Identifiez le convertisseur (abaisseur, élévateur ou abaisseur-élévateur) et le rapport cyclique D à partir du rapport des tensions.
Utilisez l’équilibre volt-seconde de l’inductance : la tension moyenne de l’inductance sur une période est nulle.
Trouvez la tension de l’inductance pendant que l’interrupteur est fermé, puis ΔIL = VL·D/(L·f).
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
Dessinez le circuit d’induit : l’alimentation V, la résistance Ra et la f.c.é.m. E en série.
Utilisez V = E + Ia·Ra pour relier tension, courant et f.c.é.m.
Utilisez E = k·ω pour la vitesse et T = k·Ia pour le couple, avec ω = 2π·n/60.
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
Un convertisseur abaisseur-élévateur inverseur idéal transforme 15 V en −5 V à 50 kHz avec L = 100 µH. Trouvez l’ondulation crête à crête du courant dans l’inductance ΔIL.
Vin = 15 VVo = −5 Vf = 50 kHzL = 100 µH
ΔIL = A
2.Convertisseurs continu-continuDifficile
Un convertisseur abaisseur transforme 36 V en 14,4 V pour une charge de 25 Ω à 250 kHz, avec L = 47 µH et C = 470 µF. Trouvez l’ondulation crête à crête de la tension de sortie ΔVo en mV.
Un moteur à courant continu avec k = 0,4 N·m/A et Ra = 0,5 Ω est branché sur 120 V. Trouvez son couple de blocage Tstall, le couple à vitesse nulle.
V = 120 Vk = 0,4 N·m/ARa = 0,5 Ω
Tstall = N·m
4.Moteurs à courant continuDifficile
Un moteur à courant continu (k = 0,5 V·s/rad, Ra = 0,2 Ω) alimenté sous une tension fixe de 48 V entraîne une charge de 5 N·m. Trouvez la résistance en série Rs qui le ralentit à 400 rpm.
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
Un moteur monophasé absorbe 15 kW avec un facteur de puissance de 0,7 inductif sous 230 V. Trouvez la puissance réactive Q qu’il absorbe.
P = 15 kWpf = 0,7V = 230 V
Q = kvar
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
Une charge monophasée absorbe 45 kW avec un facteur de puissance de 0,7 inductif sous 240 V, 60 Hz. Un condensateur branché en parallèle relève le facteur de puissance à 0,98. Trouvez le nouveau courant de ligne Inew.
P = 45 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98V = 240 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.Puissance triphaséeMoyen
Une charge équilibrée couplée en étoile (Y), d’impédance 20 + j15 Ω par phase, est branchée sur un réseau triphasé équilibré de tension composée 400 V. Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.
VL = 400 VZ = 20 + j15 Ω par phase
P = kW
8.Puissance triphaséeDifficile
Une charge triphasée équilibrée absorbe 300 kW avec un facteur de puissance de 0,7 (inductif) sur un réseau de 690 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 triangle (Δ). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.
P = 300 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3Solutions
1.Convertisseurs continu-continu
Réponse: ΔIL = 0,75 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 = 5/(15 + 5) = 0,25
Tension de l’inductance pendant la phase de conduction
Tant que S est fermé, l’inductance se trouve directement aux bornes de Vin.
VL = 15 V
Ondulation du courant
ΔIL = VL·D/(L·f) = 15·0,25/(100·10⁻⁶·50·10³) = 0,75 A
Réponse
ΔIL = 0,75 A
2.Convertisseurs continu-continu
Réponse: ΔVo = 0,7823 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 = 14,4/36 = 0,4
Ondulation du courant dans l’inductance
ΔIL = (36 − 14,4)·0,4/(47·10⁻⁶·250·10³) = 0,7353 A
Ondulation de sortie
ΔVo = 0,7353/(8·250·10³·470·10⁻⁶) = 0,7823 mV
Réponse
ΔVo = 0,7823 mV
3.Moteurs à courant continu
Réponse: Tstall = 96 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.
Courant de blocage
Ia = V/Ra = 120/0,5 = 240 A
Couple de blocage
Tstall = 0,4·240 = 96 N·m
Réponse
Tstall = 96 N·m
4.Moteurs à courant continu
Réponse: Rs = 2,506 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 = 5/0,5 = 10 A
E = 0,5·41,89 = 20,94 V
Résistance en série
Ra + Rs = (48 − 20,94)/10 = 2,706 Ω
Rs = 2,506 Ω
Réponse
Rs = 2,506 Ω
La résistance dissipe 250,6 W ; un hacheur règle la vitesse avec bien moins de pertes.
5.Puissance alternative et facteur de puissance
Réponse: Q = 15,3 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 = 15·1,02 = 15,3 kvar
Réponse
Q = 15,3 kvar
6.Puissance alternative et facteur de puissance
Réponse: Inew = 191,3 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 = P·tan φ1 = 45·tan(45,57°) = 45,91 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(11,48°) = 9,138 kvar
QC = Q1 − Q2 = 36,77 kvar
Nouveau courant de ligne
Inew = P/(V·cos φ2) = 45000/(240·0,98) = 191,3 A
Réponse
Inew = 191,3 A
7.Puissance triphasée
Réponse: P = 5,12 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.
Tension simple
Vph = 400/√3 = 230,9 V
Courant de phase
|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 230,9/25 = 9,238 A
Puissance active totale
Seule la partie résistive de chaque impédance absorbe de la puissance active.
P = 3·Iph²·R = 3·9,238²·20 = 5,12 kW
Réponse
P = 5,12 kW
Vérification : cos φ = R/|Z| = 0,8, et √3·VL·IL·cos φ donne la même puissance.
8.Puissance triphasée
Réponse: Cph = 385,3 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 triangle, chaque condensateur est branché entre deux phases.