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
+−24 VLSCR = 25 Ω+−96 V

Un convertisseur élévateur idéal transforme 24 V en 96 V pour une charge de 25 Ω. Trouvez le courant moyen dans l’inductance IL.

Vin​ = 24 VVo​ = 96 VR = 25 Ω
IL = A
2.Convertisseurs continu-continuDifficile
tiL​Imax​Io​DTT2T

Un convertisseur abaisseur transforme 9 V en 5,4 V à 50 kHz avec L = 100 µH. Trouvez le plus petit courant de charge Io,min pour lequel il reste en conduction continue.

Vin​ = 9 VVo​ = 5,4 Vf = 50 kHzL = 100 µH
Io,min = A
3.Moteurs à courant continuMoyen
T (N·m)n (rpm)0,2 N·mn0​n = ?

Un moteur à courant continu (k = 0,1 N·m/A, Ra = 1,2 Ω) est alimenté sous 24 V et entraîne une charge de couple 0,2 N·m. Trouvez sa vitesse n en rpm.

V = 24 Vk = 0,1 N·m/ARa = 1,2 ΩT = 0,2 N·m
n = rpm
4.Moteurs à courant continuDifficile
+−110 VRa​ = 0,25 ΩIa​: 30 → 12 AM+−En = ?T

Un moteur à courant continu à excitation indépendante, alimenté sous 110 V (Ra = 0,25 Ω), tourne à 1000 rpm avec un courant d’induit de 30 A. La charge change et le courant devient 12 A, le champ restant inchangé. Trouvez la nouvelle vitesse n2.

V = 110 VRa = 0,25 Ωn1 = 1000 rpmIa1 = 30 AIa2 = 12 A
n2 = rpm
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
400 V126 kW, 0,65213 kW, 0,95I = ?

Deux charges sont branchées en parallèle sur une alimentation monophasée de 400 V : une charge de 26 kW avec un facteur de puissance de 0,65 inductif et une charge de 13 kW avec un facteur de puissance de 0,95 capacitif. Trouvez le courant total I prélevé sur l’alimentation.

V = 400 VP1 = 26 kW, pf1 = 0,65 inductifP2 = 13 kW, pf2 = 0,95 capacitif
I = A
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
240 V60 Hzcharge10 kW, 0,7C150 µFI

Une charge monophasée absorbe 10 kW avec un facteur de puissance de 0,7 inductif sur une alimentation de 240 V, 60 Hz. Un condensateur de 150 µF est branché en parallèle sur la charge. Trouvez le nouveau facteur de puissance cos φ vu par l’alimentation.

P = 10 kWpf1 = 0,7V = 240 Vf = 60 HzC = 150 µF
cos φ =
7.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 415 VIL​ = 30 Acos φ = 0,82inductif

Une charge triphasée équilibrée absorbe un courant de ligne de 30 A sur un réseau de tension composée 415 V. Le facteur de puissance vaut 0,82 (inductif). Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.

VL = 415 VIL = 30 Acos φ = 0,82
P = kW
8.Puissance triphaséeDifficile
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 80 kW avec un facteur de puissance de 0,65 (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 0,98 (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 = 0,65pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Solutions

1.Convertisseurs continu-continu

Réponse: IL = 15,36 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 − 24/96 = 0,75

Courant de charge

Io = 96/25 = 3,84 A

Courant dans l’inductance

IL = Io/(1 − D) = 3,84/0,25 = 15,36 A

Réponse

IL = 15,36 A
2.Convertisseurs continu-continu

Réponse: Io,min = 0,216 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 = 5,4/9 = 0,6

Ondulation du courant

ΔIL = 5,4·0,4/(100·10⁻⁶·50·10³) = 0,432 A

Courant de charge limite

Io,min = ΔIL/2 = 0,216 A

Réponse

Io,min = 0,216 A

En dessous de ce courant, le convertisseur passe en conduction discontinue et Vo dépasse D·Vin.

3.Moteurs à courant continu

Réponse: n = 2063 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 = 0,2/0,1 = 2 A

F.c.é.m. et vitesse

E = 24 − 2·1,2 = 21,6 V
ω = E/k = 216 rad/s → n = 2063 rpm

Réponse

n = 2063 rpm
4.Moteurs à courant continu

Réponse: n2 = 1044 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 = 110 − 30·0,25 = 102,5 V
E2 = 110 − 12·0,25 = 107 V

Nouvelle vitesse

n2 = 1000·107/102,5 = 1044 rpm

Réponse

n2 = 1044 rpm
5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: I = 117,4 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 = 26·tan(arccos 0,65) = 30,4 kvar
Q2 = −13·tan(arccos 0,95) = −4,273 kvar

Totaux

P = 26 + 13 = 39 kW
Q = 30,4 + (−4,273) = 26,12 kvar
S = √(39² + 26,12²) = 46,94 kVA

Courant total

I = S/V = 46941/400 = 117,4 A

Réponse

I = 117,4 A
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: cos φ = 0,8214

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 = 10·tan(arccos 0,7) = 10,2 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·150·10⁻⁶ = 3257 var = 3,257 kvar
Q2 = 10,2 − 3,257 = 6,945 kvar

Nouvelle puissance apparente

S2 = √(10² + 6,945²) = 12,18 kVA

Nouveau facteur de puissance

cos φ = P/S2 = 10/12,18 = 0,8214

Réponse

cos φ = 0,8214
7.Puissance triphasée

Réponse: P = 17,68 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 = √3·415·30 = 21,56 kVA

Puissance active

P = S·cos φ = 21,56·0,82 = 17,68 kW

Réponse

P = 17,68 kW
8.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 430,6 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 0,65) = 80·1,169 = 93,53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,98) = 80·0,2031 = 16,24 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 77,29 kvar

Capacité par phase

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

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 25762/(377·398,4²) = 430,6 µF

Réponse

Cph = 430,6 µF

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