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 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
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
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
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
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.
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
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
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
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.