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​ΔI = ?DTT2T

Un convertisseur élévateur idéal transforme 24 V en 80 V à 200 kHz avec L = 330 µH. Trouvez l’ondulation crête à crête du courant dans l’inductance ΔIL.

Vin​ = 24 VVo​ = 80 Vf = 200 kHzL = 330 µH
ΔIL = A
2.Convertisseurs continu-continuDifficile
tiL​Imax​IL​DTT2T

Un convertisseur abaisseur idéal transforme 9 V en 3,6 V pour une charge de 50 Ω à 50 kHz. Trouvez la plus petite inductance Lcrit permettant la conduction continue.

Vin​ = 9 VVo​ = 3,6 Vf = 50 kHzR = 50 Ω
Lcrit = µH
3.Moteurs à courant continuMoyen
T (N·m)n (rpm)1,5 N·mn0​n = ?

Un moteur à courant continu (k = 0,75 N·m/A, Ra = 1,5 Ω) est alimenté sous 48 V et entraîne une charge de couple 1,5 N·m. Trouvez sa vitesse n en rpm.

V = 48 Vk = 0,75 N·m/ARa = 1,5 ΩT = 1,5 N·m
n = rpm
4.Moteurs à courant continuDifficile
+−240 VRa​ = 1,2 ΩIa​: 8 → 4,8 AM+−En = ?T

Un moteur à courant continu à excitation indépendante, alimenté sous 240 V (Ra = 1,2 Ω), tourne à 1800 rpm avec un courant d’induit de 8 A. La charge change et le courant devient 4,8 A, le champ restant inchangé. Trouvez la nouvelle vitesse n2.

V = 240 VRa = 1,2 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 8 AIa2 = 4,8 A
n2 = rpm
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
240 V121 kW, 0,6217 kW, 0,8I

Deux charges sont branchées en parallèle sur une alimentation monophasée de 240 V : une charge de 21 kW avec un facteur de puissance de 0,6 inductif et une charge de 17 kW avec un facteur de puissance de 0,8 inductif. Trouvez le facteur de puissance global cos φ vu par l’alimentation.

V = 240 VP1 = 21 kW, pf1 = 0,6 inductifP2 = 17 kW, pf2 = 0,8 inductif
cos φ =
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
240 V50 Hzcharge19 kW, 0,6C150 µFI = ?

Une charge monophasée absorbe 19 kW avec un facteur de puissance de 0,6 inductif sur une alimentation de 240 V, 50 Hz. Un condensateur de 150 µF est branché en parallèle sur la charge. Trouvez le nouveau courant de ligne I.

P = 19 kWpf1 = 0,6V = 240 Vf = 50 HzC = 150 µF
I = A
7.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 400 VZ = 7 + j24 Ωpar phase

Une charge équilibrée couplée en triangle (Δ), d’impédance 7 + j24 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 = 7 + j24 Ω par phase
P = kW
8.Puissance triphaséeDifficile
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 80 kW avec un facteur de puissance de 0,75 (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 0,9 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en étoile (Y). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 80 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Solutions

1.Convertisseurs continu-continu

Réponse: ΔIL = 0,2545 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 = 1 − 24/80 = 0,7

Tension de l’inductance pendant la phase de conduction

Tant que S est fermé, l’inductance se trouve directement aux bornes de Vin.

VL = 24 V

Ondulation du courant

ΔIL = VL·D/(L·f) = 24·0,7/(330·10⁻⁶·200·10³) = 0,2545 A

Réponse

ΔIL = 0,2545 A
2.Convertisseurs continu-continu

Réponse: Lcrit = 300 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

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 − 0,4)·50/(250·10³) = 300 µH

Réponse

Lcrit = 300 µH
3.Moteurs à courant continu

Réponse: n = 573 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 = 1,5/0,75 = 2 A

F.c.é.m. et vitesse

E = 48 − 2·1,5 = 45 V
ω = E/k = 60 rad/s → n = 573 rpm

Réponse

n = 573 rpm
4.Moteurs à courant continu

Réponse: n2 = 1830 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 − 4,8·1,2 = 234,2 V

Nouvelle vitesse

n2 = 1800·234,2/230,4 = 1830 rpm

Réponse

n2 = 1830 rpm
5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: cos φ = 0,682

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 = 21·tan(arccos 0,6) = 28 kvar
Q2 = 17·tan(arccos 0,8) = 12,75 kvar

Totaux

P = 21 + 17 = 38 kW
Q = 28 + 12,75 = 40,75 kvar
S = √(38² + 40,75²) = 55,72 kVA

Facteur de puissance global

cos φ = P/S = 38/55,72 = 0,682 inductif

Réponse

cos φ = 0,682
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: I = 123,1 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 = 19·tan(arccos 0,6) = 25,33 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·150·10⁻⁶ = 2714 var = 2,714 kvar
Q2 = 25,33 − 2,714 = 22,62 kvar

Nouvelle puissance apparente

S2 = √(19² + 22,62²) = 29,54 kVA

Nouveau courant de ligne

I = S2/V = 29540/240 = 123,1 A

Réponse

I = 123,1 A
7.Puissance triphasée

Réponse: P = 5,376 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 = VL = 400 V

Courant de phase

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
Iph = 400/25 = 16 A

Puissance active totale

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

P = 3·Iph²·R = 3·16²·7 = 5,376 kW

Réponse

P = 5,376 kW

Vérification : cos φ = R/|Z| = 0,28, et √3·VL·IL·cos φ donne la même puissance.

8.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 587,9 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 = 80·tan(acos 0,75) = 80·0,8819 = 70,55 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 31,81 kvar

Capacité par phase

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

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 10603/(314,2·239,6²) = 587,9 µF

Réponse

Cph = 587,9 µF

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