Annales gratuites Bac STI Génie Electrotec. : Etude du convertisseur

Etude d'une installation solaire photovoltaïque

Une exploitation agricole isolée, non raccordée au réseau, produit l'énergie électrique dont elle a besoin à l'aide d'une installation solaire photovoltaïque. Le schéma de l'installation est représenté figure 1.

L'énergie électrique produite par les panneaux solaires peut être utilisée immédiatement, ou stockée dans des batteries d'accumulateurs, par l'intermédiaire d'un convertisseur continu-continu.

L'installation comporte une pompe, entraînée par un moteur à courant continu, permettant de fournir l'eau nécessaire à l'exploitation.

Un convertisseur continu-alternatif permet d'obtenir une tension alternative de valeur efficace 230V nécessaire pour alimentation d'un moteur asynchrone.

Étude du convertisseur continu-continu

Pour charger les batteries d'accumulateurs on utilise un convertisseur continu-continu. Le schéma du dispositif est représenté sur la figure 2.

K est un interrupteur électronique, supposé parfait, commandé périodiquement. Sur une période T de fonctionnement, K est fermé de 0 à αT et ouvert de αT à T.

La résistance de la bobine est négligeable : on pourra donc considérer que la valeur moyenne <u_L> de la tension aux bornes de la bobine est nulle.

On visualise, sur la voie 1 d'un oscilloscope, la tension u_C aux bornes de la charge en fonction du temps (figure 3). Sur la voie 2 on visualise l'image de l'intensité i_C du courant dans la charge à l'aide d'une sonde de courant de sensibilité 100 mV/A.

1. Quel autre nom peut-on donner à ce convertisseur continu-continu ?

2. Citer un composant pouvant être utilisé comme interrupteur électronique.

3. Préciser le rôle de la bobine dans ce montage.

4. Compléter la figure 2, en indiquant les branchements de l'oscilloscope permettant la visualisation de la tension u_C et de l'image de l'intensité i_C.

5. Déterminer la période et la fréquence de fonctionnement du convertisseur.

6. Quelle valeur prend u_C quand l'interrupteur K est fermé ? Quelle valeur prend u_C quand l'interrupteur K est ouvert ?
En déduire la valeur de la tension U aux bornes des panneaux solaires.

7. Déterminer la valeur du rapport cyclique à de la tension u_C.

8. Indiquer une méthode de mesure de la valeur moyenne <u_C> de la tension <u_C>.
Calculer <u_C>.

9. Ecrire la relation entre u_C, u_L et la tension continue U_B aux bornes des batteries. En déduire la relation entre <u_C> et U_B puis la valeur de U_B.

10. En s'appuyant sur les relevés de la figure 3, déterminer les valeurs minimale et maximale de l'intensité i_C du courant. Calculer sa valeur moyenne <i_C>.

11. Représenter sur la figure 4, page 9, l'oscillogramme de l'image de l'intensité i_D du courant traversant la diode en concordance de temps avec celui de l'image de l'intensité i_C (on utilise la même sonde de courant, réglée sur le même calibre).

I - LES RESULTATS

1. Le convertisseur continu- continu est un hacheur série

2. L'interrupteur K peut être constitué d'un transistor fonctionnant en bloqué/saturé.

3. La bobine sert à lisser le courant d'intensité i_c.

4. Voir document réponse 1.

5. f = 25 kHz

6. U = 70V

7. α = 0,69

8. <u_c> = 48 V

9. U_B = 48 V.

10. < i_c> = 12,5 A

11. Voir document réponse 1.

II - LES RESULTATS COMMENTES ET DETAILLES

Partie A

1. Le convertisseur continu- continu est un hacheur série.

2. L'interrupteur K peut être constitué d'un transistor fonctionnant en bloqué/saturé.

3. La bobine sert à lisser le courant d'intensité i_c.

4.

5. D'après la figure 3 du document réponse 1, la période des signaux est  T = 8 div × 5µs/div soit T = 40 µs.
La fréquence se calcule par la relation  soit f = 25 kHz

6. K est fermé de 0 à T.La figure 3 montre que
De même,
Lorsque K est fermé,la tension à ses  bornes est nulle car K est parfait. Une loi des mailles montre donc que U = u_c donc U = 70V.

7. Par définition,  où t_f est la durée pendant laquelle K est fermé. La figure 3 montre que.t_f = 5,5 div × 5 µs soit t_f = 27,5 µs. On obtient donc : soit.

8. La valeur moyenne d'une tension se mesure avec n'importe quel voltmètre en position DC ou continu.
<u_c> se calcule en utilisant la relation <u_c> = × U soit <u_c> = 0,69×70 donc <u_c> = 48 V.

9. Une loi des mailles montre queu_c − u_L − U_B = 0.
Puisque les valeurs moyennes s'ajoutent, on en déduit que. <u_c> − <u_L> − <U_B> = 0 Puisque <u_L> = 0 (car la résistance de la bobine est négligeable) et puisque <U_B> = U_B (car U_B est continu), alors <u_c> = U_B.
On en déduit que U_B = 48 V.

10. L'image de l'intensité i_c  a pour valeur minimale 1Vet pour valeur maximale 1,5 V. La sensibilité de la sonde de courant (100 mV/A ) nous permet donc d'écrire que

i_cmin = 10A et i_cmax = 15A

La valeur moyenne <i_c> se calcule par :  soit < i_c> = 12,5 A

11.

III - LES COMPETENCES EXIGIBLES

B.3.1.3.Hacheur série

Connaissances antérieures utiles
● Le transistor en tout ou rien (première)
● Bobine (première)

Connaissances scientifiques
● Rapport cyclique de la tension fournie par un hacheur
● Principe de fonctionnement du hacheur série à transistor
● Facteurs dont dépend l'ondulation du courant

Savoir-faire expérimentaux
● Relever les oscillogrammes des courants et des tensions en conduction continue et discontinue
● Mesurer les valeurs moyennes et les valeurs efficaces des courants et des tensions

Savoir-faire théoriques
● Calculer la valeur moyenne de la tension fournie par un hacheur dans le cas de la conduction ininterrompue
● Représenter graphiquement les courants pour les différents éléments du circuit.