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RÉSUMÉ
Cet article sur la commutation expose une démarche systématique orientée vers la synthèse des interrupteurs d'une cellule de commutation utilisée pour effectuer un transfert d'énergie contrôlé entre deux sources d'énergie complémentaires. Sont présentés en introduction les notions de base de la commutation, notions nécessaires pour mettre en œuvre une cellule de commutation « commandée », tout en respectant les relations fondamentales de causalité entre les interrupteurs. Il s’attarde ensuite sur la synthèse fonctionnelle des interrupteurs de la cellule. Au final, l’ensemble des mécanismes de commutation de la cellule est établi et caractérisé qualitativement.
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This article on commutation sets out a systematic approach oriented towards the synthesis of switches in a switching cell used to perform a controlled transfer of energy between two complementary energy sources. An introduction to the basic notions of commutation, the notions necessary for implementing a "controlled" switching cell while complying with the fundamental causality (the relationship between causes and effects) between the switches is presented. It will then focus on the functional synthesis of the cell's switches. Ultimately all the cell’s switching mechanisms are determined and characterized qualitatively.
Auteur(s)
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Henri FOCH : Ancien Professeur de l'Institut National Polytechnique de Toulouse, Laboratoire d'Électrotechnique et d'Électronique Industrielle (LEEI)
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Michel METZ : Professeur Émérite de l'Institut National Polytechnique de Toulouse, LEEI
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Thierry MEYNARD : Directeur de Recherche au CNRS, LEEI
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Hubert PIQUET : Professeur de l'Institut National Polytechnique de Toulouse, LEEI
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Frédéric RICHARDEAU : Chargé de Recherche au CNRS, LEEI - avec la collaboration de , Maître de Conférences de l'INPT, LEEI, , Professeur de l'INPT, LEEI, , Maître de Conférences de l'IUFM Toulouse, LEEI, , Maître de Conférences de l'INPT, LEEI et , Chargé de Recherches au CNRS -
INTRODUCTION
Ce dossier fait suite au dossier [D 3 075] qui présente les objectifs de l'électronique de puissance, les notions de dipôle passif, actif et de source, ainsi que les règles de connexion des sources et la notion de cellule de commutation.
Dans ce dossier sur la commutation, nous proposons une démarche systématique orientée vers la synthèse des interrupteurs d'une cellule de commutation utilisée pour effectuer un transfert d'énergie contrôlé entre deux sources d'énergie complémentaires. Nous étudions les liens entre caractéristiques statiques des interrupteurs et réversibilités intrinsèques des sources, d'une part, et entre caractéristiques dynamiques et gestion des échanges d'énergie, d'autre part.
Nous montrons d'abord, au paragraphe 1, que l'obligation d'une commutation « rapide » des interrupteurs de la cellule (quelques dizaines de nanosecondes à quelques microsecondes selon les structures d'interrupteurs électroniques) rend extrêmement délicate voire dangereuse toute tentative de commutation complémentaire de leur résistivité. En effet, de par la dispersion inévitable des retards dans la commande et au niveau des interrupteurs eux-mêmes (retards intrinsèques et seuils), la conduction ou le blocage simultanés même fugitif des deux interrupteurs est susceptible de provoquer une surintensité ou une surtension inacceptable. Le paragraphe 1 traite ainsi des principes fondamentaux de la commutation qu'il convient de connaître pour mettre en œuvre une cellule de commutation « commandée » en respectant les relations fondamentales de causalité entre les interrupteurs. Sur la base de ces principes, le paragraphe 2 présente la synthèse fonctionnelle des interrupteurs de la cellule. Cette synthèse prendra en compte toutes les configurations de réversibilité électrique des sources raccordées et des modes de commande. Au terme des paragraphes et , l'ensemble des mécanismes de commutation de la cellule seront établis et caractérisés sur le plan qualitatif.
Il restera alors à voir comment gérer les contraintes résultant de la commutation, ce qui sera l'objet du dossier [D 3 077]. Y seront décrits les moyens mis en œuvre pour les interrupteurs actifs lors de cette commutation qui seront éventuellement fort différents de ceux requis par ceux qui ne font que subir cette commutation mais s'avèrent finalement les plus contraints. On montrera enfin qu'à l'exception des hacheurs non réversibles, ce problème se rencontre pratiquement dans tous les convertisseurs et notamment dans les onduleurs qui sont au cœur de ce dossier.
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Commutation dans la cellule. Causalité
En anglais
1. Objectifs
Le traitement de l'énergie électrique entre deux dipôles interconnectés D1 et D2 implique de pouvoir dissocier les courants et les tensions de ces deux dipôles. Comme indiqué en figure 1a, cette opération passe par l'insertion de deux dipôles supplémentaires K1 et K2 , caractérisés par une résistivité variable. Pour garantir des pertes minimales dans le transfert de puissance, ces dipôles ne doivent présenter que deux états statiques : un état de faible résistivité (chute de tension négligeable) et un état de forte résistivité (courant de fuite négligeable). De plus, la transition entre leur deux états statiques doit être généralement la plus rapide possible de sorte que les dipôles insérés doivent jouer la fonction d'interrupteur. Par voie de conséquence, les discontinuités du courant et de la tension appliquées aux dipôles principaux D1 et D2 impliquent que ces derniers doivent absolument présenter un comportement « instantané » de nature opposée : de type « source de tension » pour le dipôle D1 réalisant une maille avec les deux interrupteurs (source réalisée au moyen d'un condensateur placé aux bornes du dipôle) et de type « source de courant » pour le dipôle D2 connecté au nœud de raccordement des deux interrupteurs (source réalisée au moyen d'une inductance placée en série avec le dipôle). La présence de ces deux sources « instantanées » V et I implique que les deux interrupteurs ne peuvent plus être ni bloqués ni passants en même temps (sauf cas particulier de source de valeur nulle) ; ils doivent être dans des états statiques complémentaires faisant apparaître seulement deux topologies d'interconnexion entre les dipôles principaux (une topologie correspondant à un transfert de puissance et une topologie correspondant à une interruption du transfert de puissance).
Les deux exemples suivants, très courants, permettent de cerner le développement plus fondamental qui suivra. Dans un pont redresseur à diodes (figure 2), la tension V AC alternative permet l'amorçage d'une diode au zéro de tension (amorçage spontané) suivi du blocage de l'autre diode au zéro de courant (blocage spontané)....
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