Teledyne LeCroy-Note d'application - Puissance-1 - Les Fondamentales de la Puissance Part I (F)

Demandez à n'importe quel nombre d'ingénieurs de définir la "puissance" et vous obtiendrez n'importe quel nombre de réponses, et aucune d'entre elles ne serait nécessairement fausse. Parfois, c'est juste une question de perspective.

Par exemple, pour l'ingénieur qui travaille pour une entreprise de services publics, la "puissance" est la tension sinusoïdale de 50/60 Hz qui alimente les maisons et les entreprises. L'outil du jour dans ce scénario est un compteur kilowattheure. Mais pour quelqu'un qui conçoit une alimentation électrique, la "puissance" concerne la consommation de MOSFET ou d'IGBTs pendant les états de commutation, de conduction et/ou d'arrêt. Dans cette série d'articles, nous nous intéresserons à ce que l'on appelle généralement l'alimentation "ligne" ou "secteur".

La production, le transport et la distribution d'électricité et la consommation d'électricité sont les trois principales étapes de la vie d'une ligne électrique. Historiquement, l'électricité a été produite dans des "centrales de production" centralisées. De nos jours, la tendance est à la production décentralisée à partir de sources localisées comme les panneaux solaires photovoltaïques ou les parcs éoliens.

Le transport et la distribution aux foyers, aux installations commerciales et aux utilisations industrielles préparent le terrain pour la consommation. La consommation s'effectue soit directement à partir de la ligne de service sans conversion d'énergie (comme dans le cas d'un grille-pain, par exemple), soit à l'aide d'une forme quelconque de conversion par l'électronique de puissance. Il peut s'agir d'une conversion AC-AC par variateur de fréquence, d'une conversion AC-DC par alimentation à découpage, d'une conversion DC-AC par convertisseur ou d'une conversion DC-DC.

Historiquement, l'électricité a toujours circulé dans un sens entre la centrale et le consommateur. Ce qui pourrait surprendre certains lecteurs, c'est la faible efficacité globale de l'alimentation électrique, qui est d'environ 32 %. L'efficacité d'entrée/sortie de la centrale elle-même n'est que d'environ 35 %, et un peu plus est perdue dans le transport et la livraison. Dans l'ensemble, il s'agit d'un système extrêmement inefficace.

Par conséquent, les services publics se sont depuis longtemps concentrés sur la réduction des pertes qu'ils peuvent contrôler, comme celles que l'on retrouve dans les transformateurs et autres équipements. Des analyseurs de puissance ont été mis au point pour mesurer l'efficacité de ces éléments de la chaîne d'approvisionnement en électricité. Les transformateurs sont mesurés pour les pertes d'excitation (ou de noyau) ainsi que les pertes de charge (cuivre ou I2R) et le rendement global. Ces mesures peuvent être prises à titre d'essais de conception ou de validation, ou le service public peut demander un rapport avant de prendre livraison d'un transformateur pour s'assurer qu'il répond à ses exigences.

À l'échelle mondiale, 45 % de toute la puissance générée alimente les moteurs (Figure 1).

    9 % de cette puissance alimente de petits moteurs (ceux jusqu'à 750 W, soit 90 % de tous les moteurs).
    68 % alimente des moteurs de taille moyenne (jusqu'à 350 kW, soit 9,9 % de tous les moteurs)
    23% alimente de gros moteurs (jusqu'à 1000kW ; 0,03% de tous les moteurs)


Les chiffres montrent que les petits moteurs ne représentent qu'une petite partie de la consommation totale des moteurs, mais constituent le groupe le plus important en volume unitaire, tandis que l'inverse s'applique aux gros moteurs. Avant les années 1990, les moteurs, pour la plupart, étaient alimentés directement par le réseau électrique. Depuis lors, les moteurs d'entraînement ont proliféré et les gouvernements ont commencé à imposer des rendements plus élevés.

Autrefois, avant 1990, les moteurs étaient généralement testés à l'aide d'un banc d'essai (Figure 2). Ces essais étaient axés sur les moteurs de moyenne et de grande taille et auraient été réalisés à l'aide d'un capteur à jauges de contrainte, d'un dynamomètre ou d'un analyseur de puissance. Ces essais sont généralement des essais de charge statique avec une charge, une vitesse et un couple constants. L'instrumentation acquiert les signaux des capteurs de vitesse et de couple, permettant le calcul de la puissance d'entrée à la puissance de sortie jusqu'à la sortie de l'arbre du moteur. On pourrait arriver à l'efficacité du moteur de cette manière pour une condition de vitesse, de charge et de couple à la fois.

Entre-temps, il y a eu une révolution dans le monde de l'électronique de puissance et de la conversion de puissance. Contrairement aux années 1980, où les alimentations à découpage faisaient fureur, les moteurs d'entraînement sont omniprésents de nos jours. Au fil des ans, leur complexité de conception et leur niveau de puissance n'ont cessé d'augmenter (Figure 3). Aujourd'hui, nous voyons des entraînements très complexes, jusqu'aux systèmes régénératifs que l'on retrouve dans les systèmes de propulsion des véhicules électriques et hybrides, par exemple.

Un certain nombre d'outils se prêtent à l'analyse de l'entraînement et/ou du moteur. L'analyseur de puissance c.a. traditionnel susmentionné ne peut calculer que des valeurs de puissance moyennes statiques (en régime permanent). Certains instruments de cette classe n'intègrent pas les données de couple et de vitesse du moteur.

Un oscilloscope 8 bits à quatre canaux à usage général est utile du côté de la commande de l'équation ; la plupart des instruments modernes sont équipés d'un logiciel de déclenchement et de décodage en série à cette fin. Un tel instrument est également utile pour tester les pertes d'un seul semi-conducteur de puissance. Cependant, la plupart des oscilloscopes à quatre canaux n'ont pas suffisamment de canaux et/ou de résolution pour trier les systèmes triphasés.

Plus de canaux sont plus utiles pour tester les moteurs d'entraînement. Les analyseurs d'entraînement moteur MDA800 de Teledyne LeCroy offrent huit canaux d'entrée analogiques sur la table pour une analyse complète de la puissance triphasée de l'entrée d'entraînement moteur à la sortie mécanique moteur. Les instruments présentent les résultats sous la forme d'un tableau numérique facile à utiliser. Avec un tel instrument, on peut effectuer le débogage des commandes, l'intégration du moteur et l'analyse de puissance transitoire ou dynamique.

Dans les prochains articles de cette série, nous approfondirons ce que nous entendons vraiment lorsque nous parlerons de tension alternative ou de ligne, de courant ou d'alimentation.

La prochaine fois, nous examinerons les bases de l'alimentation secteur AC.

Ceci est une note d'application de Teledyne LeCroy