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 transforme 12 V en 9 V pour une charge de 10 Ω. Il commute à 40 kHz avec L = 100 µH. Trouvez le courant crête dans l’inductance Imax.
Vin = 12 VVo = 9 Vf = 40 kHzL = 100 µHR = 10 Ω
Imax = A
2.Convertisseurs continu-continuDifficile
Un convertisseur élévateur idéal transforme 36 V en 90 V pour une charge de 10 Ω à 50 kHz. Le condensateur de sortie est de 10 µF. Trouvez l’ondulation crête à crête de la tension de sortie ΔVo en mV.
Vin = 36 VVo = 90 Vf = 50 kHzC = 10 µFR = 10 Ω
ΔVo = mV
3.Moteurs à courant continuMoyen
Un moteur à courant continu avec k = 0,6 V·s/rad est alimenté sous 110 V. En négligeant toutes les pertes à vide, trouvez sa vitesse à vide n0 en rpm.
V = 110 Vk = 0,6 V·s/rad
n0 = rpm
4.Moteurs à courant continuDifficile
Un moteur à courant continu à excitation indépendante, alimenté sous 220 V (Ra = 0,4 Ω), tourne à 900 rpm avec un courant d’induit de 20 A. La charge change et le courant devient 5 A, le champ restant inchangé. Trouvez la nouvelle vitesse n2.
V = 220 VRa = 0,4 Ωn1 = 900 rpmIa1 = 20 AIa2 = 5 A
n2 = rpm
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
Une charge d’impédance Z = 12 + j9 Ω est branchée sur une alimentation monophasée de 230 V (efficace). Trouvez la puissance active P qu’elle absorbe.
V = 230 VZ = 12 + j9 Ω
P = W
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
Un transformateur monophasé de 100 kVA alimente une charge de 33 kW avec un facteur de puissance de 0,7 inductif. Quelle puissance active supplémentaire ΔP peut-on ajouter sous forme de charge résistive (facteur de puissance unitaire) avant que le transformateur atteigne sa puissance nominale en kVA ?
Smax = 100 kVAP1 = 33 kWpf1 = 0,7
ΔP = kW
7.Puissance triphaséeMoyen
Une charge triphasée équilibrée absorbe un courant de ligne de 150 A sur un réseau de tension composée 415 V. Le facteur de puissance vaut 0,7 (inductif). Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.
VL = 415 VIL = 150 Acos φ = 0,7
P = kW
8.Puissance triphaséeDifficile
Une charge triphasée équilibrée absorbe 50 kW avec un facteur de puissance de 0,72 (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 0,92 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en triangle (Δ). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.
P = 50 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3Solutions
1.Convertisseurs continu-continu
Réponse: Imax = 1,181 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 = 9/12 = 0,75
Courant moyen et ondulation
Io = 9/10 = 0,9 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 3·0,75/(100·10⁻⁶·40·10³) = 0,5625 A
Courant crête
Imax = 0,9 + 0,5625/2 = 1,181 A
Réponse
Imax = 1,181 A
2.Convertisseurs continu-continu
Réponse: ΔVo = 10800 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 − 36/90 = 0,6
Courant de charge
Io = 90/10 = 9 A
Ondulation de sortie
ΔVo = 9·0,6/(50·10³·10·10⁻⁶) = 10800 mV
Réponse
ΔVo = 10800 mV
3.Moteurs à courant continu
Réponse: n0 = 1751 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.
Vitesse à vide
ω₀ = V/k = 110/0,6 = 183,3 rad/s
n0 = 60·183,3/(2π) = 1751 rpm
Réponse
n0 = 1751 rpm
4.Moteurs à courant continu
Réponse: n2 = 925,5 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 = 220 − 20·0,4 = 212 V
E2 = 220 − 5·0,4 = 218 V
Nouvelle vitesse
n2 = 900·218/212 = 925,5 rpm
Réponse
n2 = 925,5 rpm
5.Puissance alternative et facteur de puissance
Réponse: P = 2821 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.
Courant
|Z| = √(12² + 9²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 230/15 = 15,33 A
Puissance active
P = I²·R = 15,33²·12 = 2821 W
Réponse
P = 2821 W
6.Puissance alternative et facteur de puissance
Réponse: ΔP = 61,16 kW
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 la charge existante
Q1 = 33·tan(arccos 0,7) = 33,67 kvar
Plus grande puissance active totale
À pleine charge nominale, S = Smax, et Q n’est pas modifiée par la charge résistive.
P = √(Smax² − Q1²) = √(100² − 33,67²) = 94,16 kW
Puissance active supplémentaire
ΔP = 94,16 − 33 = 61,16 kW
Réponse
ΔP = 61,16 kW
7.Puissance triphasée
Réponse: P = 75,47 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.
Puissance apparente
S = √3·VL·IL = √3·415·150 = 107,8 kVA
Puissance active
P = S·cos φ = 107,8·0,7 = 75,47 kW
Réponse
P = 75,47 kW
8.Puissance triphasée
Réponse: Cph = 165,7 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 = 50·tan(acos 0,72) = 50·0,9639 = 48,19 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,92) = 50·0,426 = 21,3 kvar
Puissance réactive fournie par les condensateurs
QC = Q1 − Q2 = 26,89 kvar
Capacité par phase
Dans une batterie en triangle, chaque condensateur est branché entre deux phases.