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​Io​DTT2T

Un convertisseur abaisseur transforme 36 V en 27 V pour une charge de 15 Ω. Il commute à 200 kHz avec L = 33 µH. Trouvez le courant crête dans l’inductance Imax.

Vin​ = 36 VVo​ = 27 Vf = 200 kHzL = 33 µHR = 15 Ω
Imax = A
2.Convertisseurs continu-continuDifficile
tiL​Imax​IL​DTT2T

Un convertisseur élévateur idéal transforme 9 V en 12 V pour une charge de 5 Ω à 250 kHz. Trouvez la plus petite inductance Lcrit permettant la conduction continue.

Vin​ = 9 VVo​ = 12 Vf = 250 kHzR = 5 Ω
Lcrit = µH
3.Moteurs à courant continuMoyen
+−48 VRa​ = 0,2 ΩIa​ = 10 AM+−EωT

Un moteur à courant continu absorbe 10 A sous une alimentation de 48 V. Sa résistance d’induit est de 0,2 Ω et ses pertes mécaniques (frottements, ventilation et fer) sont de 14 W. Trouvez son rendement η.

V = 48 VIa = 10 ARa = 0,2 ΩProt = 14 W
η = %
4.Moteurs à courant continuDifficile
+−120 VRa​ = 1 ΩM+−En = ?T = 6 N·m

Un moteur à courant continu à excitation indépendante (k = 1,5 V·s/rad à plein champ, Ra = 1 Ω, V = 120 V) entraîne une charge de couple constant 6 N·m. Le flux d’excitation est réduit à 85 % de sa valeur maximale. Trouvez la nouvelle vitesse n.

V = 120 Vk = 1,5 V·s/radRa = 1 ΩT = 6 N·mΦ = 85 %
n = rpm
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
P = 7 kWQSφ

Un moteur monophasé absorbe 7 kW avec un facteur de puissance de 0,65 inductif sous 240 V. Trouvez le courant de ligne I.

P = 7 kWpf = 0,65V = 240 V
I = A
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
P1​ = 99 kWQ1​S1​φ

Un transformateur monophasé de 200 kVA alimente une charge de 99 kW avec un facteur de puissance de 0,75 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 = 200 kVAP1 = 99 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
7.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M90 kW, η = 92%cos φ = 0,86

Un moteur asynchrone triphasé fournit 90 kW de puissance mécanique utile à pleine charge. À cette charge, son rendement est de 92 % et son facteur de puissance vaut 0,86 (inductif). Le réseau a une tension composée de 690 V. Trouvez le courant de ligne IL.

Pout = 90 kWη = 92%cos φ = 0,86VL = 690 V
IL = A
8.Puissance triphaséeDifficile
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 120 kW avec un facteur de puissance de 0,65 (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 0,95 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en étoile (Y). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 120 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Solutions

1.Convertisseurs continu-continu

Réponse: Imax = 2,311 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 = 27/36 = 0,75

Courant moyen et ondulation

Io = 27/15 = 1,8 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 9·0,75/(33·10⁻⁶·200·10³) = 1,023 A

Courant crête

Imax = 1,8 + 1,023/2 = 2,311 A

Réponse

Imax = 2,311 A
2.Convertisseurs continu-continu

Réponse: Lcrit = 1,406 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 = 1 − 9/12 = 0,25

Condition limite

Égalez le courant moyen dans l’inductance à la moitié de l’ondulation et résolvez pour L.

Lcrit = D(1 − D)²·R/(2f)

Inductance critique

Lcrit = 0,25(1 − 0,25)²·5/(2250·10³) = 1,406 µH

Réponse

Lcrit = 1,406 µH
3.Moteurs à courant continu

Réponse: η = 92,92 %

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.

Puissances

Pin = 48·10 = 480 W
Pdev = 46·10 = 460 W
Pout = 460 − 14 = 446 W

Rendement

η = 446/480·100 = 92,92 %

Réponse

η = 92,92 %
4.Moteurs à courant continu

Réponse: n = 863,5 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.

Constante de moteur affaiblie

k₂ = 0,85·1,5 = 1,275 V·s/rad

Nouveau courant d’induit

Ia = 6/1,275 = 4,706 A

Nouvelle vitesse

ω = (120 − 4,706·1)/1,275 = 90,43 rad/s → n = 863,5 rpm

Réponse

n = 863,5 rpm

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: I = 44,87 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.

Courant de ligne

Seule la partie active de la puissance fournit un travail, donc divisez par le facteur de puissance.

I = P/(V·cos φ) = 7000/(240·0,65) = 44,87 A

Réponse

I = 44,87 A
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: ΔP = 80,94 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 = 99·tan(arccos 0,75) = 87,31 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) = √(200² − 87,31²) = 179,9 kW

Puissance active supplémentaire

ΔP = 179,9 − 99 = 80,94 kW

Réponse

ΔP = 80,94 kW
7.Puissance triphasée

Réponse: IL = 95,18 A

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 électrique absorbée

Pin = Pout/η = 90/0,92 = 97,83 kW

Courant de ligne

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 97826/(√3·690·0,86) = 95,18 A

Réponse

IL = 95,18 A
8.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 1864 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 = 120·tan(acos 0,65) = 120·1,169 = 140,3 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,95) = 120·0,3287 = 39,44 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 100,9 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) = 33618/(314,2·239,6²) = 1864 µF

Réponse

Cph = 1864 µF

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