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FONCTION DISTRIBUER : CONVERTISSEURS STATIQUES
I. Introduction
I.1. Ncessit de la conversion dnergieLes diffrents rseaux lectriques industriels alimentent de nombreux actionneurs. Cette nergie apparat
sous deux formes : alternative (tensions ou courants sinusodaux valeur moyenne nulle) oucontinue.
Suivant le type dactionneur, il est ncessaire dadapter la forme de lnergie fournie par le rseau. Les
diffrentes possibilits apparaissent comme ci-dessous :
II. RedresseursII.1. GnralitLe redressement est la conversion d'une tension alternative en une tension continue.
On utilise un convertisseur alternatif-continu pour alimenter un rcepteur en continu partir du rseau de
distribution alternatif.
II.2. Redresseurs non commands
Dans ses redresseurs, llment commutateur utilis est la diode
II.2.1. Schma synoptique
II.2.2. Diode
La diode est un diple passif polaris.
En lectrotechnique, la diode est quivalente un interrupteur unidirectionnel non command.
Caractristique dune diode parfaite
Aspect : Remarque :
Symbole :
Jonction :
Source continue Rcepteur continu
Source alternative Rcepteur alternatif
Hacheur
Gradateur
Redresseur
Source
alternative ( )
Redresseur ou
commutateur
Rcepteur
courant continu
i
vAK
Diode passante
vAK = 0 ; i > 0
Diode bloque
vAK < 0 ; i = 0
Diode se comporte commeun interrupteur ferm
Diode se comporte commeun interrupteur ouvert
vAK
A Ki
Repre de la
cathode
Cette caractristique parfaite
est utilise pour comprendre
le fonctionnement deprincipe des convertisseurs
statiques en
lectrotechnique. Elle ne
convient pas en lectronique
A KP NAnode Cathode
Onduleur
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II.2.3. Redressement monophas
II.2.3.1. Redressement simple alternanceSchma
Analyse du fonctionnement Oscillogrammes
La diode est parfaite
v () = V2 sin 0 < < v > 0 alternance positive
D est passante (interrupteur ferm) vD = 0
Loi des mailles donne : v vD u = 0
Donc : u = v >0
< < 2 v < 0 alternance ngative
D se bloque (interrupteur ouvert) i= 0
Grandeurs caractristiques
Valeur moyenne de la tension u
u = V2/ Pour trouver ce rsultat, il faut intgrer :
La valeur moyenne se mesure avec :
un voltmtre analogique ( aiguille) magntolectrique (symbole : )
un voltmtre numrique sur la position DC (continue, =)
Valeur efficace de la tension u
U = V2/2 Pour trouver ce rsultat, il faut intgrer :
La valeur efficace se mesure avec
v est la tension dentre du pont.u est la tension de sortie.
R est la charge rsistive.
VDR
u
i
v
i = 0
u = Ri = 0vD = v
iD = 0
VDR
u
i
v
VD = 0
u = vi = u/R = v/R
iD = i
VD Ru
i
v
D
iD
v
u
i
vD
iD
0 2 3 4
Diodes passantes
D D D
u =1
T u(t) dt1
2 u() d=
U2 = 1T
u2(t) dt 12
u2() d=
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un voltmtre analogique ferromagntique (symbole : )
un voltmtre numrique dit RMS capable de mesurer la valeur efficace dune tension de formequelconque. RMS : Root (racine carr) Mean (valeur moyenne) Square (carr)
Pour la diode :Courant moyen : iD = i /2
Tension maximale supporte par la diode : VDmax = V2
II.2.3.2. Redressement double alternance (Pont de Gratz)II.2.3.2.1.Charge rsistive
Analyse du fonctionnement Oscillogrammes0 < < v > 0 vA > vB
D1 et D4 sont passantes vD1 = 0 et vD4 = 0
(Interrupteurs ferms)
Le courant i circule la maille suivante :
A D1 R D4 B
< < 2 v < 0 vB > vA
D2 et D3 sont passantes vD2 = 0 et vD3 = 0(Interrupteurs ferms)
Le courant i circule la maille suivante :
B D3 R D2 A
i
D4D2
D3D1
iD1u
i'
vD1
RA
B
v
M
N
i
D4D2
D3D1 u
i'
vD1
RA
B
v
M
N
u = vM vN = vA vB = v
i = u / R = v / R et i = i
vD1 = vD4 = 0 et vD3 = vD2 = v
i
D4D2
D3D1
u
i'
vD1
RA
B
v
M
N
u = vM vN = vB vA = - v
i = u / R = -v / R et i = - i
vD2 = vD3 = 0 et vD1 = vD4 = v
v
u
i
vD1
iD1
0 2 3 4
Diodes passantes
D1 et D4 D1 et D4 D1 et D4D2 et D3 D2 et D3
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Grandeurs caractristiques
Valeur moyenne de la tension u
u = 2V2/
Valeur efficace de la tension u
U = V
Pour les diodesCourant moyen : iD = i /2
Tension maximale supporte par les diodes : VDmax = V2
II.2.3.2.2. Charge R, L, E
Analyse du fonctionnement Oscillogrammes
En lectronique de puissance, pour de forts dbits du
courant, le lissage se fait par une inductance.
Londulation du courant alors diminue.
Le courant ne passe plus par zro.
Cest le rgime de conduction ininterrompue ou continue.
Si linductance est assez grande, on peut considrer
le lissage comme parfait : le courant i est constant.
La tension u est impose par le rseau, traversle transformateur et le pont de Gratz.
Le courant i est liss par la bobine dinductance L.
Son intensit est impose par la charge R, E.
Pour les autres grandeurs :Alternance positiveiD1 = i
i' = i
vD1 = 0
i
D2D4
D3D1
i1u
i'
VD1
R
A
B
v
M
N
L
E
v
u
i
vD1
iD1
0 2 3 4
Diodes passantes
i'
D1 et D4 D1 et D4 D1 et D4D2 et D3 D2 et D3
Alternance ngativeiD1 = 0
vD1 = -u = v
i = -i
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II.2.4. Redressement triphas
Lorsque la puissance demande par le rcepteur atteint une certaine valeur (> 10 KW), il est intressant
de lalimenter partir du rseau triphas.
II.2.4.1. Charge rsistive
Schma de montage
Analyse du fonctionnement Oscillogrammes
vM = v1,v2 ou v3 la plus positive l'instant considr :
vM est constitue donc par les calottes suprieures
des sinusodes v1, v2, v3.
vN = v1,v2 ou v3 la plus ngative l'instant considr :
vN est constitue donc par les calottes infrieures
des sinusodes v1, v2, v3.
La tension u = vM - vN.Elle est priodique, de priode /3 en .Soit de frquence :
f = 6 x 50 = 300 Hz.
(Si la frquence du rseau est 50 Hz)
/6 < < /2vM = v1 = V2 sin vN = v2 = V2 sin ( - 2/3)Le courant i circule la maille suivante :
1 D1 R D2 2
Do :
u = vM - vN = V
2
3 sin (
+/6)Le courant dans la charge :
i = u/R
Le courant dans une diode :
Le courant dans les diodes est gal :
i lorsque la diode considre est passante
0 si la diode est bloque.iD1 = i lorsque D1 conduit
Le courant demand par la source triphase :
i1 = iD1 - iD1 (loi des nuds)
Lorsque /6 < < 5/6 i1 = i Lorsque 7/6 < < 11/6 i1 = - i
Le pont redresseur comporte:
3 diodes pour l aller : D1; D2; D3;
3 diodes pour le retour : D1; D2; D3;
Les diodes sont arfaites
i
D3D1
D3D1
iD1
ui1
VD1
v1
M
N
E
D2
D2
v2
v3
R
iD1
12
3
v1 v2 v3
2/6 /2
v1 v2 v3
2/6 /20
v1 v2 v3
2
D1
D2
D3
D1
D2
D3
u
vD1
i1
u32 u12 u13 u23 u21 u31 u32 u12
0 1 1 0 0 0 0 1
0 0 0 1 1 0 0 0
1 0 0 0 0 1 1 0
0 0 0 0 1 1 0 0
1 1 0 0 0 0 1 1
0 0 1 1 0 0 0 0
0 0 0 u12 u12 u13 u13 0
0 i i 0 - i - i 0 i
/6 /2
u
i
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Grandeurs caractristiques
Valeur moyenne de la tension u
Pour trouver ce rsultat, il faut intgrer : Soit :
Pour les diodesCourant moyen : iD = i / 3
Tension maximale supporte par la diode : VDmax = V32
II.2.4.2. Charge RLEAnalyse du fonctionnement
II.3. Redresseurs monophass commands
Lintrt du redressement command et quil permette de faire varier la tension moyenne en sortie du
pont et donc de faire varier par exemple la vitesse de rotation dun moteur courant continu.
II.3.1. Symbole synoptique :
II.3.2. Thyristor
En lectrotechnique, le thyristor est quivalent un interrupteur unidirectionnel command la fermeture.
Aspect: Il comporte 3 broches. Il faut se rfrer un catalogue pour connatre lordre du brochage.
Description et symbole
2 lectrodes principales : anode et cathode
1 lectrode de commande : gchette
u =1
T u(t) dt6
2 V23 sin ( + /6)d=/2
/6
i
D3D1
D3D1
iD1
ui1
vD1
v1
M
N
E
D2
D2
v2
v3
R
iD1
1
3
L
2
vAK
A K
G
P N P N
A K
G
Anode Cathode
Gchette
Linductance L est suffisante pour que le courant i soit
considr constant.
La tension u a la mme forme que le montage prcdent
(c..d. charge rsistive).
33 V2u =
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Amorage dun thyristor On ferme K1 : lampe est teinte donc Th est bloqu.
On ferme K2 : lampe sallume donc Th est passant.
On ouvre K2 : lampe reste allume donc Th est passant.
On ouvre K1 : lampe steint donc Th se bloque.
On ferme K1 : lampe reste teinte donc Th est bloqu.
Conclusion :Pour amorcer un thyristor : il faut que la tension vAK soit positive et un courant de gchette suffisant le temps
que iAK stablisse. Le thyristor se comporte alors comme un interrupteur ferm.
Pour bloquer le thyristor : il faut annuler le courant iAK ou appliquer une tension vAK ngative. Le
thyristor se comporte alors comme un interrupteur ouvert.
II.3.3. Redressement simple alternance
II.3.3.1. Charge rsistiveSchma de montage Oscillogrammes
Analyse du fonctionnementLe thyristor est suppos parfait.
v () = V2 sin 0 < < v > 0
Pas dimpulsion sur la gchette : u = 0 et i = 0
Loi des mailles donne : v vAK u = 0 vAK = v u = v >0
donc le thyristor est susceptible dtre amorc.
Lamorage seffectue avec le retard t0, qui correspond
langle =.t0 appel langle de retard lamorage,aprs chaque dbut de priode T.
= le thyristor est amorc
= Le courant i sannule ce qui bloque le thyristor.
< < 2 v < 0Si lon envoie un courant de gchette alors que la tension est ngative, le thyristor reste bloqu
R iG
vT R u
iv
T
iT
vT = 0
u = vi = u/R = v/R
i = 0
u = Ri = 0vT = v
vTR
u
iv
vT R u
i
v
v
u
i
vT
iT
0 2 3 4
Thyristors passants
T T
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Grandeurs caractristiquesValeur moyenne de la tension u Valeur efficace de la tension u
u = V2/ . (1+cos ) /2 U = V2/2 . (1- / + sin2/ 2)
Tension maximale supporte par le thyristor : vTmax = V2
II.3.4. Redressement command double alternance
II.3.4.1. Pont mixteII.3.4.1.1. Charge rsistiveSchma de montage
Analyse du fonctionnement Oscillogrammes
= : v > 0 vA > vBLe thyristor T1 est susceptible dtre amorc.
Il est amorc, le courant i circule la maille :
A T1 charge D2 B
On en dduit que :
Lorsque franchit v < 0 vB > vAle thyristor T2 est susceptible dtre amorc
mais il ne sera amorc que lorsque = + .Par contre D2 se met conduire ds que > Ainsi ( < < + ), la charge est court-circuitepar T1 et D2 do u = 0
= + : v < 0 vB > vAT2 est amorc, le courant i circule la maille :
B T2 charge D1 A
On en dduit que :
Grandeurs caractristiques
Valeur moyenne de la tension u Valeur efficace de la tension u Tension max supporte par les lments
u = 2V2/ .(1+cos ) / 2 U = V.(1- / + sin2/ 2) vTmax = vDmax = V2
u = vM vN = vA vB = v
i = u / R = v / R
i = ivT1= vD2 = 0
vT2 = vD1 = v
u = vM vN = vB vA = - v
i = u / R = -v / R
i = - i
vT2 = vD1 = 0
vT1 = vD2 = v
Les thyristors et les diodes sont supposs parfaits
i
D2D1
T2T1
iT1
u
i'vT1
RA
B
v
M
N
iD1
v
u
i
vT1
iT1 et iD2
0 2 3 4
Elments passants
T1 et D2 T1 et D2T2 et D1 T2 et D1
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III. Onduleur monophasIII.1. DfinitionUn onduleur est un convertisseur continu - alternatif
Il est autonome lorsquil impose sa propre frquence la charge.
Symbole synoptique
III.2. Interrupteurs lectroniquesLinterrupteur peut tre transistor (ou thyristor si grande puissance), plus une diode de rcupration
(indispensable si la charge est. inductive).
III.3. Principe de fonctionnement : dbit sur charge rsistiveIII.3.1. Commandesla commande dans un onduleur peut tre : symtrique, dcal ou MLI
III.3.1.1. Commande symtrique
Il sagit dactionner alternativement les interrupteurs K1 et K2 (K1, K4 et K2, K3) durant des intervalles de
temps rguliers.
Montage
Analyse du fonctionnement Oscillogrammes
u
i
K1
K2
V+
i1
K3
K4
Onduleur en pont quatre interrupteurs
v1u
i
K1
K2
V
+
+
V
i1
Onduleur en demi-pont deux interrupteurs
v1
Montageen demi-pont
0 < t < T/2
K1 est ferm v1 = 0
K2 est ouvert i2 = 0
u = V
i = i1 = V/R
v2 = V + u = 2.VT/2 < t
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III.3.1.2. Commande dcale (onduleur en pont)Dans la commande prcdente la tension, ainsi que le courant, sont riches en harmoniques ce qui pose des
problmes pour une utilisation avec des moteurs (pertes joules, couples pulsatoires ).
La commande dcale permet d'liminer en partie ces harmoniques et amliore donc le convertisseur.
Montage
Analyse du fonctionnement Oscillogrammes
La fermeture des interrupteurs dun bras est
dcale de l'angle 0 < t <
K1et K3 sont ferms u = 0 < t < T/2
K1et K4 sont ferms u = V
T/2 < t
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III.3.2. Utilisations
Alimentation sans coupure:En temps normal, la batterie est maintenue en
charge, mais l'nergie est fournie par le rseau via le
redresseur et l'onduleur. En cas de dfaut de rseau,
l'nergie est fournie par la batterie via l'onduleur.
Alimentation des moteurs CA f et V variables:(variateurs de vitesse pour moteur courant
alternatif)
Alimentation de charges ractives(Fours ou onduleurs " rsonance")
IV. Gradateur monophas
IV.1. Dfinition
Le gradateur monophas est un convertisseur alternatif - alternatif, capable de faire varier la tensionefficace aux bornes d'une charge monophase.
Symbole synoptique
IV.2. Interrupteurs lectroniques
Il est constitu par deux thyristors tte-bche. Pour les faibles puissances, les deux thyristors sont
remplacs par un triac.
Montage
Commandes
Les deux thyristors doivent tre commands avec le mme angle de retard pour obtenir une tension ualternative (valeur moyenne nulle).
Deux modes de commande de l'nergie transfre la source sont possibles :
commande par la phase : la variation de la valeur efficace U est obtenue en agissant sur l'anglede retard .
commande par train d'ondes : les deux thyristors sont commands plein onde pendant le tempsTon (priode de conduction) puis sont bloqus jusqu la fin de la priode de modulation .La
variation de Ton/Tc permet de commander la tension efficace U.
IV.3. Charge rsistive
IV.3.1. Commande par la phase
~~
T1
T2v
R
uuv
Triac
A1 A2
G R
A A
BB
Tension alternatif
de V eff fixe
Tension alternatifde V eff variable
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Analyse du fonctionnement Oscillogrammes
0 0 vA > vBLe thyristor T1 est susceptible dtre amorc.
A = T1 est amorc, le courant i circule la maille :A T1 R B
On en dduit que :
u = v
i = u / R = v / RT1 se bloque naturellement en = (i = 0).
vALe thyristor T2 est susceptible dtre amorc.
A = + + + + T2 est amorc, le courant i circule la maille :B R T2 A
On en dduit que :
u = v
i = u / R = v / R
T2 se bloque naturellement en = 2 (i = 0).
Grandeurs caractristiques
Valeur moyenne de la tension u Valeur efficace de la tension uSoit u = 0 (tension alternative) vTmax = V2
Tension maximale supporte par les lmentsSoit U = V.(1- / + sin2/ 2)
Domaine dutilisation de ce genre de gradateurChauffage, clairage, variation de vitesse des moteurs alternatifs de faible puissance (perceuse, aspirateurs
de quelques centaines de Watts)
En rgle gnrale, ils sont utiliss sur des systmes ne prsentant pas ou peu dinertie thermique
ou mcaniqueIV.3.2. Commande par train d'ondesDans ce type de gradateur, le signal envoy sur lentre de commande du gradateur est de type TOR.
Grandeurs caractristiquesValeur moyenne de la tension u Valeur efficace de la tension u
Soit u = 0 Soit U = V. avec =T O N/TcTension maximale supporte par les lments
vTmax = V2Remarque :
La tension aux bornes de la charge et l'intensit la traversant sont sinusodales, et pour une charge
rsistive, la consommation de puissance ractive reste nulle.
Le gradateur train d'ondes ne gnre pas d'harmoniques et ne pollue donc pas le rseau.Utilisations : Chauffage de systmes ayant une grande inertie.
Avec :
T : priode du rseau
TON : Dure du train d'ondes,(Temps de conduction)
Tc: Temps de cycle du gradateur
v
u
i
0 2 3 4
Thyristors passants
T1 T1T2 T2
T
TON
TC
u
t