University of Sciences and Technology Houari Boumediene Laboratoiry of Instrumentation (LINS) Algiers – ALGERIA E-mail:
[email protected] USTHB, Faculté d’Electronique et Informatique Bab-Ezzouar, Alger, ALGERIE http://www.usthb.dz ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Dr.F.BOUCHAFAA 1 PLAN DE TRAVAIL PLAN DE TRAVAIL Les thyristors Les interrupteurs semi conducteurs Applications des convertisseurs statiques Les diodes Les transistors 1 4 6 2 5 Constitution des convertisseurs statiques 3 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA 2 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Les interrupteurs semi conducteurs Dr.F.BOUCHAFAA 3 Dr.F.BOUCHAFAA 4 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Actuellement, on n Actuellement, on n’ ’utilise pratiquement que des composants form utilise pratiquement que des composants formé és de semi s de semi- - conducteurs. conducteurs. Les puissances Les puissances commandables commandables couvrent une large plage. Il existe en effet des couvrent une large plage. Il existe en effet des composantscapablessupporter composantscapablessupporter à àl l’é ’état tat OFF OFFdestensionsdeplusieurs destensionsdeplusieurscentainesde centainesde volts volts, et , et à à l l’é ’état tat ON ON des courants de plusieurs des courants de plusieurs milliers d milliers d’ ’amp ampè ères res. . Lapuissancequepeut Lapuissancequepeut « «commander commander » »untel composant est leproduit ducourant maximum untel composant est leproduit ducourant maximum (qu (qu’ ’il peut supporter il peut supporterà àl l’é ’état conducteur) par la tension maximum (qu tat conducteur) par la tension maximum (qu’ ’il peut supporter il peut supporterà àl l’é ’état tat bloqu bloqué é) . ) . Enfait, lescomposantsnesont pasid Enfait, lescomposantsnesont pasidé éauxet dissipent doncdelapuissancesousformede auxet dissipent doncdelapuissancesousformede chaleur.Lapuissancequ chaleur.Lapuissancequ’ ’uncomposant uncomposant é électroniquedepuissancepeutdissiperenchaleurest lectroniquedepuissancepeutdissiperenchaleurest cependant tr cependant trè ès inf s infé érieure rieure à à la puissance qu la puissance qu’ ’il peut commander : il ne faut pas confondre les deux il peut commander : il ne faut pas confondre les deux notions. notions. Dr.F.BOUCHAFAA 5 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Commande, Contrôle Système Electrotechnique Energie Energie Système Electronique (Automatique, Informatique Alimentation Information Signal Information Signal Dr.F.BOUCHAFAA 6 Énergie électrique fournie par l’alimentation électrique disponible sur la charge Énergie électrique Les interrupteurs semi conducteurs CONVERTISSEUR SATIQUE Interface Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene I t I t I t I t I t I t I t I t Dr.F.BOUCHAFAA 7 L’Énergie Électrique est disponible soit sous forme: Continue (batterie d’accumulateurs, génératrice à courant continu, cellules photovoltaïques, pile à combustible, …). Alternative (réseau de distribution électrique, alternateurs) La charge peut nécessiter une alimentation en alternatif ou en continu. Il existe donc quatre fonctions de base des convertisseurs statiques. Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA 8 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Les sources et les récepteurs alimentés par les différents convertisseurs d’énergie Source alternative Récepteur alternatif Récepteur continu Source continue Gradateur Redresseur Onduleur Hacheur Action sur la valeur efficace Action sur la valeur moyenne I t I t I t I t I t I t Dr.F.BOUCHAFAA 9 Le convertisseur jouant le rôle d’interface entre une source alternative et une charge alimentée en continu, est appelé : Redresseur (Rectifier). A- Conversion Alternatif – Continu (AC/DC): Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA 10 B- Conversion Continu – Continu (DC/DC): Le convertisseur jouant le rôle d’interface entre une source continue et une charge alimentée en continu, est appelé : Hacheur (Chopper). Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA 11 C- Conversion Continu – Alternatif (DC/AC): Le convertisseur jouant le rôle d’interface entre une source continue et une charge alimentées suivant le type de charge, ce convertisseur est appelé onduleur autonome ou assisté. Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA 12 D- Conversion Alternatif – Alternatif (AC/AC): Ces convertisseurs permettent d’obtenir une tension alternative variable de fréquence constante ou variable, à partir d’une source alternative. 2. Soit convertir une tension alternative de valeur efficace fixe en une tension alternative de valeur efficace variable et de fréquence variable inférieure à la fréquence de la source. C’est le cyclo-convertisseur. 1. Soit convertir une tension alternative de valeur efficace fixe en une tension alternative variable. C’est le gradateur Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA 13 Un convertisseur statique est dit réversible lorsque l’énergie, peut transiter (en général, être contrôlée) de manière bidirectionnelle, c’est à dire aussi bien dans un sens que dans l’autre. Un convertisseur nonréversible transfère l’énergie d’une source vers une charge utilisatrice. Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Convertisseur réversible Entrée Sortie Energie Convertisseur Non réversible Entrée Sortie Energie Dr.F.BOUCHAFAA 14 Applications des convertisseurs statiques: Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Applications domestiques Applications industrielles Production et Distribution de l’électricité 1 4 2 Transport 3 Dr.F.BOUCHAFAA 15 Applications des convertisseurs statiques: Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene -Alimentation des appareils électroniques (TV, PC, magnétoscopes, …).- Électroménager (aspirateur, réfrigérateur, lave-linge, lave-vaisselle, robots culinaires,…).-Éclairage. -Chauffage.-Appareil électroportatif (perceuse, …).- Actionneurs domotiques (volets roulants, stores électriques, …). Applications domestiques: Dr.F.BOUCHAFAA 16 Applications des convertisseurs statiques: Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene L’utilisation de l’électronique de puissance prend de plus en plus d’importance pour deux raisons principales: Applications domestiques: – Les coûts de fabrication diminuent (facteur primordial dans les domaines de la grande série), – les contraintes sur les niveaux de perturbations et le rendement augmentent. Dr.F.BOUCHAFAA 17 Applications des convertisseurs statiques: Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene - Pompes, compresseurs. -Variationdevitesse. -Chariotsélectriques. -Chauffagepar induction. Applications industrielles: Dr.F.BOUCHAFAA 18 Applications des convertisseurs statiques: Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene - Grues. - Fours (à arcs, à résistance).- Appareils de soudage.- Électrolyse.- Onduleurs de secours. Applications industrielles: Dr.F.BOUCHAFAA 19 Applications des convertisseurs statiques: Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene – Réseaux de bord d’avion, commande électrique. – Traction électrique (trains, métros, voitures électriques, …). – Propulsion électrique des navires, génération d’électricité à bord des navires. – Génération de l’énergie électrique par des cellules photovoltaïques, les stations spatiales. Transport: Dr.F.BOUCHAFAA 20 Applications des convertisseurs statiques: Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene – Compensateur de puissance réactive et filtrage actif (augmenter le facteur de puissance d’une installation et limiter les harmoniques de courant sur le réseau). – Dispositif de stockage de l’énergie. Les applications les plus puissantes des convertisseurs statiques concernent le transport courant continu - haute tension (CC-HT). Production et Distribution de l’électricité: Dr.F.BOUCHAFAA 21 Applications des convertisseurs statiques: Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene A l’aide de la technique IGCT, on peut construire des installations électroniques de puissance plus compactes et de prix plus avantageux, par exemple des stations de convertisseurs pour installations CCHT ou des compensateurs statiques de puissance réactive. Dr.F.BOUCHAFAA 22 nousallonsdécriresimplementlesprincipalescaractéristiquesexternes des composants. Ils peuvent être classés en trois groupes : 1. Diodes. États fermé ou ouvert contrôlés par le circuit de puissance. 2.Thyristors. Ferméparunsignal decommande, maisdoit êtreouvert par le circuit de puissance. 3. Interrupteurs commandables. à l'ouverture et à la fermeture. Ouverts et fermés par un signal de commande. Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene III. Constitution des convertisseurs statiques: Dr.F.BOUCHAFAA 23 · Transistors Bipolaires à Jonctions (Bipolar Junction Transistors - BJTs); · Transistors à effet de champ Metal-Oxyde-Semi conducteur (MOSFETs); · Thyristors commandés à l'ouverture (Gate-Turn-Off Thyristors - GTO Thyristors); · Transistors bipolaires à grille isolée (Insulated Gate Bipolar Transistors - IGBTs); · Thyristors MOS Commandés (MOS-Controlled Thyristors - MCTs). La catégorie des interrupteurs commandables inclut de nombreux types de composants: Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA 24 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Les diodes de puissance 1. Diodes Dr.F.BOUCHAFAA 25 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene • La diode est un composant non linéaire qui ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens Symbole g Symbole gé én né éral ral : : La diode est le semi-conducteur élémentaire constitué par une seule jonction PN et àcaractéristique courant– tension nonlinéaire.Enélectroniquedepuissance,la diode est équivalente à un interrupteur unidirectionnel non commandé. 1. Diodes K A A K Dr.F.BOUCHAFAA 26 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene 1. Diodes Fonctionnement en inverse Fonctionnement en direct Courant direct maximal d’emploi (I FM ) Conductance dynamique (1/R D0 ) V A Tension de seuil (V D0 ) Phénomène d’avalanche Irréversible: destruction de la jonction Tension inverse maximale (V RM ) Et le courant correspondant (I RM ) Caractéristique tension- courant de la diode Courant inverse: qq (µA) V D I D Tension d’avalanche La figure ci dessous décrit la caractéristique statique de la diode i D = f(V D ). Dr.F.BOUCHAFAA 27 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene 1. Diodes Lorsqueladiodeest polariséeendirect, ellecommenceàconduireà partir d’une faible tension de seuil V seuil directe de l'ordre de 1V. Lorsque la diode est polarisée en inverse, seul un faible courant de fuite négligeable (quelques mA) circule jusqu'à atteindre la tension d'avalanche. En fonctionnement normal, la tension inverse ne doit pas atteindre la tension d'avalanche. Dr.F.BOUCHAFAA 28 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene 1. Diodes Dr.F.BOUCHAFAA 29 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene 1. Diodes a) Faible puissance < 1W b) Puissance moyenne c) Puissance élevée (kW) Dr.F.BOUCHAFAA 30 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene 1. Diodes Dr.F.BOUCHAFAA 31 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene 1. Diodes 4500V/800A press pack and 1700V/1200A module diodes Dr.F.BOUCHAFAA 32 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene États possibles d'une diode à jonction 1. Diodes Quand le circuit dans lequel la diode est placée tend à faire passer un courant danslesensdirect, c.à.d del’anode«A»verslacathode«K»,ladiodeest conductrice ou passante. Le courant i AK positif prend une valeur qui lui est imposée par le reste du circuit. Il faut veiller à ce que la valeur moyenne de i AK ne dépasse pas le courant direct moyen tolérable par la diode. • Si VAK > 0 : La diode est passante ( A + ; K - ) Équivalente à 1 interrupteur Fermé i AK > 0 V AK > 0 A K Etat passant : Dr.F.BOUCHAFAA 33 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene États possibles d'une diode à jonction 1. Diodes Quand une tension négative aux bornes de la diode tend à faire passer le courant dans le sens indirect, c.à.d de la cathode «K» vers l’anode «A», la diode est bloquée ou isolante. La tension négative ou inverse peut prendre, sous l’effet du reste du circuit, des valeurs élevées. Il faut veiller à ce que la tension inverse reste inférieure àlatensioninversemaximalequepeut supporter la diode. • Si VAK < 0 : La diode est bloquée ( A - ; K + ) Équivalente à 0 interrupteur Ouvert i AK =0 V AK 0 P=0 Uc(t)>0et ic(t)>0 donc P(t)>0 Uc(t)>0et ic(t)>0 donc P(t)>0 Uc(t)=0et ic(t)>0 donc P(t)=0 Uc(t)=0et ic(t)>0 donc P(t)=0 Phase de roue libre Phase de roue libre Redresseur Redresseur Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non commandé 31 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Montage d’un redresseur monophasé à point milieu V e1 V e2 Uc ic R Tr V 1 i 1 V D1 D 1 i e1 D 2 V D2 i e2 Le montage redresseur à diodes est constitué de deux diodes connectées en sortie d'un transformateur à point milieu: 2- Commutation parallèle simple - P2 à diodes A partir du réseau monophasé V 1 , on obtient par l'intermédiaire du transformateur à point milieu deux tensions sinusoïdales V e1 et V e2 de même amplitude et déphasées entre elles de t: V e1 (t) = V max sin et V e2 (t) = V max sin (et + t) V e2 (t) = - V e2 (t) Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non commandé 32 2 π u(rad) t 2t 0 2 3 π u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π V e (t) Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Uc ic D 2 V e2 R V D2 Tr V 1 i 1 + i e2 Uc ic V D1 V e1 R D 1 + i 1 V 1 Tr i e1 Ve1 V max Ve2 V max i C (t) U C (t) D1 Uc Ve1 Ve2 i C Ve2/R Ve1/R Etat des diodes Tension aux bornes de la charge Courant traversant la charge D2 I max Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non commandé 33 t 2t 0 2 π 2 3π u(rad) Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene V e (t) u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π Ve1 V max Ve2 V D1 (t) V D1 2Ve 0 u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π Ve1 V e (t) V max Ve2 D1 Uc Ve1 Ve2 i C Ve2/R Ve1/R Etat des diodes Tension aux bornes de la charge Courant traversant la charge D2 u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π V max i C (t) U C (t) I max -2V max Tension aux bornes de la diode Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non commandé 34 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene π 2V U max cmoy = La tension moyenne de Uc : Le courant moyen et efficace de ic(t) : La tension efficace de Uc : Cmoy Cmoy R.i U = | | π 2V cos π V .d sin . V π 1 (t)dt U T 1 U max π 0 max 0 max T C moy U = ÷ = = = = >< } } u u u t c ( ) ( ) ( ) u u u u t t t d d } } } ÷ = = = 0 2 max 2 0 2 max T 0 2 c 2 ceff 2 2 cos 1 π V sin V 1 dt t U T 1 U 2 V U max ceff = π.R 2V I max cmoy = R V 2 1 I max ceff = Ceff Ceff R.i U = La tension maximale à supporter par la diode en inverse est: V Dmax =-2V max Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non commandé 35 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene L Uc ic D 2 V D1 V e1 V e2 R D 1 Tr V 1 i 1 i e1 i e2 Débit sur une charge inductive (R-L) Montage d’un redresseur monophasé alimentant une charge inductive Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non commandé 36 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene D’après cette figure, on constate que le courant i C (t) oscille entre deux valeurs I cmin et I cmax et l’écart Ai C (t) on le nomme ondulation du courant. Le rôle du redresseur est d’avoir un courant redressé i Cmoy constant . Par contre d’après cette figure, onconstate que le courant i C (t) est variable et dépend fortement de la constante du temps électrique t (=R/L). Afinde réduire lesondulations c.a.d AiC(t)tendverszéro,ilfautaugmenterla valeur de l’inductance L. Onobtient ainsi, uncourant parfaitement lisse et constant. i C (t) I max I min Ai C (t) T 2 π 2 3π 0 π 2π i C (t) u(rad) u 0 i Cmoy Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non commandé 37 u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π t 2t 0 2 π 2 3π u(rad) V e (t) u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π Ve1 V max Ve2 V D1 (t) V D1 2Ve 0 -2V max u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π Ve1 V e (t) V max Ve2 D1 Uc Ve1 Ve2 i C I cmoy I cmoy Etat des diodes Tension aux bornes de la charge Courant traversant la charge D2 V max i C (t) U C (t) I cmoy I cmoy I D1 0 I cmoy i D1 (t) Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non commandé 38 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene π 2V U max cmoy = La tension moyenne de Uc : Le courant moyen et efficace de ic(t) : La tension efficace de Uc : Cmoy Cmoy R.i U = | | π 2V cos π V .d sin . V π 1 (t)dt U T 1 U max π 0 max 0 max T C moy U = ÷ = = = = >< } } u u u t c ( ) ( ) ( ) u u u u t t t d d } } } ÷ = = = 0 2 max 2 0 2 max T 0 2 c 2 ceff 2 2 cos 1 π V sin V 1 dt t U T 1 U 2 V U max ceff = π.R 2V I max cmoy = La tension maximale à supporter par la diode en inverse est: V Dmax =-2V max Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non commandé 39 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Le pont de Graëtz est constitué de quatre diodes montées en parallèle deux par deux. Montage d’un redresseur monophasé alimentant une charge résistive Commutation parallèle double - PD2 à diodes K A D 1 D 2 D 4 D 3 Tr V D1 V 1 i 1 Uc ic Ve(t) Source i R Charge C.S Ainsi, dans ce type de montage: A cathodes communes, on dit qu’une diode est passante lorsque la tension entre ses bornes est plus positive que les autres. A anodes communes, on dit qu’une diode est passante lorsque la tension entre ses bornes est plus négative que les autres. Les diodes D1 et D2 sont à cathodes communes (sont reliées au même point K). et les diodes D3 et D4 sont à anodes communes (sont reliées au même point A). Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non commandé 40 t 2t 0 2 π 2 3π u(rad) Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene u(rad) t 2t 2 π 2 3 π Ve V e (t) V max 0 D 1, D 3 Uc Ve -Ve i c -Ve/R D 2, D 4 V max U C (t) i C (t) I max Etat des diodes Tension aux bornes de la charge Courant traversant la charge D 2 D 4 Tr i D2 V 1 i 1 Uc ic Ve(t) i R i D4 + D 1 D 3 Tr V D1 V 1 i 1 Uc ic Ve(t) i R i D1 i D3 + Ve/R Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non commandé 41 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene u(rad) t 2t 2 π 2 3 π Ve V e (t) V max 0 V D1 Ve 0 Uc Ve -Ve D 1, D 3 D 2, D 4 Tension aux bornes de la diode t 2t 0 2 π 2 3π u(rad) V D1 (t) -V max u(rad) t 2t 2 π 2 3 π Ve V e (t) V max 0 D 1 , D 3 Uc Ve -Ve i c -Ve/R D 2 , D 4 t 2t 0 2 π 2 3π u(rad) V max U C (t) i C (t) I max Ve/R Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non commandé 42 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene π 2V U max cmoy = La tension moyenne de Uc : Le courant moyen et efficace de ic(t) : La tension efficace de Uc : Cmoy Cmoy R.i U = | | π 2V cos π V .d sin . V π 1 (t)dt U T 1 U max π 0 max 0 max T C cmoy c U = ÷ = = = = >< } } u u u t ( ) ( ) ( ) u u u u t t t d d } } } ÷ = = = 0 2 max 2 0 2 max T 0 2 c 2 ceff 2 2 cos 1 π V sin V 1 dt t U T 1 U 2 V U max ceff = π.R 2V I max cmoy = R V 2 1 I max ceff = Ceff Ceff R.i U = La tension maximale à supporter par la diode en inverse est: V Dmax =-V max Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non commandé 43 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Débit sur une charge inductive (R-L) Montage d’un redresseur monophasé alimentant une charge inductive Uc Charge ic L R D 1 D 2 D 4 D 3 Tr V D1 V 1 i 1 Ve(t) Source i C.S Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non commandé 44 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene t 2t 0 2 π 2 3π u(rad) u(rad) t 2t 2 π 2 3 π Ve V e (t) V max 0 D 1, D 3 Uc Ve -Ve i c Ic moy D 2, D 4 V max U C (t) i C (t) I max Etat des diodes Tension aux bornes de la charge Courant traversant la charge Ic moy V D1 Ve 0 Uc Ve -Ve D 1, D 3 D 2, D 4 Tension aux bornes de la diode t 2t 0 2 π 2 3π u(rad) V D1 (t) -V max Uc ic L R D 1 D 3 V D1 Ve(t) i C.S Uc ic L R D 1 D 2 D 4 D 3 Ve(t) i C.S Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non commandé 45 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene π 2V U max cmoy = La tension moyenne de Uc : Le courant moyen et efficace de ic(t) : La tension efficace de Uc : Cmoy Cmoy R.i U = | | π 2V cos π V .d sin . V π 1 (t)dt U T 1 U max π 0 max 0 max T C cmoy c U = ÷ = = = = >< } } u u u t ( ) ( ) ( ) u u u u t t t d d } } } ÷ = = = 0 2 max 2 0 2 max T 0 2 c 2 ceff 2 2 cos 1 π V sin V 1 dt t U T 1 U 2 V U max ceff = π.R 2V I max cmoy = La tension maximale à supporter par la diode en inverse est: V Dmax =-V max Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non commandé 46 USTHB, Faculté d’Electronique et Informatique Bab-Ezzouar, Alger, ALGERIE http://www.usthb.dz REDRESSEMENT COMMANDÉ MONOPHASÉS Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 3 Commutation simple alternance à thyristor Commutation parallèle double - PD2 Mixte PLAN DE TRAVAIL PLAN DE TRAVAIL Conclusion Commutation parallèle simple - P2 à thyristors 1 4 2 5 Commutation parallèle double - PD2 à thyristors 3 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 4 Lesredresseursàthyristors, ouredresseurscontrôlés, permettent defaire varierlerapport entrelaoulestensionsalternativesd'entréeet latension continue de sortie. De plus, ils sont réversibles, c'est-à dire que la puissance ne peut aller que du côté alternatif vers le côté continu. Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Les montages redresseurs sont des convertisseurs de l'électronique de puissance qui assurent directement la conversion alternatif-continu. Alimentés par une source de tension alternative monophasée, ils permettent d'alimenter en courant continu le récepteur branché à leur sortie. On utilise un redresseur chaque fois que l’on abesoindecontinualorsque l'énergieélectriqueestdisponibleenalternatif. Lesredresseursontuntrès vaste domaine d'applications. Un montage redresseur comporte : Une source monophasée. Des composants redresseurs (Thyristor). Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 5 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene • Un montage redresseur permet d’obtenir une tension continue à partir d’une tension alternative sinusoïdale quelque soit la charge Redressement monophasé commandé Ve Vs Commande Th Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 6 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 7 ) .sin( 2 . V (t) V eff e ω.t = Une tension alternative sinusoïdale est définie par l'équation : V eff : tension efficace (V) ω = 2.π.f = 314 rd/s ω : la pulsation (rd/s) Rappels Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Ve(t) Source i Uc ic R Charge Montage d’un redresseur commandé monophasé alimentant une charge résistive. On envisage une structure comportant une source sinusoïdale et un thyristor pour atteindre une charge résistive. On distingue alors les trois blocs précédemment définis: une source, un commutateur et la charge. Débit sur une charge résistive R C.S V Th Th i G Commutation simple alternance à thyristor Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 8 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Étude du fonctionnement Th Uc ic Ve(t) i R V Th u(rad) 2t 2 3π t 2 π V max V Th (t) i C (t) I max -V max Dés que la tension d’entrée Ve est positive et un amorçage de thyristor en agissant sur sa gâchette (i G ≠0) à l’instant o, ce dernier devient passant jusqu'à ce que le courant qui le traverse s'annule. Or ic(t) s'annule pour t=T/2. u(rad ) t 2 t 0 2 π 2 3 π Va V a (u) V max a b u(rad ) t 2 t 0 2 π 2 3 π Vb V b (u) V max À partirdel’instant(π),le thyristor est bloqué. Par conséquent, latensionauxbornesdelachargerésistiveest nulle: U C (t) Comme la charge est résistive,le courant et la tension sont en phase. o ic Ve/R 0 0 Th Uc Ve 0 V Th Ve 0 0 Ve Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 9 u(rad) o u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π Ve V e (u) V max Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene u(rad) 2t 2 3π t 2 π V max U C (t) o | | | | | | ¹ ´ ¦ ee e = = t t u o u t u u 2 , , 0 Pour 0 α, Poursin V e V Uc(t) max ( ) ¦ ¹ ¦ ´ ¦ < < t o u )dθ sin( I T 1 (t)dt i T 1 (t) i max T C Cmoy C I La présence de thyristor impose que le courant ait un signe constant. Lavaleur moyennede ce courantest imposée parlesparamètresdelasource etdelacharge résistive. u(rad) 2t 2 3π t 2 π V max V Th (t) i C (t) I max -V max U C (t) o o ( ) o cos 1 .R 2 V I max cmoy + = π R U I cmoy cmoy = t o o t 2 2 sin 2 2 2R V R U i max ceff ceff + ÷ = = Le courant efficace ic(t) : Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 12 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Débit sur un électromoteur (Chargeur de batterie) : Ve(t) Source E Uc ic R Charge Montage d’un redresseur monophasé avec Chargeur de batterie i C.S V Th Th i G Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 13 u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π Ve V e (u) V max La durée de conductionvariée suivant la valeur de E Et suivant l’angle d’amorçage α La durée de conductionvariée suivant la valeur de E Et suivant l’angle d’amorçage α Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π Ve V e (u) V max E u 1 u 2 E u 1 La durée de conduction La durée de conduction u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π α u 2 u(rad) o α: angle d’ouverture. Avec : u 2 : angle d’extinction (fermeture). u =(u 2 - α) durée d’utilisation u 2 u 2 u(rad) o u(rad) o u(rad) o I max V max E i C (t) U C (t) Ve E E Th Uc Ve E E ic (Ve-E)/R 0 0 α< u1 α= u1 α> u1 Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 14 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene E sin V 1 max = t e max 1 V E sin 1 t Arc e = max 1 V E sin Arc = u Le courant moyen ic(t) : 1 2 t 2 T t ÷ = 1 2 u t u ÷ = Débit sur un électromoteur (Chargeur de batterie) : ( ) ( ( ¸ ( ¸ + = = } } } + dθ E dθ sin V 2 1 dt t U T 1 U 2 max T 0 c cmoy 2 2 o t u u o u t ( ) 2 2 max cmoy 2 2π E ) cos (cos 2π V U u o t u o ÷ + + ÷ = ( ) 2 2 max cmoy cmoy R 2 E ) cos (cos R 2 V R E U i u o t u o t ÷ + ÷ = ÷ = Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 15 La tension moyenne de Uc : u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π V e (u) V max E u 1 u 2 u(rad) o u 2 Ve E E Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene La tension efficace de Uc : Débit sur un électromoteur (Chargeur de batterie) : ( ) ( ( ¸ ( ¸ + = = } } } + dθ E dθ sin V 2 1 dt t U T 1 U 2 2 2 2 max T 0 2 c 2 ceff 2 2 o t u u o u t ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 max 2 2 max 2 ceff 2 2 E 2 sin 2 sin 8 V 4 V U u o t t o u t o u t ÷ + + ÷ ÷ ÷ = 1 max sinθ V E = ( ) ( ¸ ( ¸ ÷ + + ÷ ÷ ÷ = 1 2 2 2 2 max ceff sin 2 2 sin 2 sin 4 1 2 2 V U u t u o t o u t t o u Comme u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π Ve V e (u) V max E u 1 u 2 u(rad) o u 2 Ve E E Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 16 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Le courant efficace ic(t) : E sin V 1 max = t e max 1 V E sin 1 t Arc e = max 1 V E sin Arc = u 1 2 t 2 T t ÷ = 1 2 u t u ÷ = Débit sur un électromoteur (Chargeur de batterie) : ( ) dθ R E sin θ V 2 1 dt t i T 1 i 2 2 max T 0 2 c 2 ceff } } | . | \ | ÷ = = u o t ( ) ( ) ( ) ( ) ( ¸ ( ¸ ÷ + ÷ + ÷ + ÷ = o u o u u o o u t 2 2 2 max 2 2 max 2 2 max 2 2 ceff E cos cos E 2V 2 sin 2 sin 4 V 2 V R 2 1 i ( ) ( ) ( ) ( ¸ ( ¸ ÷ + ÷ + ÷ + ÷ = 1 2 2 2 1 2 2 max ceff sin cos cos sin 2 2 sin 2 sin 4 1 2 1 R 2 V i u t o u o u u t u o t o u t 1 max sinθ V E = Comme u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π Ve V e (u) V max E u 1 u 2 u(rad) o u 2 E I max Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 17 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Ve(t) Source i L Montage d’un redresseur monophasé alimentant une charge inductive En électrotechnique et dans l’industrie, les charges sont souvent combinées: inductive et résistive. Le schéma permettant la nouvelle étude est ci-dessous: Uc ic R Charge Débit sur une charge inductive (R-L) Étude du fonctionnement La charge est de type inductif (une résistance plus une bobine), Il apparait un déphasage entre la tension Ve et le courant i suite à l’introduction de l’inductance L . A cet effet: - Le courant i et la tension Ve ne sont plus colinéaire, - Le courant i s’annule après la tension Ve c.a.d après t (T/2). C.S V Th Th i G Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 18 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Débit sur une charge inductive (R-L) Suivant ladéfinitiondethyristor, il est passant lorsquela tensionentre sesbornesest positive plus un amorçage au niveau de sa gâchette et il se bloque lorsque le courant qui le traverse s’annule. Ainsi, le thyristor Th conduit à partir de u=α (t=t 0 ) et ne se bloque pas en u=t(t=T/2) comme avecunechargepurement résistive. Decefait, lethyristor est toujourspassant et latension devient négative aux bornes de la charge tant que le courant ne s'annule pas. Pour cela, on est obligé d'étudier la nature du courant ic. Uc ic Ve(t) i R L V Th Th i G Étude du fonctionnement Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 19 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Uc ic Ve(t) i R Th V Th L ( ) ( ) t sin V t Ri dt t di L max c c ω = + Le thyristor Th conduit dés que la tension Ve est positive et un amorçage au niveau de sa gâchette (i G ≠0). Pour le courant ic(t), on assiste à un régime transitoire régit par l’équation différentielle suivante: La résolution de l’équation différentielle est: ic(t)=ic H (t)+ic p (t): ic H (t) est le courant homogène ic P (t) est le courant particulier 0 Ri dt L cH cH di = + Le courant homogène: R L τ= Constante du temps électrique e τ t cH K. (t) i ÷ = Avec: Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 20 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Le courant particulier Ve R.I I . j.L cp cp = + e ( ) ¦ ¦ ¦ ¹ ¦ ¦ ¦ ´ ¦ | . | \ | = + = = + = ÷ R L ω L ω R Z Z Ve . I : Avec j.Lω R Ve I tg 1 2 2 cp cp ¢ e cp cp V Ri dt L di = + En régimepermanent: ( ) Ve j.L R . Icp = + e Le courant générale est: ) t sin( V (t) i max cp ¢ e + = Z Ainsi: ) t sin( Z V K. (t) i (t) i (t) i max τ t cp cH c e ¢ e + + = + = ÷ Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 21 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene On remarque la superposition du régime transitoire (terme exponentiel) et du régime permanent faisant apparaître le déphasage ¢ du courant sur la tension. Le courant ne s’annule pas pour u=t, mais un peu au-delà en u 0 (u 0 =t+¢). Le thyristor est alors en conduction forcée si bien que la tension U c devient négative jusqu’à l’annulation de i c . Condition initiale à: 0 ) ( ic = ¬ = o o u l’expression générale i C (t) est: ( ¸ ( ¸ + + = ÷ ÷ e L ) ( max c ). sin( - ) t sin( Z V (t) i e o e ¢ o ¢ e t R Lethyristorsebloqueavecunretard u 0 (t 0 )comprisentre T/2et Tcarla bobine Limposela continuité du courant dans la charge. Le courant générale est: ) t sin( Z V K. (t) i (t) i (t) i max τ t cp cH c e ¢ e + + = + = ÷ 0 ) sin( Z V K. max τ. e = + + ÷ ¢ o e o e L max ). sin( Z V K e o ¢ o R + ÷ = D’où : Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 22 t 2 t 2 π 2 3π 0 u(rad) Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π Ve V e (u) V max Th Uc Ve 0 Chronogrammes des tensions et du courant pour une charge R-L. Etat des thyristors Tension aux bornes de la charge Uc ic Ve(t) i R Th V th L Uc ic Ve(t) i R Th V th L u O V max I max V(u O ) U C (t) i C (t) u(rad) o α 0 à u =u 0 , i C (t)=0, le thyristor s’arrête de conduire Supposons Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 23 t 2t 2 π 2 3π 0 u(rad) Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene V Th Ve 0 u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π Ve V e (u) V max V(u O ) -V max V Th (t) Th Uc Ve 0 Etat des thyristors Tension aux bornes de la charge Tension aux bornes de thyristor u(rad) o u O o Ve U C (t) V max 0 V(α) Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 24 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene t 2t 2 π 2 3π 0 V(u O ) u(rad) u O V max I max U C (t) u(rad) o Ve(t)0 le thyristor Th est passant Uc=Ve, Vth=0 A u= u o , ic =0 le thyristor Th s’arrête de conduire (se bloque) Uc=0 et Vth=-Ve A u= u o , ic =0 le thyristor Th s’arrête de conduire (se bloque) Uc=0 et Vth=-Ve i Th (t) α i C (t) Dr.F.BOUCHAFAA Redressement commandé monophasé 25 ( ¸ ( ¸ + + = ÷ ÷ e L ) ( max c ). sin( - ) t sin( Z V (t) i e o e ¢ o ¢ e t R Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene u(rad) I max t 2t 2 π 2 3π 0 V(u O ) u O V max U C (t) u(rad) o i Th (t) α i C (t) P>0 P0et ic(t)>0 donc P(t)>0 Uc(t)>0et ic(t)>0 donc P(t)>0 Uc(t)0 donc P(t) < 2 6 max T C cmoy .dθ 3 2 - sin - sin . V 2π 6 (t)dt U T 1 Uc U t t t u u Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 36 D 5 D 3 Uc ic L R V 2 V 3 N S T D 3 Uc ic L R D 4 i V 1 V 3 N R T D 2 Uc ic L R D 4 i V 1 V 2 N R S D 2 D 6 Uc ic L R V 2 V 3 N T S D 6 Uc ic L R D 1 V D1 i V 1 V 3 N R T D 5 Uc ic L R D 1 V D1 i V 1 V 2 N R S D1 D2 D3 D4 D5 D6 D 5 D 3 Uc ic L R V 2 V 3 N S T Principe de fonctionnement Charge inductive 2t 0 u(rad) 6 π 6 5π 2 3π 2 π 6 7π 6 11π Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 37 t 2t 0 3 π 3 2π 3 4π 3 5π u(rad) U 31 U 23 U 12 U 13 U 21 U 32 U 32 6 π 6 5π 2 3π 2 π 6 7π 6 11π V1 V2 V3 D Uc U 32 U 21 U 12 U 32 U 13 D35 Uc[V],I c [A] U 23 U 31 Charge inductive D15 D16 D26 D24 D34 D35 Etat des diodes Tension aux bornes de Uc U C (t) i C (t) V K (t) V A (t) Tension composée Tension simple I cmoy Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 38 Tension moyenne et efficace Uc(t): max cmoy V π 3 3 U = max cmoy cmoy V .R 2 3 3 R U I π = = Courant moyenne et efficace Uc(t): ( ) dθ i 2 1 dt t i T 1 I 6 5π 6 π c T 0 D1 D1moy } } = = t Courant qui traverse une diode 3 I I cmoy D1moy = } } ( ¸ ( ¸ | . | \ | = = = >< 2 6 max T C cmoy .dθ 3 2 - sin - sin . V 2π 6 (t)dt U T 1 Uc U t t t u u Redressement Triphasé commandé Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 39 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 40 Le montage à anode commun Le montage à cathode commun C.S Uc Charge ic R Source Th 1 V Th1 Th 3 K Th 2 i V 1 V 2 V 3 N R S T A C.S Uc Charge ic R Th 1 V Th1 Th 2 Th 3 Source i V 1 V 2 V 3 N R S T Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 41 Commande Numérique G4 K4 G1K1 Synchronisme Va Réglage de o RAZ G5 K5 G2K2 G6 K6 G3K3 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 42 Redressement commandé simple alternance Montage à cathode commun Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 43 Lestroisthyristorsontleurscathodessoumisesaumêmepotentiel. Ce pont nécessite un seul générateur d’impulsion qui délivre des impulsions décalées d’un tiers de période entre elles. Uc ic R N V 2 S i Th2 V 3 T i Th3 V 1 i Th1 R Th 1 V Th1 Th 2 Th 3 Le montage redresseur P3 à thyristors est constitué de trois thyristors, connecté chacun à une phase du réseau triphasé. Si l’angle d’amorçage est α à partir de θ=π/6 qu’on appelle l’angle d’amorçage naturel, la séquence d’amorçage est la suivante : Th1, Th2, Th3, Th1, ..etc. 2 Cas se présentent : α π/6 : conduction discontinu u(rad) 2t 0 2 π 6 7π 3 4π 6 11π V1 V2 V3 t 3 π 3 5π Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 44 6 5π 2 3π 6 π Uc Th V3 V1 V2 V3 Th2 Th1 Th3 Th3 Etat des thyristors Tension aux bornes de Uc Commutation naturelle Commutation naturelle u(rad) 2t 0 2 π 6 7π 3 4π 6 11π V1 V2 V3 t 3 π 3 5π Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 45 Montage PD3 commandé o < t/6 6 5π 2 3π 6 π Charge resistive Uc Th V3 V1 V2 V3 Th2 Th1 Th3 Th3 Etat des thyristors Tension aux bornes de Uc o o o U C (t) Uc Th u(rad) 2t 0 2 π 6 7π 3 4π 6 11π V1 V2 V3 t 3 π 3 5π Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 46 6 5π 2 3π 6 π V3 0 V1 V2 V3 Th2 Th1 Th3 Th3 0 0 Charge resistive Etat des thyristors Tension aux bornes de Uc Montage PD3 commandé o > t/6 o o o U C (t) i C (t) Uc Th Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 47 u(rad) 2t 0 2 π 6 7π 3 4π 6 11π V1 V2 V3 t 3 π 3 5π Montage PD3 commandé o < t/6 6 5π 2 3π 6 π V3 V1 V2 V3 Th2 Th1 Th3 Th3 Etat des thyristors Tension aux bornes de Uc o o o Charge inductive U C (t) Uc Th u(rad) 2t 0 2 π 6 7π 3 4π 6 11π V1 V2 V3 t 3 π 3 5π Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 48 o o o 6 5π 2 3π 6 π Charge inductive V3 V1 V2 V3 Th2 Th1 Th3 Th3 Etat des thyristors Tension aux bornes de Uc Montage PD3 commandé o = t/6 U C (t) Uc Th u(rad) 2t 0 2 π 6 7π 3 4π 6 11π V1 V2 V3 t 3 π 3 5π Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 49 o o o 6 5π 2 3π 6 π Montage PD3 commandé o > t/6 Charge inductive V3 V1 V2 V3 Th2 Th3 Th3 Etat des thyristors Tension aux bornes de Uc Th1 U C (t) Uc Th u(rad) 2t 0 2 π 6 7π 3 4π 6 11π V1 V2 V3 t 3 π 3 5π Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 50 o 6 5π 2 3π 6 π Montage PD3 commandé o > t/2 Charge inductive V3 V1 V2 V2 Th2 Th3 Etat des thyristors Tension aux bornes de Uc Th1 U C (t) o o Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 51 Charge inductive V1 V2 V3 u(rad) 2t 0 2 π 6 7π 3 4π 6 11π t 3 π 3 5π 6 5π 2 3π 6 π Montage PD3 commandé o = t/6 α ≤ π/6, la valeur moyenne de la tension redressée est positive, il en est donc de même pour la puissance active fournie par le réseau au récepteur (P=U cmoy I c ); le transfert de puissance se fait ducoté alternatif vers le coté continu, le système fonctionne en redresseur. U C (t) Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 52 Charge inductive α > π/2, la valeur moyenne de la tension redressée est négative, il en est donc de même pour la puissance active fournie par le réseau au récepteur (P=U cmoy I c ); le transfert de puissance se fait ducoté continuvers le coté alternatif, le système fonctionne en onduleur ou redresseur inversé. Le réseau continu néanmoins à imposer la fréquence et à fournir de la puissance réactive, d'où la précision parfois ajoutée dans la dénomination d'onduleur non-autonome. Montage PD3 commandé o > t/6 u(rad) U C (t) Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 53 Charge inductive Tension moyenne Uc(t): ) cos( . V 2π 3 3 U max cmoy o = ) cos( . V .R 2 3 3 R U I max cmoy cmoy o π = = Courant moyenneic(t): ( ) dθ i 2 1 dt t i T 1 I 6 7π 2 π c T 0 D1 D1moy } } = = t Courant qui traverse une diode 3 I I cmoy D1moy = } } + + + = = = >< 3 2 2 6 max T C cmoy .dθ sin . V 2π 3 (t)dt U T 1 Uc U t o t o t u Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 54 ) cos( 2 V . 3 3 U max C o t = α(rad) Ucmoy[V] Redresseur Onduleur P P max V 2π 3 3 t 2 π Caractéristique de réglage Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 55 2 cas : α < 90° alors Uc>0 ) cos( V . 3 3 U max C o t = α > 90° alors Uc < o t o t 2 6 2 1 T C cmoy ).dθ V - V 2π 6 (t)dt U T 1 Uc U Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Redressement commandé Mixte Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 61 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene N A Uc ic L R k V 2 S Th 2 Th 1 V 1 i R V 3 T Th 3 V 3 T D 6 D 4 D 4 V 1 i R D 5 V 2 S Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 62 Le pont mixte symétrique : Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene 0 Charge inductive 6 π 6 5π 2 3π 2 π 6 7π 6 11π V1 V2 V3 Uc[V] U C (t) V K (t) V A (t) Etat des thyristors Tension aux bornes de Uc Tension simple Tension composée U 31 U 23 U 12 U 13 U 21 U 32 U 32 U 32 Th3-D5 0 U 13 Th1-D6 0 U 21 Th2-D4 o o o U C = V K - V A Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 63 t 2t 0 3 π 3 2π 3 4π 3 5π u(rad) pour α = π/2. Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA Redressement triphasés 64 Charge inductive Tension moyenne Uc(t): ( ) ) cos( 1 . V 2π 3 3 U max cmoy o + = ) cos( . V .R 2 3 3 R U I max cmoy cmoy o π = = ( ) } } + ÷ = = = >< 6 7 6 3 1 T C cmoy .dθ V V 2π 6 (t)dt U T 1 Uc U t o t } + ( ¸ ( ¸ | . | \ | = >< 6 7 6 max .dθ 3 4 - sin - sin . 2π 3V Uc t o t t u u Courant moyenne Ic(t): USTHB, Faculté d’Electronique et Informatique Bab-Ezzouar, Alger, ALGERIE http://www.usthb.dz CONVERTISSEURS AC/AC GRADATEUR Dr.F.BOUCHAFAA Convertisseurs AC/AC 3 PLAN DE TRAVAIL PLAN DE TRAVAIL Introduction Gradateur monophasé charge résistive Gradateur monophasé charge inductive Conclusion 1 2 5 Gradateur triphasé 3 Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene 4 Dr.F.BOUCHAFAA 4 Convertisseurs AC/AC Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA 5 Lesgradateursoulescyclo-convertisseurssont desconvertisseursde l'électronique de puissance qui assurent directement la conversion alternatif-alternatif. Alimentés par une source de tension alternative monophasée ou polyphasée, ils permettent d'alimenter en courant alternatif le récepteur branché à leur sortie. Onutilise ungradateur chaque fois que l’ona besoinde l’alternative variable alors que l'énergie électrique est disponible en alternatif fixe. Les gradateurs ont un très vaste domaine d'applications. · Sur charge résistive : application à l'éclairage · Sur charge R-L : variation de vitesse de moteur · Charge inductive : compensation d'énergie réactive Convertisseurs AC/AC Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Gradateur monophasé Ve Vs Commande Th1 Th2 Unmontagegradateurpermetd’obtenirunetensionalternativevariablede fréquence constante ou variable, à partir d’une source alternative. Dr.F.BOUCHAFAA 6 Convertisseurs AC/AC Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Source alternative Récepteur alternatif Gradateur Action sur la valeur efficace I t I t I t D- Conversion Alternatif – Alternatif (AC/AC): 2. Soit convertir unetensionalternativedevaleur efficacefixeenunetension alternativedevaleur efficacevariableet defréquencevariableinférieureà la fréquence de la source. C’est le cyclo-convertisseur. 1. Soit convertir une tension alternative de valeur efficace fixe en une tension alternative variable. C’est le gradateur Dr.F.BOUCHAFAA 7 Convertisseurs AC/AC Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene ) .sin( 2 . V (t) V eff e ω.t = Une tension alternative sinusoïdale est définie par l'équation : V eff : tension efficace (V) ω = 2.π.f = 314 rd/s ω : la pulsation (rd/s) Rappels Dr.F.BOUCHAFAA 8 Convertisseurs AC/AC Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Gradateur monophasé Dr.F.BOUCHAFAA 9 Convertisseurs AC/AC Partie commande Partie puissance Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Introduction VTh Ungradateurest uninterrupteurstatiquecaractériserparunfonctionnement avec un phénomène de commutation naturelle. Th1 Uc ic R Th2 CommandeNumérique Va K1 G2 K2 G1 G2 K2 K1 V V Synchrone Réglage de α RAZ G1 Ve Tr V1 i1 i2 Dr.F.BOUCHAFAA 10 Convertisseurs AC/AC Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Quandonenvoieuneimpulsionsur lagachêted’undesdeuxthyristors, celui-ci conduit si la tension appliqué entre son anode et sa cathode est positive puis il se bloque lorsque le courant qui le traverse s’annule. Le fonctionnement du gradateur monophasé doit être envisagé suivant la nature de la charge Etude du fonctionnement L’élément de base est formé de deux thyristors montés en têtes bêches (ou en anti-parallèle) et placés entre la source et le récepteur. La source de la tension Ve est supposéeparfaite; ellefournit une tension sinusoïdale. Introduction Dr.F.BOUCHAFAA 11 Montage d’un gradateur monophasé alimentant une charge résistive. Va Commande Ve(t) i Source ic Uc Charge C.S Th1 Th2 V Th Convertisseurs AC/AC Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Débit sur une charge résistive R ic R Uc Va Commande Th1 Th2 V Th Dr.F.BOUCHAFAA 12 Étude du fonctionnement t u(rad) 2t 0 2 π 2 3 π Va V a (u) V max Ve(t) i a b u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π Vb V b (u) V max Pour le thyristor Th1, il est commandable de [0,π] Dés que la tension d’entrée Ve est positive et un amorçage de thyristor en agissant sur sa gâchette (i G ≠0)à l’instanto, cedernierdevient passantjusqu'àcequelecourantquile traverse s'annule. u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π Ve V e (u) V max Pour le thyristor Th2, il est commandable de [π,2 π] Convertisseurs AC/AC Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA 13 Étude du fonctionnement ic R Uc Va Commande Th1 Th2 V Th Ve(t) i a b u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π Ve V e (u) V max o o u(rad) 2t 2 3π t 2 π V max V Th (t) i C (t) I max max U C (t) o o ic Ve/R 0 0 Th Th1 Uc Ve 0 V Th Ve 0 0 Ve 0 Ve Ve/R Th2 Commelachargeestrésistive, le courant et la tension sont en phase. Etat des thyristors Tension aux bornes de la charge Tension aux bornes de thyristor Courant traversant la charge U Th =V e -U C Convertisseurs AC/AC u(rad) 2t 2 3π t 2 π i C (t) I max o o Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene | | | | | | | | ¦ ¦ ¹ ¦ ¦ ´ ¦ +e +e = t t o t o u t o t o u u 2 , , pour θ sin max , , 0 pour 0 ) ic( I | | | | | | | | ¦ ¹ ¦ ´ ¦ +e +e = t t o t o u t o t o u u 2 , , pour 0 , , 0 pour θ sin ) ( V V max Th | | | | | | | | ¦ ¹ ¦ ´ ¦ +e +e = t t o t o u t o t o u u 2 , , pour θ sin , , 0 pour 0 ) Uc( Vmax La tension Uc(t) : Le courant ic(t) : La tension V Th (t) : o o 2t 2 3π t 2 π u(rad) -V(α) V(α) Dr.F.BOUCHAFAA 14 u(rad) o o u(rad) 2t 2 3π t 2 π V max U C (t) o o Convertisseurs AC/AC Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene dθ . .sin V π 1 dθ . .sin V 2 1 dθ ) ( U T 1 U 2 π α max 2 2 2π 0 max 2 T 0 2 c 2 ceff u u t u } } } = = = ) 2 2 sin 1 ( V U eff ceff t o t o + ÷ = ) 2 2 sin 1 ( R V I eff eff C t o t o + ÷ = Débit sur une charge résistive R La tension efficace de Uc : La valeur efficace de la tension de sortie Uc peut être ajustée en fonction de la valeur de l’angle de retard à l’amorçageo. Le courant efficace ic(t) : La tension maximale à supporter par le thyristor en inverse est: V Thmax =-V max Dr.F.BOUCHAFAA 15 Convertisseurs AC/AC α(rad) t 0 2 π U ceff (α) Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Caracteristique de réglage ) 2 2 sin 1 ( V U eff ceff t o t o + ÷ = Dr.F.BOUCHAFAA 16 Convertisseurs AC/AC Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA 17 α(rad) t 0 2 π P(α) ) 2 2 sin 1 ( V U P 2 eff 2 eff C t o t o + ÷ = = R R | | . | \ | = | . | \ | c c = 0 P max o P | | . | \ | = ( ¸ ( ¸ + ÷ c c 0 ) 2 2 sin 1 ( V . 2 eff t o t o o R ( ) t o o k 2 0 0 1 ) 2 cos( + = ¬ = + ( ) R V 2 0 P P 2 eff max = + = = t o k Convertisseurs AC/AC Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Débit sur une charge inductive (R-L) Montage d’un gradateur monophasé alimentant une charge inductive Va Commande C.S Th1 Th2 V Th Ve(t) i Source L ic Uc Charge R Dr.F.BOUCHAFAA 18 Convertisseurs AC/AC Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Débit sur une charge inductive (R-L) Dr.F.BOUCHAFAA 19 Uc ic Ve(t) i R Th V Th L ( ) ( ) t sin V t Ri dt t di L max c c ω = + Le thyristor Th conduit dés que la tension Ve est positive et un amorçage au niveau de sa gâchette (i G ≠0). Pour le courant ic(t), on assiste à un régime transitoire régit par l’équation différentielle suivante: La résolution de l’équation différentielle est: ic(t)=ic H (t)+ic p (t): ic H (t) est le courant homogène ic P (t) est le courant particulier 0 Ri dt L cH cH di = + Le courant homogène: R L τ= Constante du temps électrique e τ t cH K. (t) i ÷ = Avec: Convertisseurs AC/AC Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA 20 Le courant particulier Ve R.I I . j.L cp cp = + e ( ) ¦ ¦ ¦ ¹ ¦ ¦ ¦ ´ ¦ | . | \ | = + = = + = ÷ R L ω L ω R Z Z Ve . I : Avec j.L ω R Ve I tg 1 2 2 cp cp ¢ e cp cp V Ri dt L di = + En régimepermanent: ( ) Ve j.L R . Icp = + e Le courant générale est: ) t sin( V (t) i max cp ¢ e + = Z Ainsi: ) t sin( Z V K. (t) i (t) i (t) i max τ t cp cH c e ¢ e + + = + = ÷ Convertisseurs AC/AC Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA 21 On remarque la superposition du régime transitoire (terme exponentiel) et du régime permanent faisant apparaître le déphasage ¢ du courant sur la tension. Le courant ne s’annule pas pour u=t, mais un peu au-delà en u 0 (u 0 =t+¢). Condition initiale à: 0 ) ( ic = ¬ = o o u l’expression générale i C (t) est: ( ¸ ( ¸ + + = ÷ ÷ e L ) ( max c ). sin( - ) t sin( Z V (t) i e o e ¢ o ¢ e t R Le courant générale est: ) t sin( Z V K. (t) i (t) i (t) i max τ t cp cH c e ¢ e + + = + = ÷ 0 ) sin( Z V K. max τ. e = + + ÷ ¢ o e o e L max ). sin( Z V K e o ¢ o R + ÷ = D’où : Convertisseurs AC/AC Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA 22 - Un déphasage (φ) entre la tension et le courant α< φ α= φ α> φ -Angle d’amorçage (α) Deux grandeurs à gérer : - Le déphasage (φ) Ainsi: u(rad) o t+o i G2 u(rad) o o i G1 π φ u(rad) o t+o i G2 A u= φ , avec φ > π, ic =0 A u= φ , avec φ > π, ic =0 φ φ Débit sur une charge inductive (R-L) Convertisseurs AC/AC 2t 0 2 π 2 3 π t Ve V max Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA 23 ■ Cas où o= ¢ | | ) t sin( V ic(t) max ¢ e ÷ = Z u(rad) u(rad) t 2t 0 2 π 2 3 π Ve V e (u) V max o o φ φ Convertisseurs AC/AC Th φ φ o o Université des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Dr.F.BOUCHAFAA 24 ■ Cas où (¢