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
+−9 VSL = ?CR+−3,6 V

Un convertisseur abaisseur idéal transforme 9 V en 3,6 V à une fréquence de commutation de 40 kHz. Trouvez l’inductance L qui maintient l’ondulation crête à crête du courant dans l’inductance à 0,5 A.

Vin​ = 9 VVo​ = 3,6 Vf = 40 kHzΔIL = 0,5 A
L = µH
2.Convertisseurs continu-continuDifficile
+−15 VLSC = 220 µFR = 2 Ω+−20 V

Un convertisseur élévateur idéal transforme 15 V en 20 V pour une charge de 2 Ω à 500 kHz. Le condensateur de sortie est de 220 µF. Trouvez l’ondulation crête à crête de la tension de sortie ΔVo en mV.

Vin​ = 15 VVo​ = 20 Vf = 500 kHzC = 220 µFR = 2 Ω
ΔVo = mV
3.Moteurs à courant continuMoyen
T (N·m)n (rpm)9 N·mn0​nFL​

Un moteur à courant continu (k = 0,3 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) est alimenté sous 120 V. À pleine charge, il absorbe 30 A. En négligeant le courant à vide, trouvez sa variation de vitesse SR = (n₀ − nFL)/nFL en pourcentage.

V = 120 Vk = 0,3 V·s/radRa = 0,25 ΩIFL = 30 A
SR = %
4.Moteurs à courant continuDifficile
+−120 VRst​ = ?Ra​ = 1 Ω25 AM+−E = 0n = 0T

Un moteur à courant continu de 120 V a une résistance d’induit de 1 Ω. Trouvez la résistance de démarrage en série Rst qui limite le courant de démarrage à 25 A.

V = 120 VRa = 1 ΩImax = 25 A
Rst = Ω
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
400 V125 kW, 0,623 kW, 0,7I

Deux charges sont branchées en parallèle sur une alimentation monophasée de 400 V : une charge de 25 kW avec un facteur de puissance de 0,6 inductif et une charge de 3 kW avec un facteur de puissance de 0,7 inductif. Trouvez le facteur de puissance global cos φ vu par l’alimentation.

V = 400 VP1 = 25 kW, pf1 = 0,6 inductifP2 = 3 kW, pf2 = 0,7 inductif
cos φ =
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
400 V50 Hzcharge22 kW, 0,6C220 µFI

Une charge monophasée absorbe 22 kW avec un facteur de puissance de 0,6 inductif sur une alimentation de 400 V, 50 Hz. Un condensateur de 220 µF est branché en parallèle sur la charge. Trouvez le nouveau facteur de puissance cos φ vu par l’alimentation.

P = 22 kWpf1 = 0,6V = 400 Vf = 50 HzC = 220 µF
cos φ =
7.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 415 VNZ = 12 + j16 Ωpar phase

Une charge équilibrée couplée en étoile (Y), d’impédance 12 + j16 Ω par phase, est branchée sur un réseau triphasé équilibré de tension composée 415 V. Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.

VL = 415 VZ = 12 + j16 Ω par phase
P = kW
8.Puissance triphaséeDifficile
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 150 kW avec un facteur de puissance de 0,7 (inductif) sur un réseau de 400 V (tension composée), 60 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,98 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en étoile (Y). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 150 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Solutions

1.Convertisseurs continu-continu

Réponse: L = 108 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 = 3,6/9 = 0,4

Inductance

L = 5,4·0,4/(0,5·40·10³) = 108 µH

Réponse

L = 108 µH
2.Convertisseurs continu-continu

Réponse: ΔVo = 22,73 mV

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 − 15/20 = 0,25

Courant de charge

Io = 20/2 = 10 A

Ondulation de sortie

ΔVo = 10·0,25/(500·10³·220·10⁻⁶) = 22,73 mV

Réponse

ΔVo = 22,73 mV
3.Moteurs à courant continu

Réponse: SR = 6,667 %

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 = 60·120/(2π·0,3) = 3820 rpm
nFL = 60·(120 − 30·0,25)/(2π·0,3) = 3581 rpm

Variation de vitesse

SR = (3820 − 3581)/3581·100 = 6,667 %

Réponse

SR = 6,667 %
4.Moteurs à courant continu

Réponse: Rst = 3,8 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.

Résistance totale

Ra + Rst = 120/25 = 4,8 Ω

Résistance de démarrage

Rst = 4,8 − 1 = 3,8 Ω

Réponse

Rst = 3,8 Ω

La résistance est court-circuitée par étapes à mesure que le moteur accélère et que la f.c.é.m. augmente.

5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: cos φ = 0,6098

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 = 25·tan(arccos 0,6) = 33,33 kvar
Q2 = 3·tan(arccos 0,7) = 3,061 kvar

Totaux

P = 25 + 3 = 28 kW
Q = 33,33 + 3,061 = 36,39 kvar
S = √(28² + 36,39²) = 45,92 kVA

Facteur de puissance global

cos φ = P/S = 28/45,92 = 0,6098 inductif

Réponse

cos φ = 0,6098
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: cos φ = 0,7692

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 = 22·tan(arccos 0,6) = 29,33 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·220·10⁻⁶ = 11058 var = 11,06 kvar
Q2 = 29,33 − 11,06 = 18,27 kvar

Nouvelle puissance apparente

S2 = √(22² + 18,27²) = 28,6 kVA

Nouveau facteur de puissance

cos φ = P/S2 = 22/28,6 = 0,7692

Réponse

cos φ = 0,7692
7.Puissance triphasée

Réponse: P = 5,167 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 = 415/√3 = 239,6 V

Courant de phase

|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 239,6/20 = 11,98 A

Puissance active totale

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

P = 3·Iph²·R = 3·11,98²·12 = 5,167 kW

Réponse

P = 5,167 kW

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

8.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 2032 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 = 150·tan(acos 0,7) = 150·1,02 = 153 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,98) = 150·0,2031 = 30,46 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 122,6 kvar

Capacité par phase

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

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 40857/(377·230,9²) = 2032 µF

Réponse

Cph = 2032 µF

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