Énergie - Semestre 3

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PART A - Présentation Générale du Cours

Contexte et objectifs

Approfondissement de l’électronique de puissance (suite S1) avec convertisseurs avancés, machines électriques AC, variateurs de vitesse et énergies renouvelables. Applications aux systèmes modernes (véhicules électriques, énergies vertes, industrie 4.0).

Objectifs :

• Maîtriser hacheurs (Buck, Boost, Buck-Boost), onduleurs, redresseurs
• Étudier machines asynchrones et synchrones
• Concevoir variateurs de vitesse
• Comprendre CEM et composants Wide Bandgap (SiC, GaN)
• Appréhender systèmes photovoltaïques et éoliens

Prérequis

• Électronique de puissance S1 (redresseurs, hacheurs de base)
• Circuits AC (impédances complexes)
• Machines DC

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PART B: EXPÉRIENCE, CONTEXTE ET FONCTION

Module 1 : Convertisseurs DC-DC avancés

Hacheurs :

• Buck (abaisseur) : Vout = α·Vin, mode CCM/DCM
• Boost (élévateur) : Vout = Vin/(1-α)
• Buck-Boost : Vout = -α·Vin/(1-α)
• Ćuk, SEPIC : isolation, low ripple
• Dimensionnement L, C (ondulation ΔI, ΔV)

Régulation :

• PWM à fréquence fixe (20-100 kHz)
• Contrôle en mode tension ou courant
• Boucle de rétroaction (TL431, optocoupleur)

Module 2 : Onduleurs

Onduleurs monophasés :

• Demi-pont : Vout = ±Vdc/2
• Pont complet (H-bridge) : Vout = ±Vdc
• MLI sinusoïdale : commande complémentaire avec temps mort
• Filtrage LC (harmoniques)
• THD (Total Harmonic Distortion)

Onduleurs triphasés :

• 6 interrupteurs (IGBT)
• MLI sinus (modulation chaque phase)
• MLI vectorielle (SVM) : meilleure utilisation Vdc
• Applications : variateurs, onduleurs solaires/éoliens

Module 3 : Machines électriques AC

Machine asynchrone (MAS) :

• Principe : champ tournant, glissement s = (ns - n)/ns
• Schéma équivalent (résistances, réactances)
• Couple : Tmax au glissement s ≈ 10-20%
• Démarrage : direct (I=6-8 In), étoile-triangle, variateur

Machine synchrone :

• Rotor : aimants permanents (PMSM) ou bobiné
• Synchronisme : n = f/p (pas de glissement)
• Moteur brushless (BLDC) : commutation électronique
• Applications : VE, robotique, éolien

Variateurs de vitesse :

• Contrôle scalaire MAS : loi V/f constante
• Contrôle vectoriel (FOC) : découplage flux/couple
• Régulation en boucle fermée (encodeur)
• Économie d’énergie (adaptation charge)

Module 4 : Énergies renouvelables

Photovoltaïque :

• Caractéristique I-V panneau (Isc, Voc, Pmax)
• MPPT (Maximum Power Point Tracking) : Perturb & Observe, Incremental Conductance
• Onduleurs grid-tie (injection réseau)
• Stockage batteries (Li-Ion, LiFePO4)

Éolien :

• Turbine → génératrice (asynchrone ou synchrone à aimants)
• Redresseur + bus DC + onduleur réseau
• Pitch control (orientation pales)

Stockage :

• Batteries : chimies (Lithium, Plomb), BMS (Battery Management System)
• Supercapacités : forte puissance, faible énergie
• Hydrogène : électrolyseur, pile à combustible

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PART C: ASPECTS TECHNIQUES

TP Convertisseurs

TP1 : Hacheur Boost :

• Montage : MOSFET, diode Schottky, L, C
• Tests : α variable, mesure Vout, rendement
• Ondulations ΔIL, ΔVout

TP2 : Onduleur monophasé MLI :

• H-bridge IGBT
• Commande MLI (Arduino/STM32 ou CI dédié)
• Charge RL : mesure THD

TP3 : MPPT photovoltaïque :

• Panneau PV simulé (source + résistance)
• Hacheur Boost avec MPPT P&O
• Mesure point de puissance maximale

TP Machines

TP Variateur MAS :

• Moteur asynchrone 0.5-1 kW
• Variateur industriel (Schneider ATV, Siemens)
• Programmation : fréquence, rampes, protections
• Mesure couple-vitesse
• Économie énergie vs démarrage direct

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PART D: ANALYSE ET RÉFLEXION

Évaluation

• TP et comptes-rendus (35%)
• Projet énergie renouvelable (20%)
• Contrôles continus (25%)
• Examen final (20%)

Compétences acquises

• Dimensionnement convertisseurs de puissance
• Commande de machines électriques
• Conception systèmes énergies renouvelables
• Analyse CEM et thermique
• Utilisation outils simulation (PSIM, PLECS)

Applications professionnelles

• Véhicules électriques/hybrides
• Énergies renouvelables (solaire, éolien)
• Variateurs industriels
• Alimentations DC (serveurs, télécom)
• Smart grids

📚 Contenu du cours

Convertisseurs statiques avancés

Hacheurs (approfondissement)

• Hacheur Buck (abaisseur)
• Hacheur Boost (élévateur)
• Hacheur Buck-Boost
• Hacheur Ćuk et SEPIC
• Mode de conduction continu et discontinu
• Ondulation et dimensionnement

Onduleurs

Onduleurs monophasés :

• Onduleur en demi-pont
• Onduleur en pont complet (H-bridge)
• Commande MLI (PWM)
• Filtrage de sortie
• Distorsion harmonique

Onduleurs triphasés :

• Structure à 6 interrupteurs
• MLI sinusoïdale
• MLI vectorielle (SVM)
• Applications (variateurs, onduleurs solaires)

Redresseurs commandés

• Redresseurs à thyristors
• Redresseurs mixtes
• Facteur de puissance
• Harmoniques réseau
• Correction du facteur de puissance (PFC)

Machines électriques avancées

Machines asynchrones

• Principe et constitution
• Schéma équivalent
• Couple et glissement
• Bilan de puissance
• Démarrage (direct, étoile-triangle, variateur)
• Freinage

Machines synchrones

• Types (aimants permanents, rotor bobiné)
• Diagramme de Behn-Eschenburg
• Alternateur synchrone
• Moteur synchrone autopilot é
• Machines à aimants (PMSM, BLDC)

Variateurs de vitesse

• Variateur pour MAS (contrôle scalaire, vectoriel)
• Variateur pour machines synchrones
• Régulation de vitesse
• Optimisation énergétique

Électronique de puissance moderne

Composants avancés

• IGBT (structure, commande, protection)
• MOSFET SiC et GaN (Wide Bandgap)
• Modules de puissance intelligents
• Drivers de grille
• Protection et diagnostic

CEM (Compatibilité ÉlectroMagnétique)

• Sources de perturbations
• Modes commun et différentiel
• Techniques de réduction (filtrage, blindage)
• Normes CEM
• Mesures et conformité

Énergies renouvelables

Énergie solaire photovoltaïque

• Cellules et panneaux PV
• Caractéristique I-V
• MPPT (Maximum Power Point Tracking)
• Onduleurs solaires
• Stockage d’énergie

Énergie éolienne

• Turbines éoliennes
• Génératrices (asynchrone, synchrone)
• Conversion d’énergie
• Raccordement au réseau

Stockage d’énergie

• Batteries (Lithium-Ion, LiFePO4)
• BMS (Battery Management System)
• Supercapacités
• Hydrogène et piles à combustible

🛠️ Travaux pratiques

TP Convertisseurs

• Hacheur Buck avec charge RL
• Onduleur monophasé MLI
• Redresseur PFC
• Mesure de rendement

TP Machines

• Caractérisation de MAS
• Variateur de vitesse
• Machine synchrone à aimants
• Mesures de couple et rendement

TP Énergies renouvelables

• Caractérisation de panneau PV
• MPPT algorithmique
• Onduleur grid-tie
• Système de stockage

💻 Outils utilisés

• PSIM / PLECS : Simulation power electronics
• MATLAB/Simulink : Modélisation systèmes
• LTspice : Simulation rapide
• Analyseur de puissance : Mesures précises
• Oscilloscope : Visualisation formes d’ondes
• Bancs machines : Tests réels

📊 Évaluation

• Travaux pratiques (35%)
• Contrôles continus (25%)
• Projet d’énergie (20%)
• Examen final (20%)

🔗 Liens avec d’autres cours

• Automatique : Régulation de machines
• IE : Commande numérique de convertisseurs
• Composants Actifs : Transistors de puissance
• CEM : Perturbations et compatibilité

📐 Applications pratiques

Mobilité électrique

• Véhicules électriques et hybrides
• Chargeurs embarqués
• Stations de recharge
• Traction électrique

Smart Grids

• Gestion intelligente de l’énergie
• Micro-réseaux
• Vehicle-to-Grid (V2G)
• Stockage distribué

Industrie

• Variateurs de vitesse
• Alimentation sans interruption (UPS)
• Qualité de l’énergie
• Efficacité énergétique

💡 Concepts avancés

Modulation MLI

• PWM sinusoïdale
• Space Vector Modulation (SVM)
• Fréquence de commutation
• Harmoniques et THD

Contrôle de machines

• Contrôle scalaire (V/f)
• Contrôle vectoriel (FOC)
• Direct Torque Control (DTC)
• Sensorless control

⚠️ Contraintes de conception

Thermique

• Dissipation dans les semiconducteurs
• Dimensionnement des dissipateurs
• Gestion thermique
• Fiabilité

CEM

• Filtrage des perturbations
• Layout de PCB
• Blindage
• Conformité normative

Sécurité

• Isolation galvanique
• Protection contre les surintensités
• Détection de défauts
• Norme sécurité électrique

📖 Compétences développées

• Conception de convertisseurs de puissance
• Dimensionnement de systèmes énergétiques
• Commande de machines électriques
• Analyse CEM
• Intégration d’énergies renouvelables
• Optimisation énergétique

🌍 Enjeux énergétiques

Transition énergétique

• Décarbonation
• Mix énergétique
• Stockage d’énergie
• Efficacité énergétique

Smart Energy

• Gestion intelligente
• Prédiction de production
• Optimisation de consommation
• Flexibilité du réseau