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100
Électronique de puissance N. Mesnier Lycée Jules Ferry, Versailles 2018–2019

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Électronique de puissance

N. MesnierLycée Jules Ferry, Versailles

2018–2019

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Définition (Électronique de puissance)

L’électronique de puissance concerne le traitement de l’énergie électrique. Ellepermet de convertir une énergie électrique disponible sous une forme donnée(continue, alternative, basse ou haute tension, etc.) en une autre.

(a) Micro-transformateur pour alimentationintégrée sur silicium (100 µW)

(b) Lampes fluorescentes alimentées par unonduleur résonnant (15 W)

(c) Véhicule hybride Porche 911 (120 kW) (d) Motrice de TGV Duplex (9,3 MW)

SII – PTSI | Électronique de puissance 2

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Contexte & objectifs

ContextePour faire fonctionner les systèmes électriques il faut pouvoir les commander.

Objectifs du coursAcquérir les bases fondamentales d’électronique de puissance pour :

analyser la commande des machines électriques (moteurs) ;

choisir et dimensionner les composants permettant de piloter les moteurs (àcourant continu).

SII – PTSI | Électronique de puissance 3

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Plan du cours

1 Introduction2 Interrupteurs de l’électronique de puissance3 Convertisseurs continu-continu4 Onduleur

SII – PTSI | Électronique de puissance 4

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1 2 3 41

Introduction

SII – PTSI | Électronique de puissance 5

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Convertisseurs statiques

Les convertisseurs statiques convertissent une énergie électrique depuis unesource vers une charge. Dans le cas où la conversion est commandée, un signald’entrée contrôle les échanges d’énergie.

Sourceélectrique

Chargeélectrique

Convertisseurstatique

Pe Ps

Signal de commande

puissances mises en jeu : de 100 W à 100 kW ;

courants : de quelques mA aux MA

Exemples : 103 A pour une locomotive ou 106 A pour lesalternateurs de centrale nucléaire.

SII – PTSI | Électronique de puissance 6

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Convertisseurs statiques

Définition (Convertisseur statique)

Un convertisseur statique est un montage utilisant des interrupteurs àsemi-conducteurs permettant par une commande convenable de ces derniers derégler un transfert d’énergie entre une source d’entrée et une source de sortie.

Source

Continue

Source

Alternative

Charge

Continue

Charge

Alternative

Hacheur

Redresseur (⋆)

Gradateur

convertisseur de fréquence (⋆)

Onduleur

⋆ Les conversions depuis les sources alternatives ne sont pas au programme.

SII – PTSI | Électronique de puissance 7

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Convertisseurs statiques

Définition (Convertisseur statique)

Un convertisseur statique est un montage utilisant des interrupteurs àsemi-conducteurs permettant par une commande convenable de ces derniers derégler un transfert d’énergie entre une source d’entrée et une source de sortie.

Source

Continue

Source

Alternative

Charge

Continue

Charge

Alternative

Hacheur

Redresseur (⋆)

Gradateur

convertisseur de fréquence (⋆)

Onduleur

⋆ Les conversions depuis les sources alternatives ne sont pas au programme.

SII – PTSI | Électronique de puissance 7

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Convertisseurs statiques

Définition (Convertisseur statique)

Un convertisseur statique est un montage utilisant des interrupteurs àsemi-conducteurs permettant par une commande convenable de ces derniers derégler un transfert d’énergie entre une source d’entrée et une source de sortie.

Source

Continue

Source

Alternative

Charge

Continue

Charge

Alternative

Hacheur

Redresseur (⋆)

Gradateur

convertisseur de fréquence (⋆)

Onduleur

⋆ Les conversions depuis les sources alternatives ne sont pas au programme.

SII – PTSI | Électronique de puissance 7

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Convertisseurs statiques

Définition (Convertisseur statique)

Un convertisseur statique est un montage utilisant des interrupteurs àsemi-conducteurs permettant par une commande convenable de ces derniers derégler un transfert d’énergie entre une source d’entrée et une source de sortie.

Source

Continue

Source

Alternative

Charge

Continue

Charge

Alternative

Hacheur

Redresseur (⋆)

Gradateur

convertisseur de fréquence (⋆)

Onduleur

⋆ Les conversions depuis les sources alternatives ne sont pas au programme.

SII – PTSI | Électronique de puissance 7

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Convertisseurs statiques

Définition (Convertisseur statique)

Un convertisseur statique est un montage utilisant des interrupteurs àsemi-conducteurs permettant par une commande convenable de ces derniers derégler un transfert d’énergie entre une source d’entrée et une source de sortie.

Source

Continue

Source

Alternative

Charge

Continue

Charge

Alternative

Hacheur

Redresseur (⋆)

Gradateur

convertisseur de fréquence (⋆)

Onduleur

⋆ Les conversions depuis les sources alternatives ne sont pas au programme.

SII – PTSI | Électronique de puissance 7

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Convertisseurs statiques

i Convertisseurs dynamiques

SII – PTSI | Électronique de puissance 8

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1 2 3 42

Interrupteurs de

l’électronique de puissance

SII – PTSI | Électronique de puissance 9

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Interrupteur idéal

Interrupteur ouvert

u

Interrupteur fermé

i

u

i

Interrupteur ouvert

Interrupteur fermé

Commutation

les 4 quadrants

SII – PTSI | Électronique de puissance 10

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Interrupteur idéal

Interrupteur ouvert

u

Interrupteur fermé

i

u

i

Interrupteur ouvert

Interrupteur fermé

Commutation

les 4 quadrants

SII – PTSI | Électronique de puissance 10

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Interrupteur idéal

Interrupteur ouvert

u

Interrupteur fermé

i

u

i

Interrupteur ouvert

Interrupteur fermé

Commutation

les 4 quadrants

SII – PTSI | Électronique de puissance 10

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Interrupteur idéal

Interrupteur ouvert

u

Interrupteur fermé

i

u

i

Interrupteur ouvert

Interrupteur fermé

Commutation

les 4 quadrants

SII – PTSI | Électronique de puissance 10

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Interrupteur non commandé : la fonction diode

i

u

u

i

Commutation

Caractéristiquestatique

u

i

>

>

amorçage

<

<

blocage

Caractéristiquedynamique

2 états :

Passante : u(t) = 0 si i(t) > 0Bloquée : i(t) = 0 si u(t) < 0

SII – PTSI | Électronique de puissance 11

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Interrupteur non commandé : la fonction diode

i

u

u

i

Commutation

Caractéristiquestatique

u

i

>

>

amorçage

<

<

blocage

Caractéristiquedynamique

2 états :

Passante : u(t) = 0 si i(t) > 0Bloquée : i(t) = 0 si u(t) < 0

SII – PTSI | Électronique de puissance 11

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Interrupteur non commandé : la fonction diode

i

u

u

i

Commutation

Caractéristiquestatique

u

i

>

>

amorçage

<

<

blocage

Caractéristiquedynamique

2 états :

Passante : u(t) = 0 si i(t) > 0Bloquée : i(t) = 0 si u(t) < 0

SII – PTSI | Électronique de puissance 11

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Interrupteur non commandé : la fonction diode

Exemple : redressement simple alternance

u

D

i

R uR

uD

t

uR(t)

SII – PTSI | Électronique de puissance 12

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Interrupteur non commandé : la fonction diode

Exemple : redressement simple alternance

u

D

i

R uR

uD

t

uR(t)

SII – PTSI | Électronique de puissance 12

Page 23: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Interrupteur non commandé : la fonction diode

Exemple : redressement double alternance

u

iD1D2

D3

D4

iR

R uR

t

uR(t)

SII – PTSI | Électronique de puissance 13

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Interrupteur non commandé : la fonction diode

Exemple : redressement double alternance

u

iD1D2

D3

D4

iR

R uR

t

uR(t)

SII – PTSI | Électronique de puissance 13

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Interrupteur commandé : la fonction transistor

Di

G

S

u

MOSFET

Ei

G

C

IGBT

u

i

Commutation

Caractéristique

statique

u

i

>

<amorçage

<

>blocage

Caractéristique

dynamique

2 états :

Passant : u(t) = 0 si i(t) > 0Bloqué : i(t) = 0 si u(t) > 0

SII – PTSI | Électronique de puissance 14

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Interrupteur commandé : la fonction transistor

Di

G

S

u

MOSFET

Ei

G

C

IGBT

u

i

Commutation

Caractéristique

statique

u

i

>

<amorçage

<

>blocage

Caractéristique

dynamique

2 états :

Passant : u(t) = 0 si i(t) > 0Bloqué : i(t) = 0 si u(t) > 0

SII – PTSI | Électronique de puissance 14

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Interrupteur commandé : la fonction transistor

Di

G

S

u

MOSFET

Ei

G

C

IGBT

u

i

Commutation

Caractéristique

statique

u

i

>

<amorçage

<

>blocage

Caractéristique

dynamique

2 états :

Passant : u(t) = 0 si i(t) > 0Bloqué : i(t) = 0 si u(t) > 0

SII – PTSI | Électronique de puissance 14

Page 28: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Interrupteur commandé : la fonction transistor

Di

G

S

u

MOSFET

Ei

G

C

IGBT

u

i

Commutation

Caractéristique

statique

u

i

>

<amorçage

<

>blocage

Caractéristique

dynamique

2 états :

Passant : u(t) = 0 si i(t) > 0Bloqué : i(t) = 0 si u(t) > 0

SII – PTSI | Électronique de puissance 14

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Interrupteurs synthétisés

i

D

G

S

u

u

i

>

<amorçage

<

>blocage

Association série

i

D

G

S

u

Association anti-parallèle

u

i

>

<amorçage

<

>blocage

SII – PTSI | Électronique de puissance 15

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Interrupteurs synthétisés

i

D

G

S

u

u

i

>

<amorçage

<

>blocage

Association série

i

D

G

S

u

Association anti-parallèle

u

i

>

<amorçage

<

>blocage

SII – PTSI | Électronique de puissance 15

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Autres interrupteurs

i

u

u

i

>

<

Thyristor

i

u

u

i

>

<

<

>

Thyristor GTO

i

u

u

i

>

<

>

>

Triac

SII – PTSI | Électronique de puissance 16

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Choix des interrupteurs

f (Hz)Fréquence

Pn (W)P

uiss

ance

nom

inal

e

100 101 102 103 104 10510-1

100

101

102

103

104

105

106

107

TriacMOSFET

ThyristorGTO

Thyristor

IGBT

SII – PTSI | Électronique de puissance 17

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Choix des interrupteurs

f (Hz)Fréquence

Pn (W)P

uiss

ance

nom

inal

e

100 101 102 103 104 10510-1

100

101

102

103

104

105

106

107

TriacMOSFET

ThyristorGTO

Thyristor

IGBT

SII – PTSI | Électronique de puissance 17

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1 2 3 43

Convertisseurs

continu-continu

SII – PTSI | Électronique de puissance 18

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Hacheurs

Le hacheur est un système électronique de puissance qui permet de moduler letransfert d’énergie d’une source continue vers une charge (récepteur) elle-même àcourant continu avec un rendement élevé (∼ 90 %).

=

=

Tensioncontinue fixe

Tensioncontinue réglable

Types de hacheurs :

Transfert d’énergie MontageSource → charge sérieCharge → source parallèle

SII – PTSI | Électronique de puissance 19

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Hacheur série

Alimentation Hacheur série

KUE

iE

D

iD

iS

ChargeuS

t

uS(t)

0 T 2T 3T 4T

UE

〈uS〉

αT

Kfe

rmé

K ouvert

Kfe

rmé

K ouvert

Kfe

rmé

K ouvert

Kfe

rmé

K ouvert

SII – PTSI | Électronique de puissance 20

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Hacheur série

Alimentation Hacheur série

KUE

iE

D

iD

iS

ChargeuS

t

uS(t)

0 T 2T 3T 4T

UE

〈uS〉

αT

Kfe

rmé

K ouvert

Kfe

rmé

K ouvert

Kfe

rmé

K ouvert

Kfe

rmé

K ouvert

SII – PTSI | Électronique de puissance 20

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Hacheur série

Intérêt de la commutation

Alimentation

UE

iE

RD

iD

iS

ChargeuS

Convertisseur en mode continu

uS

η

1

UE

Rendement

SII – PTSI | Électronique de puissance 21

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Hacheur série

Intérêt de la commutation

Alimentation

UE

iE

RD

iD

iS

ChargeuS

Convertisseur en mode continu

uS

η

1

UE

Rendement

SII – PTSI | Électronique de puissance 21

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Hacheur série sur charge R

KUE

iE

R

iS

uS ≡K

UE

iE

R

iS

D

iD

uS

SII – PTSI | Électronique de puissance 22

Page 41: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur série sur charge R, L

K

UE

iE

R

L

iS

D

iD

uS

SII – PTSI | Électronique de puissance 23

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Hacheur série sur charge R, L

t

iS(t)

τ = 5T , α = 0, 2

τ = 5T , α = 0, 6

τ = 5T , α = 0, 9

τ = 2T , α = 0, 6

τ = T/2, α = 0, 6

SII – PTSI | Électronique de puissance 24

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Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent

En régime permanent, Im et IM sont constants :à l’instant t ≡ αT [T ] de la commutation ON–OFF :

IM = Im exp

(

−αT

τ

)

+UE

R

[

1 − exp

(

−αT

τ

)]

à l’instant t ≡ 0 [T ] de commutation OFF-ON :

Im = IM exp

(

(α − 1) T

τ

)

⇒ système de 2 équations qui conduit à :

Im =UE

R

1 − exp(

−αT

τ

)

1 − exp(

−T

τ

)

exp

(

(α − 1)T

τ

)

IM =UE

R

1 − exp(

−αT

τ

)

1 − exp(

−T

τ

)

SII – PTSI | Électronique de puissance 25

Page 44: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent

En régime permanent, Im et IM sont constants :à l’instant t ≡ αT [T ] de la commutation ON–OFF :

IM = Im exp

(

−αT

τ

)

+UE

R

[

1 − exp

(

−αT

τ

)]

à l’instant t ≡ 0 [T ] de commutation OFF-ON :

Im = IM exp

(

(α − 1) T

τ

)

⇒ système de 2 équations qui conduit à :

Im =UE

R

1 − exp(

−αT

τ

)

1 − exp(

−T

τ

)

exp

(

(α − 1)T

τ

)

IM =UE

R

1 − exp(

−αT

τ

)

1 − exp(

−T

τ

)

SII – PTSI | Électronique de puissance 25

Page 45: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent

Ondulation du courant

∆IS = IM − Im =UE

R

1 − exp

(

−αT

τ

)

1 − exp

(

−T

τ

)

[

1 − exp

(

(α − 1)T

τ

)]

Ondulation du courant si T ≪ τ

∆IS =α(1 − α)UE T

R τ=

α(1 − α)

LfUE

Si α =1

2⇒ ondulation maximale :

(∆IS)max =UE

4Lf

∆IS ց si L ր ou si f րSII – PTSI | Électronique de puissance 26

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Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent

Ondulation du courant

∆IS = IM − Im =UE

R

1 − exp

(

−αT

τ

)

1 − exp

(

−T

τ

)

[

1 − exp

(

(α − 1)T

τ

)]

Ondulation du courant si T ≪ τ

∆IS =α(1 − α)UE T

R τ=

α(1 − α)

LfUE

Si α =1

2⇒ ondulation maximale :

(∆IS)max =UE

4Lf

∆IS ց si L ր ou si f րSII – PTSI | Électronique de puissance 26

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Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent

Ondulation du courant

∆IS = IM − Im =UE

R

1 − exp

(

−αT

τ

)

1 − exp

(

−T

τ

)

[

1 − exp

(

(α − 1)T

τ

)]

Ondulation du courant si T ≪ τ

∆IS =α(1 − α)UE T

R τ=

α(1 − α)

LfUE

Si α =1

2⇒ ondulation maximale :

(∆IS)max =UE

4Lf

∆IS ց si L ր ou si f րSII – PTSI | Électronique de puissance 26

Page 48: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent

Ondulation du courant

∆IS = IM − Im =UE

R

1 − exp

(

−αT

τ

)

1 − exp

(

−T

τ

)

[

1 − exp

(

(α − 1)T

τ

)]

Ondulation du courant si T ≪ τ

∆IS =α(1 − α)UE T

R τ=

α(1 − α)

LfUE

Si α =1

2⇒ ondulation maximale :

(∆IS)max =UE

4Lf

∆IS ց si L ր ou si f րSII – PTSI | Électronique de puissance 26

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Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent

Solution pour lisser le courant

Alimentation Hacheur série

KUE

iE

D

iD

iS

ChargeuS

Lissage

SII – PTSI | Électronique de puissance 27

Page 50: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent

Sur une période T :

tension moyenne d’alimentation de la charge :

〈uS〉 =1

T

∫ T

0

uS(t) dt =1

T

∫ αT

0

UE dt = α UE

courant moyen consommé :

〈iE〉 =1

T

∫ αT

0

iS(t) dt ≈ αIm + IM

2= α〈iS〉 = α

UE

R

puissance moyenne consommée :

〈PE〉 = UE 〈iE〉 = αUE 〈iS〉 ≈ αU2

E

R

SII – PTSI | Électronique de puissance 28

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Hacheur série sur charge R, L, EAlimentation d’un moteur CC

K

UE

iE

D

iD

L

R

IS

E

uR

uS

SII – PTSI | Électronique de puissance 29

Page 52: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur série sur charge R, L, E

2 phases de fonctionnement1 K fermé, ∀t ∈ [0; αT ] :

UE − E = R iS(t) + LdiS

dt(t)

iS(t) = Im exp

(

−t

τ

)

+UE − E

R

[

1 − exp

(

−t

τ

)]

avec τ =L

R

2 K ouvert, ∀t ∈ [αT ; T ] :

−E = R iS(t) + LdiS

dt(t)

i Attention : iS > 0

iS(t) = max

(

0 ; IM exp

(

αT − t

τ

)

−E

R

[

1 − exp

(

αT − t

τ

)])

SII – PTSI | Électronique de puissance 30

Page 53: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur série sur charge R, L, E

2 phases de fonctionnement1 K fermé, ∀t ∈ [0; αT ] :

UE − E = R iS(t) + LdiS

dt(t)

iS(t) = Im exp

(

−t

τ

)

+UE − E

R

[

1 − exp

(

−t

τ

)]

avec τ =L

R

2 K ouvert, ∀t ∈ [αT ; T ] :

−E = R iS(t) + LdiS

dt(t)

i Attention : iS > 0

iS(t) = max

(

0 ; IM exp

(

αT − t

τ

)

−E

R

[

1 − exp

(

αT − t

τ

)])

SII – PTSI | Électronique de puissance 30

Page 54: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur série sur charge R, L, E

Problème de conductionAnnulation du courant à l’instant γT avec γ ∈ [α; 1]

iS(γT ) = 0 ⇐⇒ γ =τ

Tln

(

UE

E−

UE − E

Eexp

(

−αT

τ

))

deux cas :1 le cas de la conduction ininterrompue du courant

si iS > 0 (γ /∈ [α; 1]) ;2 le cas de la conduction interrompue du courant

si iS > 0 (γ ∈ [α; 1]).

SII – PTSI | Électronique de puissance 31

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Hacheur série sur charge R, L, EConduction ininterrompue

t

uS(t)

0 T 2T 3T

UE

E

αT

t

iS(t)

Im

IM

0 αT T 2T 3T

SII – PTSI | Électronique de puissance 32

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Hacheur série sur charge R, L, EFonctionnement en régime permanent

Sur une période T :

ondulation du courant (idem charge R, L) ;

tension moyenne d’alimentation de la charge :

〈uS〉 =1

T

∫ T

0

uS(t) dt =1

T

∫ αT

0

UE dt = α UE

courant moyen consommé :

〈iE〉 =1

T

∫ αT

0

iS(t) dt ≈ αIm + IM

2= α〈iS〉 = α

(

UE − E

R

)

puissance moyenne consommée :

〈PE〉 = UE 〈iE〉 = αUE 〈iS〉 ≈ αUE

(

UE − E

R

)

SII – PTSI | Électronique de puissance 33

Page 57: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur série sur charge R, L, EConduction interrompue

t

uS(t)

0 T 2T 3T

UE

E

αT γT

t

iS(t)

IM

0 αT γT T 2T 3T

SII – PTSI | Électronique de puissance 34

Page 58: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur série sur charge R, L, EConduction interrompue

t

uS(t)

0 T 2T 3T

UE

E

αT γT

t

iS(t)

IM

0 αT γT T 2T 3T

Àévite

r !

SII – PTSI | Électronique de puissance 34

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Hacheur parallèle

Alimentation Hacheur parallèle

KUE

D

iD

iK

iS

ChargeuS

SII – PTSI | Électronique de puissance 35

Page 60: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur parallèle sur charge R, L, E

2 phases de fonctionnement1 K fermé, ∀t ∈ [0; αT ] :

uS(t) = 0 = E − R iS(t) − LdiS

dt(t)

iS(t) = Im exp

(

−t

τ

)

+E

R

[

1 − exp

(

−t

τ

)]

avec τ =L

R

2 K ouvert, ∀t ∈ [αT ; T ] :

uS(t) = UE = E − R iS(t) − LdiS

dt(t)

iS(t) = IM exp

(

αT − t

τ

)

+E − UE

R

[

1 − exp

(

αT − t

τ

)]

avec τ =L

R

SII – PTSI | Électronique de puissance 36

Page 61: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur parallèle sur charge R, L, E

2 phases de fonctionnement1 K fermé, ∀t ∈ [0; αT ] :

uS(t) = 0 = E − R iS(t) − LdiS

dt(t)

iS(t) = Im exp

(

−t

τ

)

+E

R

[

1 − exp

(

−t

τ

)]

avec τ =L

R

2 K ouvert, ∀t ∈ [αT ; T ] :

uS(t) = UE = E − R iS(t) − LdiS

dt(t)

iS(t) = IM exp

(

αT − t

τ

)

+E − UE

R

[

1 − exp

(

αT − t

τ

)]

avec τ =L

R

SII – PTSI | Électronique de puissance 36

Page 62: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur parallèle sur charge R, L, EFonctionnement en régime permanent

Sur une période T :

ondulation du courant :

∆IS ≈α (1 − α)

L fUE

tension moyenne d’alimentation de la charge :

〈uS〉 =1

T

∫ T

0

uS(t) dt =1

T

∫ T

αT

UE dt = (1 − α) UE

courant moyen fournit :

〈iE〉 =1

T

∫ T

αT

iS(t) dt ≈ (1 − α)Im + IM

2= (1 − α) 〈iS〉

puissance moyenne consommée :

〈PE〉 = UE 〈iE〉 < 0

SII – PTSI | Électronique de puissance 37

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Hacheur série–parallèleréversible en courant

Alimentation

Hacheur série–parallèle

T1 T2UE

D1

D2

iS

ChargeuS

SII – PTSI | Électronique de puissance 38

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Hacheur 4 quadrantsréversible en courant et en tension

Hacheur 4 quadrants

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

SII – PTSI | Électronique de puissance 39

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Hacheur 4 quadrants

Principe de fonctionnement

ChargeUE

iE

i1

K1

i2

K2

i3

K3

i4

K4

iS

uS

SII – PTSI | Électronique de puissance 40

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Hacheur 4 quadrants

2 types de commandes :1 Commande simple (unipolaire)

t

uS

+UE

−UE

〈uS〉 < 0

t

uS

+UE

−UE

〈uS〉 = 0

t

uS

+UE

−UE

〈uS〉 > 0

2 commande complémentaire (bipolaire)

t

uS

+UE

−UE

0 < α < 0, 5

〈uS〉 < 0

t

uS

+UE

−UE

α = 0, 5

〈uS〉 = 0

t

uS

+UE

−UE

0, 5 < α < 1

〈uS〉 > 0

SII – PTSI | Électronique de puissance 41

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Hacheur 4 quadrants

2 types de commandes :1 Commande simple (unipolaire)

t

uS

+UE

−UE

〈uS〉 < 0

t

uS

+UE

−UE

〈uS〉 = 0

t

uS

+UE

−UE

〈uS〉 > 0

2 commande complémentaire (bipolaire)

t

uS

+UE

−UE

0 < α < 0, 5

〈uS〉 < 0

t

uS

+UE

−UE

α = 0, 5

〈uS〉 = 0

t

uS

+UE

−UE

0, 5 < α < 1

〈uS〉 > 0

SII – PTSI | Électronique de puissance 41

Page 68: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur 4 quadrantsCommande simple

1er quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS > 0

Le transistor T3 est toujours fermé.Si T1 est fermé, la charge est alimentée.

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

<

SII – PTSI | Électronique de puissance 42

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Hacheur 4 quadrantsCommande simple

1er quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS > 0

Le transistor T3 est toujours fermé.Si T1 est ouvert, la charge est « en roue libre ».

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

<

SII – PTSI | Électronique de puissance 42

Page 70: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur 4 quadrantsCommande simple

2e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS > 0

La diode D4 est toujours passante.Si T1 est fermé, la charge est « en roue libre ».

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

<

SII – PTSI | Électronique de puissance 43

Page 71: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur 4 quadrantsCommande simple

2e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS > 0

La diode D4 est toujours passante.Si T1 est ouvert, la charge est alimentée.

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

<

SII – PTSI | Électronique de puissance 43

Page 72: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur 4 quadrantsCommande simple

3e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS < 0

Le transistor T4 est toujours fermé.Si T2 est fermé, la charge est alimentée.

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

>

SII – PTSI | Électronique de puissance 44

Page 73: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur 4 quadrantsCommande simple

3e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS < 0

Le transistor T4 est toujours fermé.Si T2 est ouvert, la charge est « en roue libre ».

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

>

SII – PTSI | Électronique de puissance 44

Page 74: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur 4 quadrantsCommande simple

4e quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS < 0

La diode D3 est toujours passante.Si T2 est fermé, la charge est « en roue libre ».

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

>

SII – PTSI | Électronique de puissance 45

Page 75: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur 4 quadrantsCommande simple

4e quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS < 0

La diode D3 est toujours passante.Si T2 est ouvert, la charge est alimentée.

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

>

SII – PTSI | Électronique de puissance 45

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Hacheur 4 quadrantsCommande simple

Synthèse du fonctionnement dans les 4 quadrants

uS

iS

1

Hacheur série T1 ou D2

(avec T3 passant)

2

Hacheur parallèle D2 ou T1

(avec D4 passante)

3

Hacheur série T2 ou D1

(avec T4 passant)

4

Hacheur parallèle D1 ou T2

(avec D3 passante)

SII – PTSI | Électronique de puissance 46

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Hacheur 4 quadrantsExemple de cycle moteur exploitant les 4 quadrants

t

Ωm

1

1 4

4

3

3 2

2

SII – PTSI | Électronique de puissance 47

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Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire

1er quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS > 0 (0, 5 < α 6 1)Si T1 et T3 sont fermés, la charge est alimentée avec +UE .

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

<

SII – PTSI | Électronique de puissance 48

Page 79: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire

1er quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS > 0 (0, 5 < α 6 1)Si T1 et T3 sont ouverts, la charge est alimentée avec −UE .

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

<

SII – PTSI | Électronique de puissance 48

Page 80: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire

2e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS > 0 (0 6 α < 0, 5)Si T1 et T3 sont fermés, la charge est alimentée avec +UE .

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

<

SII – PTSI | Électronique de puissance 49

Page 81: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire

2e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS > 0 (0 6 α < 0, 5)Si T1 et T3 sont ouverts, la charge est alimentée avec −UE .

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

<

SII – PTSI | Électronique de puissance 49

Page 82: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire

3e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS < 0 (0, 5 < α 6 1)Si T2 et T4 sont fermés, la charge est alimentée avec −UE .

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

>

SII – PTSI | Électronique de puissance 50

Page 83: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire

3e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS < 0 (0, 5 < α 6 1)Si T2 et T4 sont ouverts, la charge est alimentée avec +UE .

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

>

SII – PTSI | Électronique de puissance 50

Page 84: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire

4e quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS < 0 (0 6 α < 0, 5)Si T2 et T4 sont fermés, la charge est alimentée avec −UE .

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

>

SII – PTSI | Électronique de puissance 51

Page 85: Électronique de puissancenmesnier.free.fr/sii/ptsi1/sii-ci03-cours2_elecpuissance_pres.pdf · Définition (Électronique de puissance) L’électronique de puissance concerne le

Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire

4e quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS < 0 (0 6 α < 0, 5)Si T2 et T4 sont ouverts, la charge est alimentée avec +UE .

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

>

SII – PTSI | Électronique de puissance 51

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Synthèse et choix des hacheurs

uS IS 〈uS〉 〈iE〉 〈P〉

Hacheur série > 0 > 0 α UE α IS α UE IS > 0

Hacheur

parallèle > 0 < 0 (1 − α) UE (1 − α) IS (1 − α) UE IS < 0

Hacheur

série–parallèle > 0 ∈ R α UE α IS α UE IS

Hacheur

4 quadrants ∈ R ∈ R (2α − 1) UE (2α − 1) IS (2α − 1) UE IS

SII – PTSI | Électronique de puissance 52

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Synthèse et choix des hacheurs

uS IS 〈uS〉 〈iE〉 〈P〉

Hacheur série > 0 > 0 α UE α IS α UE IS > 0

Hacheur

parallèle > 0 < 0 (1 − α) UE (1 − α) IS (1 − α) UE IS < 0

Hacheur

série–parallèle > 0 ∈ R α UE α IS α UE IS

Hacheur

4 quadrants ∈ R ∈ R (2α − 1) UE (2α − 1) IS (2α − 1) UE IS

SII – PTSI | Électronique de puissance 52

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Synthèse et choix des hacheurs

uS IS 〈uS〉 〈iE〉 〈P〉

Hacheur série > 0 > 0 α UE α IS α UE IS > 0

Hacheur

parallèle > 0 < 0 (1 − α) UE (1 − α) IS (1 − α) UE IS < 0

Hacheur

série–parallèle > 0 ∈ R α UE α IS α UE IS

Hacheur

4 quadrants ∈ R ∈ R (2α − 1) UE (2α − 1) IS (2α − 1) UE IS

SII – PTSI | Électronique de puissance 52

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Synthèse et choix des hacheurs

uS IS 〈uS〉 〈iE〉 〈P〉

Hacheur série > 0 > 0 α UE α IS α UE IS > 0

Hacheur

parallèle > 0 < 0 (1 − α) UE (1 − α) IS (1 − α) UE IS < 0

Hacheur

série–parallèle > 0 ∈ R α UE α IS α UE IS

Hacheur

4 quadrants ∈ R ∈ R (2α − 1) UE (2α − 1) IS (2α − 1) UE IS

SII – PTSI | Électronique de puissance 52

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Synthèse et choix des hacheurs

uS IS 〈uS〉 〈iE〉 〈P〉

Hacheur série > 0 > 0 α UE α IS α UE IS > 0

Hacheur

parallèle > 0 < 0 (1 − α) UE (1 − α) IS (1 − α) UE IS < 0

Hacheur

série–parallèle > 0 ∈ R α UE α IS α UE IS

Hacheur

4 quadrants ∈ R ∈ R (2α − 1) UE (2α − 1) IS (2α − 1) UE IS

SII – PTSI | Électronique de puissance 52

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1 2 3 44

Onduleur

SII – PTSI | Électronique de puissance 53

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Onduleur

Un onduleur est un convertisseur statique qui permet d’alimenter une charge encourant alternatif à partir d’une source de tension continue. C’est un convertisseurcontinu–alternatif.

=

Tensioncontinue fixe

Tensionalternative réglable

Utilisations :

alimentations sans interruption (ASI)(fréquence et amplitude de la tension de sortie fixes)

variateurs de vitesse des machines synchrones ou asynchrones (cf. 2eA)(fréquence et amplitude de la tension de sortie variables) ;

alimentations de dispositifs de chauffage par induction.

SII – PTSI | Électronique de puissance 54

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Onduleur monophasé en demi-pont

Hacheur série-parallèle

T2

T1

Charge

U2

U1 D1

D2

iS

uS

SII – PTSI | Électronique de puissance 55

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Onduleur monophasé en demi-pontCommande complémentaire

t

uS(t)

0

UE

−UE

T/2 T 2T 3T

t

iS(t)

IM

Im

0 T/2 3T/2 5T/2

T 2T 3T

D1 T1

D2 T2

D1 T1

D2 T2

D1 T1

D2 T2

SII – PTSI | Électronique de puissance 56

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Onduleur monophasé pleine onde

Hacheur 4 quadrants

T1

T2 T3

T4

ChargeUE

D1

D2

D4

D3

iS

uS

Trois types de commandes :1 commande simple2 commande décalée3 commande MLI

SII – PTSI | Électronique de puissance 57

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Onduleur monophasé pleine ondeCommande simple

t

uS(t)

0

UE

−UE

T/2 T 2T 3T

t

iS(t)

IM

−IM

0 T/2 3T/2 5T/2

T 2T 3T

D1, D3

T1, T3

D2, D4

T2, T4

D1, D3

T1, T3

D2, D4

T2, T4

D1, D3

T1, T3

D2, D4

T2, T4

SII – PTSI | Électronique de puissance 58

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Onduleur monophasé pleine ondeCommande simple

f

f0

uS(t)

1 3 5 7 9 11 13 15

100 %

33 %20 %

14 % 11 % 9 % 8 % 7 %

4 UE

π

Spectre de la tension produite

SII – PTSI | Électronique de puissance 59

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Onduleur monophasé pleine ondeCommande décalée

t

uS(t)

0

UE

−UE

T/2

T 2T 3Tβ

K1

K2

K3

K4

t

iS(t)IM

I0

−I0

−IM

0 T/2 3T/2 5T/2

T 2T 3T

D1, T4

D1, D3

T1, T3

D2, T3

D2, D4

T2, T4

D1, T4

D1, D3

T1, T3

D2, T3

D2, D4

T2, T4

D1, T4

D1, D3

T1, T3

D2, T3

D2, D4

T2, T4

SII – PTSI | Électronique de puissance 60

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Onduleur monophasé pleine ondeCommande MLI

M.L.I. = modulation de largeur d’impulsions

K1 = K2

α1

α2

α3

α4

α5π − α1

π − α2

π − α3

π − α4

π − α5

π 2ππ/2 3π/2

K4 = K3

π 2π

π + α1

π + α2

π/2 3π/2

θ

uS(θ)

π 2ππ/2 3π/2

0

UE

−UE

SII – PTSI | Électronique de puissance 61

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N. Mesnier, lycée Jules Ferry, Versailles