Ingénierie, innovation et développement durable (STI2D) · Terminale · Approche fonctionnelle et structurelle des chaînes de puissance
Convertisseurs et modulation de puissance
Doser l’énergie électrique.
En bref
Entre la source et l’actionneur, l’énergie électrique doit être mise en forme : redressée, ondulée, abaissée, réglée.
Entre la source et l’actionneur, l’énergie électrique doit être mise en forme : redressée, ondulée, abaissée, réglée. C’est le rôle des convertisseurs statiques, construits autour d’interrupteurs électroniques (transistors, diodes).
Les quatre familles
| Le convertisseur | Conversion | Exemple d’usage |
|---|---|---|
| Redresseur | AC → DC | Chargeur, alimentation d’appareil |
| Hacheur | DC → DC (réglable) | Variateur de moteur à courant continu, trottinette |
| Onduleur | DC → AC (fréquence réglable) | Panneaux solaires sur le réseau, moteur de voiture électrique |
| Gradateur | AC → AC (valeur efficace réglable) | Variateur de lumière, démarreur progressif |
On distingue la modulation (commandée : on règle la puissance transmise) de l’adaptation (non commandée : transformateur, redresseur à diodes).
La modulation par largeur d’impulsion (MLI)
Un transistor commute très vite entre passant et bloqué. La tension de sortie est un créneau de période T, à l’état haut pendant une durée t_on.
Rapport cyclique α = t_on / T (entre 0 et 1)
Tension moyenne en sortie d’un hacheur : U moy = α × U alim
En faisant varier α, on règle la tension moyenne, donc la vitesse d’un moteur ou la luminosité d’une LED. Comme le transistor est soit bloqué (pas de courant), soit saturé (presque pas de tension), il dissipe très peu : le rendement dépasse souvent 95 %.
Exemple travaillé : hacheur de moteur
Batterie 24 V, moteur à courant continu. On veut 18 V moyens.
α = 18 / 24 = 0,75. À une fréquence de découpage de 20 kHz, T = 1 / 20 000 = 50 µs, donc t_on = 0,75 × 50 = 37,5 µs.
La fréquence de 20 kHz est choisie au-dessus de l’audible (pas de sifflement) et assez haute pour que l’inductance du moteur lisse le courant.
Le pont en H : deux sens de rotation
Quatre interrupteurs disposés en H autour du moteur : en fermant les diagonales T1-T4 ou T2-T3, on inverse le sens du courant, donc le sens de rotation. Il permet aussi le freinage (et la récupération d’énergie si la source l’accepte).
L’onduleur et le moteur synchrone ou asynchrone
L’onduleur fabrique une tension alternative dont on règle la fréquence et l’amplitude. Or la vitesse d’un moteur alternatif dépend de la fréquence :
Vitesse de synchronisme (tr/min) = 60 × f / p
(f en Hz, p nombre de paires de pôles). Un moteur à 2 paires de pôles alimenté en 50 Hz tourne à 60 × 50 / 2 = 1 500 tr/min ; à 25 Hz, 750 tr/min.
Réversibilité
| Le convertisseur | Réversible ? |
|---|---|
| Redresseur à diodes | Non |
| Hacheur 4 quadrants, onduleur | Oui : ils renvoient l’énergie de freinage vers la batterie ou le réseau |
La réversibilité des convertisseurs est la clé du freinage récupératif : 10 à 25 % d’autonomie gagnée en ville pour un véhicule électrique.
Teste-toi
6 questions pour vérifier
Touche une réponse : la correction s’affiche tout de suite.
1.Quel convertisseur transforme du continu en alternatif ?
2.Qu’est-ce que le rapport cyclique α ?
3.Un hacheur alimenté en 24 V avec α = 0,5 fournit en moyenne…
4.Quel α faut-il pour obtenir 18 V moyens à partir de 24 V ?
5.Quelle est la période d’un signal de 20 kHz ?
6.Pourquoi un hacheur a-t-il un excellent rendement ?
0 / 6 questions
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