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
+−48 VSL = ?CR+−33,6 V

Un convertisseur abaisseur idéal transforme 48 V en 33,6 V à une fréquence de commutation de 100 kHz. Trouvez l’inductance L qui maintient l’ondulation crête à crête du courant dans l’inductance à 0,3 A.

Vin​ = 48 VVo​ = 33,6 Vf = 100 kHzΔIL = 0,3 A
L = µH
2.Convertisseurs continu-continuDifficile
tiL​Imax​IL​DTT2T

Un convertisseur abaisseur-élévateur inverseur idéal transforme 36 V en −36 V pour une charge de 12 Ω à 50 kHz. Trouvez la plus petite inductance Lcrit permettant la conduction continue.

Vin​ = 36 VVo​ = −36 Vf = 50 kHzR = 12 Ω
Lcrit = µH
3.Moteurs à courant continuMoyen
+−VRa​M+−En = 1200 rpmT = ?

Un moteur à courant continu fournit 7,5 kW de puissance mécanique à 1200 rpm. Trouvez le couple sur l’arbre T.

P = 7,5 kWn = 1200 rpm
T = N·m
4.Moteurs à courant continuDifficile
+−240 VRa​ = 1,2 ΩIa​: 8 → 2 AM+−En = ?T

Un moteur à courant continu à excitation indépendante, alimenté sous 240 V (Ra = 1,2 Ω), tourne à 1200 rpm avec un courant d’induit de 8 A. La charge change et le courant devient 2 A, le champ restant inchangé. Trouvez la nouvelle vitesse n2.

V = 240 VRa = 1,2 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 8 AIa2 = 2 A
n2 = rpm
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
240 V122 kW, 0,7220 kW, 0,85I = ?

Deux charges sont branchées en parallèle sur une alimentation monophasée de 240 V : une charge de 22 kW avec un facteur de puissance de 0,7 inductif et une charge de 20 kW avec un facteur de puissance de 0,85 capacitif. Trouvez le courant total I prélevé sur l’alimentation.

V = 240 VP1 = 22 kW, pf1 = 0,7 inductifP2 = 20 kW, pf2 = 0,85 capacitif
I = A
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
120 V50 HzRs​ = 4 ΩXs​ = j40 ΩZL​ = ?

Une source de 120 V (efficace), 50 Hz a une impédance interne Zs = 4 + j40 Ω. L’impédance de charge ZL peut être choisie librement. Trouvez la puissance active maximale Pmax qui peut être fournie à la charge.

Vs = 120 V (rms)f = 50 HzZs = 4 + j40 Ω
Pmax = W
7.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 208 VNZ = 15 + j20 Ωpar phase

Une charge équilibrée couplée en étoile (Y), d’impédance 15 + j20 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 = 15 + j20 Ω par phase
P = kW
8.Puissance triphaséeDifficile
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 200 kW avec un facteur de puissance de 0,7 (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 0,9 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en triangle (Δ). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 200 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Solutions

1.Convertisseurs continu-continu

Réponse: L = 336 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 = 33,6/48 = 0,7

Inductance

L = 14,4·0,7/(0,3·100·10³) = 336 µH

Réponse

L = 336 µH
2.Convertisseurs continu-continu

Réponse: Lcrit = 30 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 = 36/(36 + 36) = 0,5

Condition limite

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

Lcrit = (1 − D)²·R/(2f)

Inductance critique

Lcrit = (1 − 0,5)²·12/(250·10³) = 30 µH

Réponse

Lcrit = 30 µH
3.Moteurs à courant continu

Réponse: T = 59,68 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·1200/60 = 125,7 rad/s

Couple

T = P/ω = 7500/125,7 = 59,68 N·m

Réponse

T = 59,68 N·m
4.Moteurs à courant continu

Réponse: n2 = 1238 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.

F.c.é.m. avant et après

E1 = 240 − 8·1,2 = 230,4 V
E2 = 240 − 2·1,2 = 237,6 V

Nouvelle vitesse

n2 = 1200·237,6/230,4 = 1238 rpm

Réponse

n2 = 1238 rpm
5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: I = 179,9 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.

Puissance réactive de chaque charge

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

Q1 = 22·tan(arccos 0,7) = 22,44 kvar
Q2 = −20·tan(arccos 0,85) = −12,39 kvar

Totaux

P = 22 + 20 = 42 kW
Q = 22,44 + (−12,39) = 10,05 kvar
S = √(42² + 10,05²) = 43,19 kVA

Courant total

I = S/V = 43186/240 = 179,9 A

Réponse

I = 179,9 A
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: Pmax = 900 W

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.

Adaptation conjuguée

La réactance de la charge compense celle de la source, et la résistance de la charge est égale à celle de la source.

ZL = Zs* = 4 − j40 Ω

Puissance maximale

I = Vs/(2Rs) = 120/8 = 15 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 120²/(4·4) = 900 W

Réponse

Pmax = 900 W
7.Puissance triphasée

Réponse: P = 1,038 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| = √(15² + 20²) = 25 Ω
Iph = 120,1/25 = 4,804 A

Puissance active totale

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

P = 3·Iph²·R = 3·4,804²·15 = 1,038 kW

Réponse

P = 1,038 kW

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

8.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 710,7 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 = 200·tan(acos 0,7) = 200·1,02 = 204 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,9) = 200·0,4843 = 96,86 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 107,2 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) = 35725/(314,2·400²) = 710,7 µF

Réponse

Cph = 710,7 µF

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