electronique de puissance

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UNIVERSITÉ HASSAN 1 er SETTAT Faculté des Sciences et Techniques LP : Automation Industrielle Dr. Mourad ZEGRARI Chapitre ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE VARIATION DE VITESSE

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Page 1: Electronique de puissance

UNIVERSITÉ HASSAN 1er – SETTAT

Faculté des Sciences et Techniques

LP : Automation Industrielle

Dr. Mourad ZEGRARI

Chapitre ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE

VARIATION DE VITESSE

Page 2: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

2

Objectifs du cours

Acquérir les notions de base sur la variation de vitesse.

Caractériser les composants de l’électronique de puissance.

Analyser les principaux convertisseurs statiques : Redresseurs,

Hacheurs, Onduleurs, Gradateurs.

Étudier les procédés de variation de vitesse des moteurs électriques.

Page 3: Electronique de puissance

Dr. Mourad ZEGRARI

1

Chapitre ÉLÉMENTS DE LA VARIATION DE

VITESSE DES MACHINES ÉLECTRIQUES

Page 4: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

4

Plan

Intérêt de la variation de vitesse.

Composantes d’un système de variation de vitesse.

Convertisseurs statiques de l’électronique de puissance.

Caractérisation des interrupteurs électroniques.

Structures de base des convertisseurs statiques.

Pollution harmonique et facteur de puissance.

Page 5: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

Cycles de fonctionnement dans les unités industrielles :

Variation de vitesse intermittente

La variation n’est pas une nécessité absolue, c’est une phase

intermédiaire de fonctionnement (pompes, compresseurs).

Variation de vitesse continue

L’application envisagée nécessite un fonctionnement à vitesse

variable (traction, machines-outils, enrouleurs)

5

Intérêt de la variation de vitesse

© M. ZEGRARI

Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs

Page 6: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

Entraînement à vitesse constante

Couple résistant de la pompe Tr et puissance Pm constantes.

Réduction de débit de 20% :

Baisse du rendement :

6

unun P8.0PD8.0D

an

unn

a

u

P

P

P

P

Optimisation de l’énergie

© M. ZEGRARI

Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs

Page 7: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

Entraînement à vitesse variable

Couple résistant de la pompe :

Réduction du débit de 20% :

Puissance en mode réduit :

7

nn 8.0D8.0D

2nrr kT

3nrnrn kTP

n3n

3r P5.08.0kP

Réduction

de 50%

Optimisation de l’énergie

© M. ZEGRARI

Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs

Page 8: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

8

Entraînement à vitesse constante

• Baisse de rendement.

• Coût élevé.

• Mauvaise précision.

Optimisation des protocoles

© M. ZEGRARI

Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs

Page 9: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

9

nn 8.0D8.0D

2nrr kT

Entraînement à vitesse variable

• Grande souplesse.

• Meilleure précision.

Optimisation des protocoles

Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs

© M. ZEGRARI

Page 10: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

10

Exemples d’optimisation

Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs

© M. ZEGRARI

Page 11: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

11

Techniques de variation de vitesse

Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs

© M. ZEGRARI

Page 12: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

12

Schéma synoptique d’un système d’entraînement électromécanique :

Équation fondamentale de mouvement :

dt

dΩJTT rm

Moteurs

d’entraînement

Charges

mécaniques

Composantes d’un moto-variateur

Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs

© M. ZEGRARI

Variateur Moteur Réducteur Charge Source

Commande

Vs Va Tm Tc

m c

Capteur

Cosigne

Régulateur

Page 13: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

13

Évolution de la vitesse en fonction du temps :

Étude des phases de démarrage et de freinage.

Cycle de vitesse : profil

Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs

© M. ZEGRARI

Page 14: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

14

• Couple de démarrage :

• Couple d’accélération :

ard TTT

aa

t60

N2J

dt

dJT

Cycle de vitesse : Accélération

Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs

© M. ZEGRARI

Page 15: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

15

• Couple de ralentissement :

• Couple de freinage :

rrra

t60

N2J

dt

dJTT

ffrarrêt

t60

N2JTTT

Cycle de vitesse : Décélération

Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs

© M. ZEGRARI

Page 16: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

16

Accélération et décélération contrôlées.

Variation de vitesse.

Régulation de vitesse.

Inversion du sens de marche.

Protections intégrées.

État du moteur (courant, tension, couple, vitesse, température)

Fonctions d’un variateur de vitesse

Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs

© M. ZEGRARI

Page 17: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

17

Communication et supervisions ;

Alarmes et diagnostic avancé ;

Cartes multi-moteur

Fonctions évoluées

Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs

© M. ZEGRARI

Ethernet Control net

Device net

Power Flex 700S - Allen Bradley Altivar ATV58H - Télémécanique

Page 18: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

18

Fonctions des variateurs évolués

Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs

© M. ZEGRARI

Système de commutation des pompes

Page 19: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

19

Modifier la nature des grandeurs électrique (CC-CA).

Régler la puissance d’un système électrique.

Assurer conjointement, en cas de besoin, la modification de la nature

et le réglage de la puissance électrique.

Fonctions des convertisseurs

Source de l’énergie

électrique

Convertisseur

Statique

Utilisation de

l’énergie électrique

Non réversible

Réversible

(CC ou CA) (CC ou CA)

Variateurs Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs

Page 20: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

20

Classification des convertisseurs

Redresseurs

Gradateurs

Hacheurs

Onduleurs

Charge CC

Charge CA

Source CA

Source CC

+

-

Charge CA

Charge CC

• Chargeurs de batterie.

• Commande des moteurs cc.

• Systèmes d’alimentation.

• Gradateurs de lumière.

• Démarreurs électroniques.

• Variateurs de vitesse à MAS.

• Abaisseur-élévateur (tension).

• Alimentation à découpage.

• Commande des MCC.

• Alimentation sans interruption

• Fours industriels.

• Commande des MAS.

Variateurs Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs

Page 21: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

21

Un convertisseur statique comporte essentiellement :

Des interrupteurs électroniques fonctionnant, de manière périodique,

en régime de commutation (tout ou rien).

Des éléments réactifs (inductances et/ou condensateurs) permettant

le stockage intermédiaire de l’énergie électrique.

Convertisseur

Statique

Source

d’entrée

ie

Commande

Structure des convertisseurs statiques

is

Source

de sortie

ve vs

Variateurs Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs

Page 22: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

22

Dispositifs à semi-conducteurs …

• Diodes.

• Thyristors et triacs.

• Transistors (BJT, MOSFET, IGBT)

… adaptés aux dispositifs de puissances

• Courants et tensions élevés.

• Phénomènes de commutation (limites en tension et en courant).

Types des interrupteurs

Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs

Page 23: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

23

Interrupteur à 2 électrodes : Anode (A), Cathode (K)

• Conduction : VAK > 0 (conduction spontanée)

• Blocage : IA = 0 (blocage spontané)

Diode (D) : caractéristiques

Symbole

VAK

IA

Conduction

en direct

Blocage

en inverse

Caractéristique v-i

A

K

VAK

IA

Diode de puissance

Date

19

54

Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs

Page 24: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

24

Interrupteur à 3 électrodes : Anode (A), Cathode (K), Gâchette (G)

• Amorçage : VAK > 0 ET IG > 0 (amorçage commandé)

• Blocage : IA < IH OU VAK << 0 (blocage spontané)

Thyristor (SCR) : caractéristiques

Symbole

VAK

IA

Conduction

en direct

Blocage

en inverse

Caractéristique v-i

A

K

VAK

IA

Thyristor de puissance

BTW 48A-1200V

IG Blocage

en direct

Date

19

62

Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs

Page 25: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

25

Le Circuit d’Aide à La Commutation (CALC) permet de protéger contre :

Les variations importantes de la tension (dv/dt) par un circuit RC.

Les variations importantes du courant (di/dt) par une inductance L.

Thyristor : Circuit de protection

L

R Th D

C

• Th : thyristor à protéger.

• L : inductance pour protéger contre les (di/dt).

• C : condensateur pour protéger contre les (dv/dt).

• R : protège le thyristor pendant la décharge de C.

• D : permet la charge rapide du condensateur.

Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs

Page 26: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

26

Variante du thyristor rapide complètement commandé par sa gâchette :

Amorçage : maintenir un courant IG > 0.

Blocage : maintenir un courant IG < 0.

Utilisation

Convertisseurs de forte puissance (jusqu’à 10 kV et 5 000 A). Toutefois,

en raison des progrès des IGBT, leur part de marché tend à décroître.

Thyristor GTO (Gate Turn-Off)

Date

19

62

Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs

Page 27: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

27

Interrupteur à 3 électrodes : Base (B), Collecteur (E), Emetteur (E)

• Amorçage : VCE > 0 ET IB > 0 (amorçage commandé)

• Blocage : IB = 0 OU VCE << 0 (blocage commandé)

Transistor bipolaire (BJT) : caractéristiques

Symbole

VCE

IC

Conduction en direct

Caractéristique v-i

C

E

VCE

IC

Transistor bipolaire

TIP 3055 – TO 218

IB

Blocage

en direct

B

Date

19

68

Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs

Page 28: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

28

Interrupteur à 3 électrodes : Grille (G), Drain (D), Source (S)

• Amorçage : VDS > 0 ET VGS > 0 (amorçage commandé)

• Blocage : VGS 0 (blocage commandé)

Transistor à effet de champ (MOS-FET)

Symbole

VDS

ID

Conduction

en direct

Caractéristique v-i

D

S

VDS

ID

Transistor MOS-FET

en pont

IB

Blocage

en direct

G

Date

19

63

VGS Conduction

en inverse

Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs

Page 29: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

29

Interrupteur à 3 électrodes : Grille (G), Collecteur (E), Emetteur (E)

• Amorçage : VCE > 0 ET VGE > 0 (amorçage commandé)

• Blocage : VGE 0 (blocage commandé)

Transistor à grille isolée (IGBT)

Symbole

VCE

IC

Conduction

en direct

Caractéristique v-i

C

E

VCE

IC

Transistor IGBT

400 V - 12 A

VGE

Blocage

en direct

G

Date

19

95

Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs

Page 30: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

30

Dans le plan (vk, ik), le point de fonctionnement décrit un cycle au

cours d'une période. Les modes de commutation se déduisent alors

de ses positions initiales et finales.

Choix d’un interrupteur

Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs

Page 31: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

31

Amorçage

Blocage

Spontané Commandé

Spontané Diodes Thyristors

Commandé

Thyristor dual

Transistor

Thyristor avec circuit

d’e blocage.

Tableau de synthèse

Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs

Page 32: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

32

• Source de tension

• Source de courant

Caractérisation des sources

Circuit

actif vs C Source de tension

Circuit

actif is Source de courant

Variateurs Sources Convertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques

Page 33: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

33

Le convertisseur statique connecte deux sources par l’intermédiaire des

interrupteurs électroniques.

Les règles d’interconnexion des sources sont :

1. Une source de tension ne doit jamais être court-circuitée, mais elle

peut être ouverte.

2. Une source de courant ne doit jamais être ouverte, mais elle peut

être court-circuitée.

3. Ne jamais connecter entre elles deux sources de même nature.

4. On ne peut connecter directement que deux sources de natures

différentes.

Règles d’interconnexion des sources

Variateurs Sources Convertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques

Page 34: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

34

Elle met en liaison une source de tension avec une source de courant.

Séquences

Configuration de base

Conception des convertisseurs directs

Variateurs Sources Convertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques

Page 35: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

35

1ère Structure : Modifier la nature de l’une des sources.

L’élément de stockage est placé à l’extérieur du convertisseur.

Conception des convertisseurs indirects

Variateurs Sources Convertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques

Page 36: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

36

2ème Structure : Utiliser deux convertisseurs directs intercalés.

L’élément de stockage fait partie du convertisseur global.

Conception des convertisseurs indirects

Variateurs Sources Convertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques

Page 37: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

37

En pratique, les convertisseurs statiques sont le plus souvent alimentés

par des sources de tensions sinusoïdales 1~ ou 3~ :

Le courants absorbé est périodique (T)

mais non sinusoïdal :

Courant moyen :

Courant efficace :

Fonctionnement non linéaire

Variateurs Sources Harmoniques Convertisseurs Sources Interrupteurs

t T

vs is

Pulsation : = 2f = 2/T

is

vs

Dipôle

non-linéaire

Page 38: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

38

La décomposition en série de Fourrier du courant donne :

Où : et

Notion d’harmoniques

• si la fonction est paire, les coefficients bn sont nuls.

• si la fonction est impaire, les coefficients an sont nuls.

• si la fonction est symétrique, les termes d’indices pairs sont nuls.

• le terme d’indice n = 1 est appelé fondamental. Les autres

termes sont désignés « harmoniques »

Propriétés

générales

Variateurs Sources Harmoniques Convertisseurs Sources Interrupteurs

Page 39: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

39

En électronique de puissance, le courant est non sinusoïdal et déphasé

de par rapport à la tension d’alimentation :

Représentation spectrale

• termes an nuls.

• coefficients In = bn/2

t T

vs is

f 2f 3f 4f 5f nf

Fréquence

Fondamental Harmoniques

0

I1

I2

I3 I4 I5 In

Courant efficace :

Variateurs Sources Harmoniques Convertisseurs Sources Interrupteurs

Page 40: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

40

Nous définissons les puissances suivantes :

Puissance active :

Puissance réactive :

Puissance apparente :

Puissance déformante :

Puissances effectives

Puissance due uniquement au fondamental I1 du courant is.

Variateurs Sources Harmoniques Convertisseurs Sources Interrupteurs

Page 41: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

41

Le fonctionnement en mode non-linéaire met en évidence :

Facteur de puissance :

Facteur de déplacement :

Taux de Distorsion Harmonique du courant :

Facteur de crête du courant source absorbé :

Grandeurs caractéristiques

Variateurs Sources Harmoniques Convertisseurs Sources Interrupteurs

Page 42: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

42

La présence des harmoniques du courant absorbé par un convertisseur

provoque les effets suivants :

Diminution du facteur de puissance (à cause de la puissance D).

Augmentation des pertes Joule (effet accentué par l’effet de peau).

Augmentation des pertes magnétiques.

Déclassement des appareils alimentés (moteurs, transformateurs, etc.)

Création de courants homopolaires dans la ligne neutre.

Effets de la pollution harmonique

Variateurs Sources Harmoniques Convertisseurs Sources Interrupteurs

Page 43: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

43

Les effets des harmoniques peuvent être réduit par :

Connexion sur des réseaux HTA (moyenne tension) ou HTB (haute

tension) moins sensibles à la pollution harmonique.

Utilisation d’un filtre passif (par circuit RLC placé en parallèle).

Utilisation d’un filtre actif (onduleur) permettant d’absorber la

composante polluante du courant fourni par le réseau.

Synthèse de convertisseurs avec des commandes particulières, de

façon à compenser les effets des harmoniques.

Compensation des harmoniques

Variateurs Sources Harmoniques Convertisseurs Sources Interrupteurs

Page 44: Electronique de puissance

Dr. Mourad ZEGRARI

2

Chapitre REDRESSEURS – HACHEURS

VARIATION DE VITESSE DES MOTEURS CC

Page 45: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

45

Plan

Montages Redresseurs Non commandés à diodes.

Montages Redresseurs Commandés à thyristors.

Montages Hacheurs à 1 quadrant.

Montages Hacheurs à 2 et 4 quadrants.

Variateurs de vitesse des moteurs à courant continu.

Page 46: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

46

Conversion d’une source CA en une source CC :

Facteur de forme :

Facteur d’ondulation :

Redresseur

•Interrupteurs

•Éléments LC

Source

alternative Charge

ica icc

vca vcc

Principe

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

)moy(v

)eff(vFF

cc

cc

1²FF

)moy(v

²)moy(v²)eff(vFO

cc

cccc

Page 47: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

47

Grandeurs caractéristiques

Performances

FF = 1.11

FO = 48.2%

D1

R

iS

iCC

iD1

Tr

vCC vS

D3

D2 D4

ip

vp

D2 – D3 D1 – D4

iD1, iD4

ωt π 2π

vS

vCC

ωt

vCC(moy)

iCC

ωt

iCC(moy)

Vm

Im

ωt

pcc = vcc icc

Pm pCC(moy)

iD2, iD3

D1 – D4

mcc

2Vv (moy)

cc mcc

v (moy) 2Vi (moy)

R R

mcc

Vv (eff)

2 m

cc

Ii (eff)

2

Pont monophasé : PD1

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Page 48: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

48

mcc

2Vv (moy)

D1

R

iS

iCC

iD1

Tr

vCC vS

D3

D2 D4

ip

vp

L

Charge très

inductive D1 – D4

ωt

conduction

iCC

ωt

iCC(moy)

π

vCC

ωt

vCC(moy) Vm

D1 – D4 D2 – D3

π

Tension vcc doublement redressée.

Courant icc pratiquement constant.

cccc

v (moy)i (moy)

R

iD1

iS

ωt

Pont monophasé : PD1

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Page 49: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

49

Tension moyenne dans la charge :

Ondulations du courant négligeables :

cc m

3 3v moy V

2

D1 ia

icc

A

vcc

D2 D3 vAN

vBN

vCN

B

C

ib

ic

N

Source

triphasée

équilibrée R

L

Charge très

inductive

Vm

D2 D1

ωt

vAN

π 2π

vCC

ωt

vCC(moy)

iCC

ωt

iCC(moy)

ωt

D3

vBN vCN

ωt

ωt ia

ib

ic

tecc

cc CR

moyvmoyi

Pont Simple Triphasé : PS3

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Page 50: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

50

Tension vcc composée des sections les

plus positives et les plus négatives :

vcc = vXN - vYN

D1

R

ia

icc

A

vcc

D2 D3 vAN

vBN

vCN

B

C

ib

ic

N

Source

triphasée

équilibrée

Vm

ωt

vAN

π 2π

ωt

vXN

ωt

vBN vCN

ωt ia cc m

3 3v moy V

D4 D6 D5

vYN

vCC(moy)

vCC = vXN - vYN

1.73 Vm

X

Y

cc

cc

v moyi moy

R

Pont Double Triphasé : PD3

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Page 51: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

51

Principe

• L’élément redresseur est un thyristor amorcé à partir d’un circuit

d’allumage ;

• La tension obtenue est continue et réglable.

Structures

• Redressement simple ou double alternance ;

• Source monophasée ou triphasée ;

• Emploi d’un pont tout thyristors ou mixte.

Redresseurs commandés

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Page 52: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

52

T1

R

iS

icc

Tr

vCC vS

T3

T2 T4

ip

vp

Charge

résistive

Circuit

d’allumage

G1 G2 G3 G4

T2–T3 T1–T4

ωt π 2π

vS

vCC

ωt

vCC(moy)

iCC

ωt

iCC(moy)

Vm

T1–T4

cos1V

moyv mcc

R

moyvmoyi cc

cc

Angle de conduction : θcond = –

Valeurs moyennes :

Im

iT1

iS

ωt

ωt

Pont commandé PD1

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Page 53: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

53

T2–T3 T1–T4

ωt π 2π

vS

vCC

ωt

vCC(moy)

iCC

ωt iCC(moy)

Vm

Im

ωt

Pm pCC(moy)

T1–T4

mcc

2Vv moy cos

cc

cc 0

v moyi moy I

R

m 0cc

2V Ip moy cos

Les caractéristiques électriques sont :

Courbes de variation de vcc(moy) et P :

m2 V

vCC(moy)

pCC(moy)

P0 pcc 0 Redresseur

pcc 0 Onduleur

/2 /2

cc

p

s s

p moy 2 2F cos

v eff i eff

Pont commandé : marche en onduleur

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Page 54: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

54

Vm

T2 T1

ωt

vAN

π 2π

vCC

ωt

vCC(moy)

iCC

ωt

iCC(moy)

ωt

T3 T1

vBN vCN

ωt

ωt ia

ib

ic

T1

R

ia

icc

A

vcc

T2 T3 vAN

vBN

vCN

B

C

ib

ic

N

Source

triphasée

équilibrée

Sections les plus positives :

Conduction continue : 0 30°

Conduction discontinue : 30°

cc m

3 3v moy V cos

2

mcc

3Vv moy 1 cos

2 6

Pont commandé PS3

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Page 55: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

55

On converti une source CC fixe à une source CC variable.

Hacheur dévolteur : Vcc > Vch

Hacheur survolteur : Vcc < Vch

Source

continue

Charge

continue Hacheur Vcc Vch

icc ich

Tension continue variable Tension continue fixe

Montage Hacheur

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Page 56: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

56

Un transistor de puissance

fonctionnant en commutation

T

Commande

Un thyristor de puissance avec un

circuit de blocage

T

Blocage

t

vcom Signal de

commande

Source

VCC vCh D

icc T

Hacheur Charge

L’interrupteur "T" peut être :

Réalisation des interrupteurs

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Page 57: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

57

Temps de conduction : tON

Temps de blocage : tOFF

Période de hachage : Ts = tON + tOFF

Rapport cyclique : = tON / Ts

tON = α Ts

tOFF = (1 – α) Ts

Source Charge

VCC

icc

iD

iR

iC

vR vC

L

D R C

T iL

vF

Hacheur Filtre

tON tOFF

Ts = 1/fs

t

vCOM

Signal de

commande

Hacheur dévolteur (série)

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Page 58: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

58

Phase de conduction

vF = Vcc

vL = Vcc - VR

iL = iT

iD = 0

Phase de récupération

vF = 0

vL = - VR

iL = iD

iT = 0

VCC

icc = iL

iD = 0

iR

iC

vR vC

L

D R C

T iL

vF = Vcc

vL

VCC

icc= 0

iD= iL

iR

iC

vR vC

L

D R C

T iL

vF= 0

vL

Phases de fonctionnement

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheur non réversible en courant et en tension (1Q)

Page 59: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

59

Courant iL ininterrompu

(L suffisamment grande).

Tension vR constante

(C suffisamment grande). 0 t

vF

vcc

tON tOFF

vF(moy)

0 t vL

(1-α)vcc

-αvcc

0 t

iL ΔI iL(moy)

0 t

iT

0 t

iD

ccFR Vmoyvv

F ccv moy V

Lv moy 0

0

VR

Vcc

1

Formes d’onde

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Page 60: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

60

Ondulation du courant iL

Ondulation de la tension vR

cc

L min

1 Vi t t I

L

scc

ONRcc T

L

V1t

L

VVI

R

V

R

Vmoyi ccR

L

0 t

vF

vcc

tON tOFF

vF(moy)

0 t vL

(1-α)vcc

-αvcc

0 t

iL ΔI iL(moy)

0 t

vC ΔV VC(moy)

2cc

2ss

R cc

1 VT 1 TV 8 LC

V V 8 LC

Filtre de sortie

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Page 61: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

61

Source Charge

VCC

icc iD iR

iC

vR vC

L D

R C T

iL

vL

Hacheur Filtre

iT

Tension de sortie :

Ondulation de courant :

Hacheur Survolteur (parallèle)

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

ccccOFF

sR V

1

1V

t

Tv

0

VR/Vcc

1

1

2

3

4

5

0.5

scc

ONcc T

L

Vt

L

VI

Page 62: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

62

Combinaison de 2 hacheurs (série et parallèle) avec un sens de rotation :

Hacheur série : Fonctionnement en moteur.

Hacheur parallèle : Fonctionnement en récupération.

Source

VCC

icc

L D1

R

T1

ia1 Hacheur dévolteur Moteur CC

E

Source

VCC

icc

L T2

R D2

ia2 Hacheur survolteur Moteur CC

E

Source

VCC

icc

L

R

Moteur CC

E

T2

T1

ia

Hacheur 2Q

D2

D1

Hacheur réversible en I (2Q)

Variateurs de vitesse

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Hacheurs réversibles

Page 63: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

63

Combinaison de 2 hacheurs avec inversion du sens de rotation :

Hacheur série : Fonctionnement en moteur.

Hacheur parallèle : Fonctionnement en récupération.

Source

VCC

icc

L D3

R

T3

ia1 Hacheur dévolteur Moteur CC

E

Source

VCC

icc

L T2

R D2

ia2 Hacheur survolteur Moteur CC

E

Source

VCC

icc

L

R

Moteur CC

E

ia

T2

T3

Hacheur 2Q

D2

D3

Hacheur réversible en V (2Q)

Variateurs de vitesse

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Hacheurs réversibles

Page 64: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

64

Combinaison de deux hacheurs à 2 quadrants (dévolteur-survolteur) :

Hacheur à 4 Quadrants réversible en courant et en tension.

Source

VCC

is

L R

Moteur CC E

ia

T2

T1

Hacheur 2Q

D1

D2 D4

T3

Hacheur 2Q

D3

T4 va

Hacheur réversible en V et en I (4Q)

Variateurs de vitesse

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Hacheurs réversibles

Page 65: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

65

Tension moyenne :

Forme bipolaire de la tension.

0 t va

vcc

- vcc

0 t

ia ΔI ia(moy)

0 t is

a ccv moy 2 1 V

0

+Vcc

1

-Vcc

0.5

va

Hacheur 4Q : caractéristiques

Variateurs de vitesse

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Hacheurs réversibles

Page 66: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

66

Équations simplifiés :

Expression de la vitesse :

Caractéristique mécanique :

Variation de la vitesse par modification de la caractéristique du couple Tem().

Paramètres de variation de la vitesse :

Résistance d’induit : Ra

Flux inducteur :

Tension d’alimentation : Va

a a a a a

em v em2

V R I V RT mT

K K K

av

V

K

a

2

Rm

K

v emmT

Variation de vitesse des moteurs cc

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

Page 67: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

67

Procédure :

Placer une résistance Rv en série avec l’induit.

Mode de variation :

Vitesse à vide v inchangée.

Modification de la pente m de la

caractéristique mécanique. 1

Tr

Tem

v

a v

2

R Rm

K

av

V

K

Ra1 Ra2 Ra3

3 2

Entraînement à couple résistant constant

Action sur la résistance d’induit

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

Page 68: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

68

Procédure :

Varier le courant inducteur Ie d’excitation.

Mode de variation :

Modification de la vitesse à vide v.

Modification de la pente m de la

caractéristique mécanique.

Tr

Tem

a

2

Rm

K

av

V

K

1 2 3

v1 v2

Entraînement à couple résistant constant

v3

Action sur le flux inducteur

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

Page 69: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

69

Procédure :

Varier la tension Va d’alimentation de l’induit.

Mode de variation :

Vitesse à vide v déplacée.

Pente m de la caractéristique mécanique

reste inchangée.

Tr

Tem

v1

a

2

Rm

K

av

V

K

Va1 Va2 Va3

v3 v2

Entraînement à couple résistant constant

Action sur la tension d’alimentation

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

Page 70: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

70

Équation de la vitesse :

Courbes paramétrées en tension. Courbes paramétrées en couple.

a a

em v em2

V RT mT

K K

Tem

v1

Va1

Va2

Va3

v3

v2

Va

Tm1 Tm2 Tm3

Action sur la tension d’alimentation

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

Page 71: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

71

Plusieurs critères sont à prendre en considération :

Nature de la source d’énergie (continue ou alternative)

Inversion du sens de rotation

Charge entraînante ou non

Mode de freinage (naturel ou forcé)

Gamme de puissance du moteur

Mode de commande du moteur

(en couple ou en vitesse)

Structure des variateurs MCC

Tem (Ia)

(Va)

Q1

Moteur

Q4

Génératrice

Q3

Moteur

Q2

Génératrice

© M. ZEGRARI

Page 72: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

72

Redresseur

À Diodes Hacheur

Réseau

Alternatif Redresseur Commandé

À Thyristors

Convertisseur Direct

MCC

Variateurs de vitesse pour MCC

Réseau

Alternatif

Convertisseur Indirect

Hacheur

Convertisseur Direct

Réseau

Continu

MCC

MCC

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

Page 73: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

73

Hacheur 4 quadrants

Pont en H réversible en

courant et en tension. VCC

icc

ia

T2

T1 D1

D2 D4

T3 D3

T4 va

MCC

M

A

C

B

A

B

C LS

LS L

L

Double pont redresseur SCR

Redresseurs à thyristors

réversibles montés en inverse.

Modes de variation de la tension

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

Page 74: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

74

P < 5 kW

Double pont PD2 complet Pont PD2 mixte

Tem

Q1

Tem

Q1

Q4

Q2

Q3

Source Schneider Électrique gamme Rectivar

Alimentation par réseau monophasé

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

© M. ZEGRARI

Page 75: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

75

P > 5 kW

Double pont PD3 complet Pont PD3 mixte

Tem

Q1

Tem

Q1

Q4

Q2

Q3

Source Schneider Électrique gamme Rectivar

Alimentation par réseau triphasé

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

© M. ZEGRARI

Page 76: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

76

Réseau M

=

DRL

Th2 Th1

D1 D2

Schéma de principe :

Les interrupteurs statiques sont unidirectionnels en courant (non

réversible en couple).

Un seul sens de rotation.

1 quadrant de fonctionnement (Q1).

Aucune contrainte de freinage.

Montage avec pont mixte

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

© M. ZEGRARI

Page 77: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

77

Pour inverser le sens de rotation, il faut croiser les connexions

sur le moteur (inversion de polarité) à l’aide d’un contacteur :

Réseau M

= DRL

Th2 Th1

D1 D2

2 quadrants de fonctionnement (Q1 et Q3).

Les conclusions précédentes restent identiques.

Industriellement, on utilise un pont mixte avec des blocs intégrés.

Montage avec pont mixte

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

© M. ZEGRARI

Page 78: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

78

Réseau M

=

Th2 Th1

Th3 Th4

Nous utilisons le schéma suivant :

Les interrupteurs sont unidirectionnels en courant.

Nous obtenons 2 sens de rotation.

Fonctionnement sur 2 quadrants (Q1 et Q2).

Freinage statique (Q°2).

Montage avec pont complet

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

© M. ZEGRARI

Page 79: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

79

Première solution : croiser les connexions par contacteur

Solution peu retenue industriellement pas de freinage dynamique.

Les interrupteurs sont unidirectionnels en courant

2 sens de rotation.

4 quadrants de fonctionnement.

Freinage statique (quadrants Q2 et Q4).

Inversion du sens de marche

Réseau M

=

Th2 Th1

Th3 Th4

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

© M. ZEGRARI

Page 80: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

80

Deuxième solution : ajouter un deuxième pont en tête-bêche.

Les interrupteurs composés sont bidirectionnels en courant

2 sens de rotation.

4 quadrants de fonctionnement.

Freinage statique et dynamique (quadrant Q2 et Q4).

Solution rentable en cas de récupération de l’énergie.

Inversion du sens de marche

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

Réseau M

=

Th2 Th1

Th3 Th4

Réseau

T’h2 T’h1

T’h3 T’h4

© M. ZEGRARI

Page 81: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

81

Alimentation par source continue

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

© M. ZEGRARI

Redresseur

À Diodes Hacheur

MCC

Réseau

Alternatif

Convertisseur Indirect

Hacheur

Convertisseur Direct

Réseau

Continu

MCC

Le réseau continu provient :

- soit de batteries

- soit d’un redresseur à diode

Page 82: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

82

Type de hacheur : Série

Pas de freinage : Q1 Hacheur non réversible en courant.

Avec freinage : Q1 - Q2 Hacheur réversible en courant (condition à

satisfaire par les interrupteurs et par la source).

Fonctionnement à 1 sens de rotation

Tem

Q2 Q1

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

Moteur Génératrice

© M. ZEGRARI

Page 83: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

83

Type de hacheur : Pont

Réversibilité en tension (vitesse) et en courant (couple).

Freinage assuré dans les deux sens de rotation.

Les interrupteurs statiques doivent être bidirectionnels en courant.

Fonctionnement à 2 sens de rotation

Tem

Q2 Q1

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

Moteur Génératrice

Q4 Q3

Moteur Génératrice

© M. ZEGRARI

Page 84: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

84

Afin de freiner le mouvement du moteur, il faut pour dissiper l’énergie

cinétique (inertie) emmagasinée par le rotor et la charge.

Plusieurs solutions sont possibles :

Freinage mécanique (non abordé dans ce chapitre)

Utilisation d’un module de freinage (résistance électrique) pour faire

débiter la machine cc.

Renvoi de l’énergie dans la source d’alimentation.

Freinage des moteurs cc

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

© M. ZEGRARI

Page 85: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

85

Réseau M

= DRL

Th2 Th1

D1 D2

Module de

freinage

Aucune possibilité de freinage par le variateur.

Ajouter un module de freinage.

Commande par pont mixte

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

© M. ZEGRARI

Page 86: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

86

Fonctionnement aux quadrants Q1 et Q2 : Freinage par inversion

de la tension (renvoi de l’énergie sur le réseau).

Réseau M

=

Th2 Th1

Th3 Th4

Module de

freinage

Par contre, la réversibilité en courant n’est pas possible.

Solution : Rajouter un module de freinage : quadrants Q2 et Q4.

Commande par pont complet

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

© M. ZEGRARI

Page 87: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

87

Commande

Va M DRL

Ia

Vcc

T

Freinage possible sans modification de la structure si l’interrupteur

statique et la source sont réversibles en courant.

Dans le cas d’une impossibilité de la réversibilité de la source on

rajoute un module de freinage

Il faut alors surveiller la tension aux bornes de la source afin qu’elle

ne devienne pas trop importante (tenue des composants en tension).

Commande par Hacheur série

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

© M. ZEGRARI

Page 88: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

88

Commande par Hacheur en pont

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

Hacheurs 1 Quadrant

Variateurs de vitesse

Hacheurs réversibles

Freinage possible sans modification de la structure à condition que :

• les interrupteurs statiques soient réversibles en courant.

• La source d’alimentation soit réversible en courant.

En cas de non réversibilité de la source (cas fréquent en industrie), le

freinage peut être réalisé par un module de freinage placé aux

bornes de la source.

© M. ZEGRARI

Page 89: Electronique de puissance

Dr. Mourad ZEGRARI

3

Chapitre GRADATEURS – ONDULEURS

VARIATION DE VITESSE DES MOTEURS CA

Page 90: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

90

Plan

Montages Gradateurs à contrôle de phase.

Montages Gradateurs à ondes entières.

Montages Onduleurs monophasés.

Montages Onduleurs triphasés.

Variateurs de vitesse des moteurs à courant alternatif.

Page 91: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

91

Conversion d’une source CA en une source CC réglable en puissance :

Réglage par contrôle de phase : Découpage de l’onde de la source.

Réglage par train d’ondes entières.

Gradateur Source

alternative Charge

ica ica

vca vca

Principe

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Page 92: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

92

Le contrôle de la valeur efficace de la sortie s’effectue par modification

de l’angle de retard à l’amorçage de 2 thyristors en tête-bêche.

Tension efficace :

Gradateur

VAN

Charge

vch

t

N

VCh

Gradateur monophasé

2

2/2sinVeffv mch

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Pour un récepteur inductif :

Page 93: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

93

Les dispositifs utilisés sont à base de triacs ou de thyristors :

Gradateur triphasé

A

B

C

La difficulté de réglage apparaît quand le déphasage varie avec

l'état de la charge, ce qui est le cas pour un moteur asynchrone.

Gradateur triphasé

Charge

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Page 94: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

94

Fonctionnement

Variation de la valeur efficace de la

tension Vs par réglage de l’angle de

retard à l’amorçage des thyristors.

Intégration des fonctions de

protections et de contrôle avancées

(exemple : Démarreur SMC-3).

Gradateur

Q

RT

L1 L2 L3

KML

W

MAS

U V

Application : Démarreur pour MAS

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Page 95: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

95

La tension fournie par un montage gradateur présente des

harmoniques de valeur importante :

1

0.5

90 180 0

V1 / Vs

u = 90°

0.4

0.3

0.2

0.1

90 180 0

V3 / V1

30° u = 90°

60°

u = 0°

Fondamentale Harmonique 3

Problème des harmoniques

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Page 96: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

96

La présence des harmoniques entraine des pertes en puissance.

75

50

25

0.50 1 0.25 0.75

Onde pleine

= 30°

= 90°

= 120°

P1 / Pn

Rendement %

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Altération du rendement

Page 97: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

97

À l’aide d’un interrupteur à commandé périodique, on laisse

passer un certain nombre de sinusoïdes complètes.

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateur à train d’ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Interrupteur

Vs Charge

vch

t VCh

Période de la source : Ts = 1/fs

Période de commande de l’interrupteur : Tg = NTs

Durée de conduction de l’interrupteur : Tc = nTs

Tg = N Ts

Tc = n Ts

Page 98: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

98

Rapport de commande : a =n

N

Valeur efficace : Vch eff = a × Vs

Puissance de sortie : Pch = a × Ps

Applications :

• Chauffage industriel.

• Mélangeur (homogénéisation).

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Valeurs caractéristiques

Gradateurs Contrôle Phase

Page 99: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

99

Conversion d’une source CC en une source CA réglable en fréquence :

Champs d’application :

Continuité de service (Alimentations Sans Interruptions).

Productions de tensions sinusoïdales.

Variation de la vitesse des moteurs à courant alternatif.

Onduleur Source

continue Charge

icc ica

vcc vca

Structure de l’onduleur

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Page 100: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

100

Les onduleurs se classent en deux groupes :

Onduleurs à fréquence fixe : alimentations de secours en urgences

(centres hospitaliers, systèmes informatiques, centrales

téléphoniques, etc.). Ces dispositifs sont alimentés par une batterie

d’accumulateurs.

Onduleurs à fréquence variable : systèmes alimentés en courant

continu à partir du réseau alternatif par l’intermédiaire d’un

redresseur. (variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones).

Types d’onduleurs

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Page 101: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

101

Le circuit de puissance identique à celui d’un hacheurs 4Q :

4 interrupteurs électroniques.

4 diodes de récupération.

Source

VCC

icc

L R

Charge CA

ica

T2

T1

Hacheur 2Q

D1

D2 D4

T3

Hacheur 2Q

D3

T4

vca

Onduleur en pont

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Page 102: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

102

Séquences de fonctionnement

Les commandes sont symétriques :

0 t Ts/2 : amorçage de T1-T4.

Ts/2 t Ts : amorçage de T2-T3.

Onde sortie

La tension de sortie vac est alternative,

rectangulaire en créneaux.

Le taux d’harmoniques est élevé.

0 t

T1 T1 : ON

Ts/2 Ts

T1 : ON

État passant

État bloqué

0 t

T2 T2 : ON

Ts/2 Ts

0 t

T3 T3 : ON

Ts/2 Ts

0 t

T4 T4 : ON

Ts/2 Ts

T4 : ON

0 t vca

+Vcc

-Vcc

Commande symétrique

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Page 103: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

103

Tension vac en forme de créneaux symétriques

de moyenne nulle, riche en harmoniques.

Courant iac continu pour débit sur charge

inductive. La forme devient linéaire si

l’inductance est élevée.

0 t Vac – iac

0 t

vca

Composante

Fondamentale

+Vcc

-Vcc

T1-T4 : ON T1-T3 : ON

ica

vca

Ts/2 Ts

ac ccv eff V

ccac

4V 1 1 1v t sin sin3 sin5 sink

3 5 k

k : impair

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Formes d’onde

Page 104: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

104

Séquences de fonctionnement :

Les commandes sont décalées :

0 t Ts/2 : amorçage de T1.

Ts/2 t Ts : amorçage de T3.

t0 t t0+Ts/2 : amorçage de T4.

t0+Ts/2 t t0+Ts : amorçage des T2.

Tension e de sortie

0 t

T1 T1 : ON

Ts/2 Ts

T1 : ON

État passant

État bloqué

0 t

T2 T2 : ON

Ts/2 Ts

0 t

T3 T3 : ON

Ts/2 Ts

0 t

T4 T4 : ON

Ts/2 Ts

T4 : ON

0 t vca

+Vcc

-Vcc

0ac cc

s

2tv eff V 1

T

Commande décalée

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Page 105: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

105

Analyse graphique :

Les commandes sont décalées :

Tension de sortie en forme de créneaux

séparés par des intervalles où elle est nulle.

Zones mortes de largeur t0 ajustable,

permettant le réglage de la valeur efficace de

la tension de sortie.

Tension efficace de sortie :

0 t

Composante

Fondamentale

ica

vca

0ac cc

s

2tv eff V 1

T

0 t

vca

+Vcc

-Vcc

T1 : ON

T1-T3 : ON

Ts/2 Ts t0

T3 : ON

T4 : ON T2 : ON

Formes d’onde

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Page 106: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

106

Dans la technique de Modulation de la Largeur d’Impulsion (MLI ou

PWM), la génération de la tension de sortie est obtenue par

découpage de la tension redressée au moyen d’impulsions dont la

durée, donc la largeur, est modulée de telle manière que le courant

alternatif résultant soit aussi sinusoïdal que possible.

ia

t

va

t

Onde de sortie

moyenne

Modulation de la Largeur d’Impulsion MLI

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Page 107: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

107

Séquence d’amorçage en Modulation de Largeur d’Impulsions.

t

ia

t

va

Fondamentale

Formes d’onde de la commande MLI

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Page 108: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

108

Circuit produisant un système triphasé équilibré de courant :

Trois transistors sont en conduction à chaque instant.

Deux transistors d’un même bras (T1-T4) sont amorcés à 180° de décalage.

Source

continue

VCC

icc

A ia

T1 D1 T2 D2 T3 D3

T4 D4 T5 D5 T6 D6

Charge

triphasée

B

C

ib

ic

Structure de l’onduleur triphasé

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Onduleurs Monophasés

Page 109: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

109

On distingue les trois commandes suivantes :

Commande 180°

Chaque transistor est commandé pendant 180°. Les commandes de deux transistors

d’un même bras sont décalées de 120° par rapport aux transistors du bras voisin.

Commande 120°

Elle est identique à celle d’un pont triphasé à thyristors. Chaque transistor conduit

pendant le 120°, ce qui correspond à une zone vide de 60° entre la commande de

deux transistors d’un même bras.

Commande MLI

Afin d’atténuer certaines harmoniques de la tension, on module les largeurs des

impulsions. Cette technique permet d’éviter l’emploi d’un filtre encombrant et onéreux

en sortie de l’onduleur.

Commandes de l’onduleur triphasé

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Onduleurs Monophasés

Page 110: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

110

Les formes d’onde de la tension et du courant sont :

t

va

t

ia

Fondamentale

Formes d’onde : Commande 180°

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Onduleurs Monophasés

Page 111: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

111

Les formes d’onde de la tension et du courant sont :

t

ua

b

t

ia

Fondamentale

Formes d’onde : Commande MLI

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Onduleurs Monophasés

Page 112: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

112

Équations simplifiés :

Variation de la vitesse par modification de la caractéristique du couple Tem().

Paramètres de variation de la vitesse :

Nombre de paires de pôles : p

Tension d'alimentation : Vs

Résistance rotorique : Rr

Fréquence d'alimentation : fs

s

s

s

s VE

T

2

T

2

s

s

maxeL2

p3

X2

Vp3T

T

rmax

X

'Rg ; ;

Modes de variation de vitesse

Variateurs de vitesse MAS

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Onduleurs Monophasés

Onduleurs Triphasés

Page 113: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

113

Moteur 2 vitesses

DAHLANDER

Moteur DAHLANDER

Ce moteur est réalisé avec une conception particulière de l'enroulement statorique. Cette

conception permet, grâce à des connexions extérieures, de varier le nombre de paires de

pôles (p) de la machine, et par conséquent la vitesse de rotation.

On se limite en général à deux vitesses :

PV : Petite Vitesse.

GV : Grande Vitesse.

Action sur les de pôles

Variateurs de vitesse MAS

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Onduleurs Monophasés

Onduleurs Triphasés

Page 114: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

114

Solution réalisée par un autotransformateur ou un gradateur de tension.

Le couple maximal Temax est atténué Faible couple de démarrage.

Charges Tr = k.n avec service continu : Pompes, Centrifugeuses, Ventilateurs.

L’augmentation du glissement entraîne une diminution du rendement : = (1 – g)

Le glissement gmax se conserve puisqu'il est indépendant de la tension Vs.

Tem

s

Tem

Tr = k ²

V2 = 85 %

V1 = 100 %

V3 = 65 %

s

V1

V2

V3

V4

Tr = k

min max min max

MAS à

cage.

MAS à

bagues.

s

sV

T

2

maxeL2

p3T

T

rmax

X

'Rg

Action sur la tension du stator

Variateurs de vitesse MAS

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Onduleurs Monophasés

Onduleurs Triphasés

Page 115: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

115

Solution applicable uniquement aux moteurs à rotor bobiné.

Le couple maximal Tem(max) reste constant Td important tout en diminuant Id.

Charges à couple constant Tr = k : Engins de levage, Treuil.

L’augmentation du glissement entraîne une diminution du rendement.

Le glissement gc augmente avec R’r. Le rendement est diminué.

Tem

Tmax

s

Tr

Rr1 Rr0 Rr2

s

sV

T

2

maxeL2

p3T

T

rmax

X

'Rg ; ;

Variateurs de vitesse MAS

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Onduleurs Monophasés

Onduleurs Triphasés

Action sur le rotor

Page 116: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

116

L’énergie prélevée du rotor est renvoyée vers le réseau par un redresseur-onduleur.

Le glissement s’écrit :

Niveaux de rendements élevés pouvant dépasser les 90%.

Possibilité d’obtenir un freinage par récupération.

Transformateur

(m) MAS

Redresseur Onduleur Filtre

MAS triphasé

à rotor bobiné

Réseau

d'alimentation

Vdc V'dc

Vs

Vr

cos

n/n

mg

sr

Commande

des thyristors

Variateurs de vitesse MAS

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Onduleurs Monophasés

Onduleurs Triphasés

Cascade hypo-synchrone

Page 117: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

117

Tem

Tmax

s

fs

Tr

On varie la vitesse s du champ tournant par action sur la fréquence fs de la source Vs :

Le couple maximal Temax reste inchangé.

Le glissement reste pratiquement constant, le rendement est conservé.

s

sV

T

2

maxeL2

p3T

T

rmax

X

'Rg ; ;

Variateurs de vitesse MAS

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Onduleurs Monophasés

Onduleurs Triphasés

Action sur la fréquence

Page 118: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

118

Objectif : Éviter la saturation du circuit magnétique et limiter le courant à vide Is0.

Procédure : Maintenir le flux constant en ajustant la fréquence fs avec la tension Vs :

Usage général : Bon rendement et bon couple même a basses vitesses.

ttancons:V

s

s

Redresseur Onduleur à transistors Filtre

A

B

C

MAS

Vs

t

Tension instantanée

Tension moyenne

t

Is

Courant moteur

Convertisseur indirect de fréquence :

Redresseur PD3 à diodes + Onduleur à transistors IGBT.

Tension et courant fournis par

l’onduleur à MLI.

Variateurs de vitesse MAS

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Onduleurs Monophasés

Onduleurs Triphasés

Commande V/f

Page 119: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

119

Démarrage et arrêt : réglage de l'accélération et de

la décélération au moyen d’un profil de vitesse.

Variation et régulation de la vitesse : certains

variateurs sont munis d'un régulateur de vitesse

avec une boucle de retour.

Inversion du sens de rotation : cette fonction est

souvent réalisée par inversion de la consigne à

l’entrée du variateur.

Freinage : réalisé par injection du courant continu

dans le moteur avec un fonctionnement réversible de

l’étage de puissance.

Protections intégrées : contre les courts-circuits, les

surtensions et les chutes de tension, les

déséquilibres et la marche en monophasé. Variateur de vitesse pour MAS

(type ATV58H – Télémécanique)

Démarrage Arrêt

td ta

t

Variateurs de vitesse MAS

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Onduleurs Monophasés

Onduleurs Triphasés

Variateur de vitesse industriel

Page 120: Electronique de puissance

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

120

C’est une classification des moteurs asynchrones

à cage afin d’adapter leurs caractéristiques

nominales aux charges mécaniques usuelles.

Pour un moteur asynchrone, le rapport (Td/Tn) est

proportionnel à Rr alors que le rapport (Id/In) lui est

inversement proportionnel.

Couple de démarrage :

Glissement maximal correspondant :

22 s

d r sd r 2 2s s r T

V3p 3pT R' I R'

R' X

T

rmax

X

'Rg Caractéristiques normalisées des classes

NEMA des moteurs asynchrones.

Variateurs de vitesse MAS

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase

Onduleurs Monophasés

Onduleurs Triphasés

Classification NEMA