Distribuer-Convertisseurs statiques

7/31/2019 Distribuer-Convertisseurs statiques

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SI - Distribuer Convertisseurs statiques page 1/12 Classe : 2 STE

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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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


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


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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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


= : 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 :


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


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


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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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).


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

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