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 élévateur idéal transforme 48 V en 192 V à 100 kHz avec L = 330 µH. Trouvez l’ondulation crête à crête du courant dans l’inductance ΔIL.
Vin = 48 VVo = 192 Vf = 100 kHzL = 330 µH
ΔIL = A
2.Convertisseurs continu-continuDifficile
Un convertisseur abaisseur idéal transforme 48 V en 28,8 V pour une charge de 2 Ω à 100 kHz. Trouvez la plus petite inductance Lcrit permettant la conduction continue.
Vin = 48 VVo = 28,8 Vf = 100 kHzR = 2 Ω
Lcrit = µH
3.Moteurs à courant continuMoyen
Un moteur à courant continu (k = 1 V·s/rad, Ra = 0,4 Ω) est alimenté sous 240 V. À pleine charge, il absorbe 20 A. En négligeant le courant à vide, trouvez sa variation de vitesse SR = (n₀ − nFL)/nFL en pourcentage.
V = 240 Vk = 1 V·s/radRa = 0,4 ΩIFL = 20 A
SR = %
4.Moteurs à courant continuDifficile
Un moteur à courant continu à excitation indépendante (k = 2 V·s/rad à plein champ, Ra = 0,8 Ω, V = 220 V) entraîne une charge de couple constant 30 N·m. Le flux d’excitation est réduit à 80 % de sa valeur maximale. Trouvez la nouvelle vitesse n.
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
Un moteur monophasé absorbe 5 kW avec un facteur de puissance de 0,6 inductif sous 240 V. Trouvez la puissance réactive Q qu’il absorbe.
P = 5 kWpf = 0,6V = 240 V
Q = kvar
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
Une source de 24 V (efficace), 60 Hz a une impédance interne Zs = 20 + j15 Ω. L’impédance de charge ZL peut être choisie librement. Trouvez la puissance active maximale Pmax qui peut être fournie à la charge.
Vs = 24 V (rms)f = 60 HzZs = 20 + j15 Ω
Pmax = W
7.Puissance triphaséeMoyen
Une charge équilibrée couplée en triangle (Δ), d’impédance 20 + j15 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 = 20 + j15 Ω par phase
P = kW
8.Puissance triphaséeDifficile
Une charge triphasée équilibrée absorbe 150 kW avec un facteur de puissance de 0,75 (inductif) sur un réseau de 480 V (tension composée), 60 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,95 (inductif). La puissance active reste la même. Trouvez la puissance réactive totale QC que doit fournir la batterie de condensateurs, en kvar.
P = 150 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3Solutions
1.Convertisseurs continu-continu
Réponse: ΔIL = 1,091 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 − 48/192 = 0,75
Tension de l’inductance pendant la phase de conduction
Tant que S est fermé, l’inductance se trouve directement aux bornes de Vin.
VL = 48 V
Ondulation du courant
ΔIL = VL·D/(L·f) = 48·0,75/(330·10⁻⁶·100·10³) = 1,091 A
Réponse
ΔIL = 1,091 A
2.Convertisseurs continu-continu
Réponse: Lcrit = 4 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 = 28,8/48 = 0,6
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 − 0,6)·2/(2100·10³) = 4 µH
Réponse
Lcrit = 4 µH
3.Moteurs à courant continu
Réponse: SR = 3,448 %
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 et à pleine charge
n₀ = 60·240/(2π·1) = 2292 rpm
nFL = 60·(240 − 20·0,4)/(2π·1) = 2215 rpm
Variation de vitesse
SR = (2292 − 2215)/2215·100 = 3,448 %
Réponse
SR = 3,448 %
4.Moteurs à courant continu
Réponse: n = 1224 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.
L’affaiblissement du champ permet à un variateur de moteur à courant continu de dépasser sa vitesse de base.
5.Puissance alternative et facteur de puissance
Réponse: Q = 6,667 kvar
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.
Angle
φ = arccos(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333
Puissance réactive
Q = P·tan φ = 5·1,333 = 6,667 kvar
Réponse
Q = 6,667 kvar
6.Puissance alternative et facteur de puissance
Réponse: Pmax = 7,2 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* = 20 − j15 Ω
Puissance maximale
I = Vs/(2Rs) = 24/40 = 0,6 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·20) = 7,2 W
Réponse
Pmax = 7,2 W
7.Puissance triphasée
Réponse: P = 4,153 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 = 208 V
Courant de phase
|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 208/25 = 8,32 A
Puissance active totale
Seule la partie résistive de chaque impédance absorbe de la puissance active.
P = 3·Iph²·R = 3·8,32²·20 = 4,153 kW
Réponse
P = 4,153 kW
Vérification : cos φ = R/|Z| = 0,8, et √3·VL·IL·cos φ donne la même puissance.
8.Puissance triphasée
Réponse: QC = 82,98 kvar
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.