pour L.

Lcrit = (1 − D)·R/(2f)

Inductance critique

Lcrit = (1 − 0,7)·4/(2100·10³) = 6 µH

Réponse

Lcrit = 6 µH
3.Moteurs à courant continu

Réponse: n = 2101 rpm

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 d’induit

Ia = T/k = 12,5/0,5 = 25 A

F.c.é.m. et vitesse

E = 120 − 25·0,4 = 110 V
ω = E/k = 220 rad/s → n = 2101 rpm

Réponse

n = 2101 rpm
4.Moteurs à courant continu

Réponse: n = 1423 rpm

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.

Constante de moteur affaiblie

k₂ = 0,7·2 = 1,4 V·s/rad

Nouveau courant d’induit

Ia = 80/1,4 = 57,14 A

Nouvelle vitesse

ω = (220 − 57,14·0,2)/1,4 = 149 rad/s → n = 1423 rpm

Réponse

n = 1423 rpm

L’affaiblissement du champ permet à un variateur de moteur à courant continu de dépasser sa vitesse de base.

5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: Q = 9,182 kvar

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.

Angle

φ = arccos(0,7) = 45,57°, tan φ = 1,02

Puissance réactive

Q = P·tan φ = 9·1,02 = 9,182 kvar

Réponse

Q = 9,182 kvar
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: C = 54,41 µF

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 = P·tan φ1 = 5·tan(36,87°) = 3,75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(11,48°) = 1,015 kvar
QC = Q1 − Q2 = 2,735 kvar

Capacité

Un condensateur sur le réseau fournit Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 2735/(2π·50·400²) = 54,41 µF

Réponse

C = 54,41 µF
7.Puissance triphasée

Réponse: P = 5,192 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 = 208/√3 = 120,1 V

Courant de phase

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
Iph = 120,1/5 = 24,02 A

Puissance active totale

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

P = 3·Iph²·R = 3·24,02²·3 = 5,192 kW

Réponse

P = 5,192 kW

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

8.Puissance triphasée

Réponse: QC = 41,49 kvar

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 = 60·tan(acos 0,7) = 60·1,02 = 61,21 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 41,49 kvar

Réponse

QC = 41,49 kvar

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