Examen avancée d’électronique de puissance
Examen avancée d’électronique de puissance
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Questions à choix multiples 1*4=4 pts
- La principale caractéristique des semi-conducteurs de puissance est :
- a) le gain en courant ; b) le gain en tension ; c) le rendement; d) le gain en puissance.
- Après la mise en conduction d’un thyristor, puis la suppression du courant de gâchette IG, celui-ci reste en conduction si et seulement si : a) Idirect Imaintien.
- Le changement de fréquence par convertisseur indirect nécessite l'association de :
- a) hacheur + onduleur ; b) gradateur + redresseur ; c) redresseur + onduleur.
- Le transistor peut bloquer une tension inverse : a) oui ; b) cela dépend du montage ; c) non.
Exercice 1: TRIAC 1*4=4 pts
On étudie le montage ci-contre (le thyristor est remplacé par un triac) et on donne l'allure des graphes de u et ig :
Le triac est de type BTA 06-200 : VRRM = VDRM = 200 V ; IFRMS = 6 A.
- Quelle est la valeur efficace maximale de la tension u ?
- Quels sont les instants d'amorçage du triac ?
- Quels sont les instants de blocage du triac ?
- Pour U = 48V, quelle est la valeur minimale de R?
Exercice 2: CHARGEUR DE BATTERIE 3 + 1 + 1,5 + 1,5 + 0,5 + 0,5 + 1 + 2 + 1 = 12 pts
On utilise un montage redresseur PD2 (pont de graetz) pour recharger 04 batteries d’accumulateur 6V 50Ah montées en série (voir figure). le transformateur a pour caractéristiques au primaire 220V - 50Hz. On monte une résistance de protection R en série avec les batteries de façon à limiter la valeur maximale du courant à 10 A.
- Proposer un schéma de montage et représenter les courbes de la tension uC et du courant iC à la sortie du redresseur;
- Sachant que le rapport de transformation est de m = 0,11818, calculer la valeur efficace de la tension au secondaire du transformateur;
- Calculer:
- L’angle d’ouverture θo (début de conduction) et le temps de conduction de chaque diode;
- La valeur de R, puis celle du du courant moyen de charge;
- La durée de la charge;
- La tension inverse maximale supportée par une diode;
- La valeur efficace du courant qui traverse la batterie;
- Le dissipateur à monter (Rthra) sur les diodes si on veut maintenir la température de jonction à 125°C pour une température ambiante de 40°C. On donne: chute de tension aux bornes de la diode: Vo = 1V, résistances thermiques: Rthjb = 4,2°C/W, Rthbr = 0,3°C/W.
Tjmax - Tjamb = P. (Rthra + Rthjb + Rthbr); |
Rappel:oà¹: Pd: puissance dissipée par les diodes, Rthra: résistance
thermique du radiateur, Rthjb: résistance thermique jonction - boîtier, résistance thermique boîtier-radiateur. G. Les caractéristiques de choix des diodes en adoptant une marge de sécurité de 40%.
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La figure suivante présente un pont redresseur monophasé dans lequel les éléments sont supposés parfaits. L’inductance de lissage est suffisamment grande pour que l’on puisse considérer le courant qui la traverse comme continu et parfaitement lissé (IC= cte).
Le rapport de transformation est m =85
La tension primaire sinusoïdale a une valeur efficace VPeff de 240v.
1- Analyser le fonctionnement du montage et représenter sur DR1, l’allure de uC(θ) et vD1(θ).
2- Exprimer la valeur moyenne de la tension redressée (UCmoy ) en fonction de m et VPeff.
3- Exprimer la valeur efficace de la tension redressée (UCeff ) en fonction de m et VPeff.
4- Calculer UCmoy et UCeff.
5- Etant donné que la résistance R = 30Ω ;
- Représenter sur DR1, l’allure du courant iD1(θ).
- Calculer ID1moy et ID1eff.
6- Représenter sur DR1, l’allure du courant secondaire iS(θ).
7- Calculer la valeur efficace du courant iS(θ) et iP(θ).
II- La figure suivante présente un pont redresseur monophasé entièrement commandé associé à un transformateur monophasé à partir d’un réseau alternatif 230/400v- 50hz.
1- Charge RL
Le pont débite sur une charge R-L, l’angle de retard à l’amorçage est ψ = 0, la conduction est continue.
1-1- Représenter sur DR2, l’allure de uC(θ) et vT1(θ).
1-2- Calculer le rapport de transformation m du transformateur pour avoir une tension moyenne aux bornes de la charge UCmoy = 220v.
1- Charge RLE
Maintenant la charge est un moteur qu’on l’assimile à une charge RLE. ON suppose que iC(θ) est constant égal à IC.
2-1- Représenter sur DR2, l’allure de uC’(θ) et vT1’(θ) pour ψ = 30°.
2-2- Calculer la valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge.
2-3- Représenter sur DR2, l’allure de uC’’(θ) pour ψ = 120° et donner sa valeur moyenne.
III-
On étudie le système redresseur de la figure suivante dans lequel les éléments sont supposés parfaits. L’inductance de lissage est suffisamment grande pour que l’on puisse considérer le courant qui la traverse comme continu et parfaitement lissé (IC = cte).
Le rapport de transformation par demi-secondaire est m =0,707
Les amorçages des thyristors se font aux instants : t0 =
T t0 , t0 T ,2
3T t0 , t0 2T,etc..
La tension primaire sinusoïdale a une valeur efficace V de 380v.
1- 1ercas: k est ouvert
1-1- Exprimer la valeur moyenne UCmoy de la tension redressée en fonction de m, V et ψ. Donner l’allure de uC(θ) au moins sur une période.
Application numérique : calculer UCmoy pour ψ = 45°.
1-2- La résistance R = 14,1Ω ; calculer la valeur moyenne et la valeur efficace du courant qui traverse un thyristor.
1-3- Exprimer la valeur efficace UCeff de uC(θ) en fonction de V et ψ. Comment évolue la quantité
Cmoy
Ceff
UF U
2- 2ème cas : k est fermé
Reprendre les questions précédentes (même charge, même valeur de ψ)
3- Quels sont les facteurs de puissance secondaire dans chaque cas précédent de fonctionnement ?
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La figure suivante présente un pont redresseur triphasé à diodes dans lequel les éléments sont supposés parfaits. L’inductance de lissage est suffisamment grande pour que l’on puisse considérer le courant qui la traverse comme continu et parfaitement lissé (IC = cte).
La tension primaire sinusoïdale a une valeur efficace V de 380v et f = 50Hz.
1- Représenter sur DR1, l’allure de uC(θ), vD1(θ), iS1(θ).
2- Exprimer et calculer la valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge.
3- Exprimer la valeur moyenne de courant iS1(θ) en fonction de IC.
4- Exprimer la valeur efficace de courant iS1(θ) en fonction de IC.
Exercice N°2
La figure suivante présente un pont redresseur triphasé à thyristors dans lequel les éléments sont supposés parfaits. L’inductance de lissage est suffisamment grande pour que l’on puisse considérer le courant qui la traverse comme continu et parfaitement lissé (IC= cte).
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Partie B (10 points)
Questions de cours :
1) Quelle est la différence entre un facteur de déplacement et un facteur de puissance pour une installation comportant des courants harmoniques dus à la présence de charges non-linéaires ?
2) Citer au moins trois effets néfastes de la présence de courants harmoniques sur une installation électrique.
3) Citer au moins trois méthodes de compensation traditionnelles des courants harmoniques.
4) Quelle est la différence entre une fréquence d’antirésonance et une fréquence de résonance pour une impédance de réseau électrique ?
Exercice :
On considère le réseau électrique représenté sur la figure ci-dessous. La puissance de court-circuit au point de livraison haute tension vaut Scc = 100 MVA. La charge non-linéaire est alimentée par un transformateur 20 kV / 410 V sous 50 Hz de puissance apparente 1250 kVA ayant une tension de court-circuit ucc = 6%. La charge consomme une puissance active P = 500 kW et une puissance réactive Q = 250 kVAr. Le fondamental du courant absorbé par la charge vaut 810 A, l’harmonique 5 vaut 162 A, l’harmonique 7 vaut 115 A et l’harmonique 11 vaut 73 A. Les autres harmoniques de courant sont négligés.
Partie 1 : Le filtre passif n’est pas raccordé
1) Calculer l’inductance du réseau amont la ramenée au secondaire du transformateur.
2) Calculer l’inductance de fuite lf du transformateur ramenée au secondaire. En déduire l’inductance totale l du réseau et du transformateur.
3) Donner le modèle équivalent monophasé du réseau pour le fondamental et pour l’harmonique de rang n (on supposera que la tension fournie par le distributeur est purement sinusoïdale à la fréquence de 50 Hz et on modélisera la charge non-linéaire par une source de courant pour chaque harmonique).
4) Calculer le taux de distorsion harmonique de la tension au niveau de la charge en supposant que la tension simple (fondamental) vaille V1 = 230 V. Conclure.
Partie 2 : Mise en œuvre du filtre passif
5) Pour respecter le contrat avec le distributeur d’énergie, on désire éliminer le courant harmonique de de rang 5 au niveau du secondaire du transformateur. Pour cela on utilise un filtre passif. On vous demande de calculer les éléments L et C du filtre passif de la figure de la page précédente tel que :
- réseau électrique basse tension (400 V entre phases, f = 50 Hz),
- rang d’accord du filtre : n = 5,
- tan ϕ de l’installation avec le filtre égale à 0,4.
6) Calculer le nouveau taux de distorsion harmonique de la tension de l’ensemble charge + filtre passif (en supposant que la tension fondamentale vaille V1 = 230 V).
7) Calculer la valeur efficace du courant traversant le filtre passif (en prenant en compte le fondamental et les harmoniques de rang 5, 7 et 11). En déduire sa puissance apparente.