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Commande lectronique des machineslectriques


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TABLE DES MATIRES

1. CONVERTISSEUR LECTRONIQUE 1-1

1.1 Dispositifs de commutation 1-11.1.1 La diode ............................................................................................................. 1-11.1.2 Le thyristor......................................................................................................... 1-21.1.3 Le transistor ....................................................................................................... 1-31.1.4 Le triac ............................................................................................................... 1-3

1.2 Le convertisseur alternatif-continu 1-41.2.1 Le redresseur fixe monophas ............................................................................ 1-41.2.2 Le redresseur fixe triphas ................................................................................. 1-51.2.3 Le redresseur command .................................................................................... 1-9

1.3 Le convertisseur alternatif- alternatif 1-13

1.3.1 Le gradateur ..................................................................................................... 1-131.3.2 Application des gradateurs ............................................................................... 1-151.3.3 Le cycloconvertisseur ....................................................................................... 1-151.3.4 Les application des cycloconvertisseurs ............................................................ 1-16

1.4 Le convertisseur continu - continu (le hacheur) 1-161.4.1 Le hacheur dvolteur ........................................................................................ 1-171.4.2 Le hacheur survolteur ....................................................................................... 1-181.4.3 Les applications des hacheurs ........................................................................... 1-19

1.5 Le convertisseur continu - alternatif (londuleur) 1-19

1.5.1 Londuleur autonome ....................................................................................... 1-211.5.2 Londuleur monophas ..................................................................................... 1-211.5.3 Londuleur monophas en pont ........................................................................ 1-221.5.4 Onduleurs triphass autonomes ........................................................................ 1-241.5.5 Application des onduleurs autonomes ............................................................... 1-25


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1. Convertisseur lectronique

1.1 Dispositifs de commutationDans la commande lectronique des moteurs lectriques, les lments de commutation qui sontutiliss sont les suivants: la diode; le thyristor ; le transistor ; le triac.

1.1.1 La diode

La diode est constitue dun matriau semi-conducteur ( silicium ) rendu dissymtriquepar lajout de faibles quantits dimpurets.

Il en rsulte que le courant ne passe dans la diode que lorsque la tension de lanode est

suprieure la tension de la cathode. Dans le cas contraire, la diode est dite bloque. Le symbolede la diode est reprsent la Figure 1-1.

Anode Cathode

F IGURE 1-1 S Y M B O L E D UNE DIODE

La Figure 1-2 nous montre la forme physique de quelques diodes utilises en lectronique depuissance.

F IGURE 1-2 ASPECT PHYSIQUE DE QUELQUES D IODES

Les caractristiques principales dune diode sont les suivantes:

tension inverse crte; courant moyen nominal; temprature maximale.

Le tableau 1.1 donne les spcifications de quelques diodes industrielles.


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Tj: temprature maximale de la jonction

d: diamtre

l: longueur axiale

1.1.3 Le transistor

Le transistor est utilis en lectronique de puissance en rgime de commutation, cest--dire en tat satur ou en tat bloqu. Il sagit dun interrupteur qui conduit lorsquon injecte uncourant de base positif et qui est bloqu lorsque le courant de base est nul.

On utilise de plus en plus de transistors de puissance effet de champ, ceux-ci sont ralisssuivant la technologie MOS ( Mtal- Oxyde - Semiconducteur ). Lavantage de ces transistors,cest quils sont plus rapides que les transistors bipolaires conventionnels. Ils possdent aussiune trs grande impdance dentre, ils consomment donc moins de puissance quun transistor

bipolaire.

La Figure 1-4 nous montre la symbolisation dun transistor bipolaire et la Figure 1-5, celle duntransistor MOS.

B

E

C

PNP

C

E

B

NPN

F IGURE 1-4 S Y M B O L E D UN TRANSISTOR BIPOLAIRE

Grille

Drain

Source

canal N

Grille

Source

Drain

canal P

F IGURE 1-5 S Y M B O L E D UN TRANSISTOR MOSFET

1.1.4 Le triac

Le triac est utilis pour contrler, sans le redresser, le passage dun courant alternatif. Il

prsente le mme structure que le thyristor, mais possde une conduction bidirectionnelle. Leschma quivalent ainsi que le symbole sont donns la Figure 1-6.

Comme le thysistor, le triac est amorc par application dun signal sur la gachette. Dans le casdu triac, il peut tre positif ou ngatif.

A1 A2

Gachette

F IGURE 1-6 S Y M B O L E D UN TR IAC


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1.2 Le convertisseur alternatif-continuLe convertisseur C.A C.C nous donne, partir dune source de tension alternative

monophase ou polyphase, une tension continue qui peut tre fixe ou variable (Figure 1-7).

Tension alternative

monophase ou triphaseTension continu

fixe ou variable

F IGURE 1-7 CONVERTISSEUR ALTERNA TIF-CONTINU

1.2.1 Le redresseur fixe monophas

Le redresseur fixe ou non command contient seulement des diodes produisant ainsi unetension continue fixe sa sortie.

On retrouve deux types de redresseurs monophass, soit:

le redresseur simple alternance ou demi-onde; le redresseur double alternance ou pleine-onde.

Redresseur simple alternance

Le redresseur simple alternance est compos dune seule diode ( Figure 1-8) et la tensionmoyenne la charge nous est donne par lEquation 1-1.

RcVo

D

Es

Vo

Vo

t

moy

F IGURE 1-8 REDRESSEUR MONOPHAS S IMPL E ALTERNA NCE

Vo moy =Emax

EQUATION 1-1

Le redresseur double alternance en pont

Ce redresseur est ralis partir de quatre diodes monts en pont (Figure 1-9) et la tensionmoyenne la charge est donne par lEquation 1-2.


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Vo

Vo

t

moyRc Vo

D1

D4D3

D2

Es

F IGURE 1-9 REDRESSEUR MONOPHAS DOUBLE ALTERNA NCE

Vo moy =2Emax

EQUATION 1-2

1.2.2 Le redresseur fixe triphas

Le redresseur monophas est limit des puissance s pouvant atteindre 10Kw. Pouralimenter des puissamces suprieurs cette valeur, on utilise le des redresseurs triphass,

comme : Le redresseur en toile simple alternance; Le redresseur en pont.


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Le redresseur triphas simple alternance

Le redresseur triphas en montage toile reprsente la Figure 1-10 comprend untransformateur triphas dont les enroulements primaires sont branchs en triangle et lesenroulements secondaires sont branchs en toile. Une diode est place sur chaque phase et lacharge rsistive est branche entre le point K et le point neutre. Chaque diode conduit sur un

intervalle de 120. Elle laisse passer le courant dans lintervalle de temps o la tension de saphase est suprieure aux deux autres (Figure 1-11). Le courant moyen dans chaque diodequivaut au tiers du courant de charge et la frquence du signal de sortie est gale trois fois lesignal dentre.

Ce redresseur est employ que pour des montages industriels de petites puissances.

Rc

e

D2

D3

e

e

D1

L3

L2

L1

N

Erc3

2

1

F IGURE 1-10 REDRESSEUR TR IPHAS S IMPLE A LTERNANCE

Erc

t (ms)

t (ms)

e1 e3e2

Ephase max

D1 D3D2

Ephase max0,5 120o

Emoy.

F IGURE 1-11 FORME D ONDE D UN REDRESSEUR TR IPHAS S IMPLE AL TERNANCE

Valeurs caractristiques des tensions et courants:

La valeur moyenne de tension la charge est donne par lEquation 1-3.

Vo moy =3 3

20 827

E Emax , max E : tension de phase

EQUATION 1-3

Exemple 1-1:


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Dans un redresseur simple alternance triphas (Figure 1-10), la tension de phase est de 220 V 50 HZ, et la charge est une rsistance de valeur Rc=10. En ngligeant la chute de tension desdiodes, calculez:

a) la tension moyenne la charge ;

b) le courant moyen de charge ;

c) le courant moyen des diodes ;

d) la frquence du signal la charge.

Solutions:

a. Vo moy =3 3

20 827

E Emax , max

Vo moy = 0 8277 220 2, v = 256,5354V

b. Irc = VomoyRc = 256 5310, V

25,65A

c. ID =I

ARC

3

25 65

38 54

,,

d. fo= 3 x 50 hz = 150 hz

Le redresseur triphas en pont

Le redresseur triphas en pont (Figure 1-12) est un des circuits redresseurs industrielsles plus efficaces, il peut tre considr comme redresseur simple alternance anode communeet cathode commune monts en tte-bche .

Erc

L3

L2

L1D1

D6D2D4

D5D3

Rc

N

e

e

e

1

3

2

FIGURE

1-12REDRESSEUR TR IPHAS EN PONT

Considrons la reprsentation graphique des tensions triphass dalimentation (Figure 1-

13). Quand la tension de phase e1est suprieure aux tensions e2et e3, la diode D1 conduit, etles diodes D2 et D3 sont ltat bloqu. De mme la diode D6 conduit, et les diodes D5 et D6sont bloqus.

Le mme raisonnement sapplique lorsque la tension e2 est suprieure aux deux (2) autres.Chaque diode conduit pendant un intervalle de 120. titre dexemple, la diode D1 conduit 60avec D4 et 60avec D5. Le courant moyen dans chaque diode est gale au tiers du courant decharge. La frquence du signal la sortie quivaut six fois la frquence dentre.

Une bobine peut tre rajoute en srie avec la charge pour diminuer le taux dondulation.


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1.2.3 Le redresseur command

Les redresseurs commands permettent de contrler la tension moyenne la charge. Onles utilise surtout dans la commande des moteurs courant continu pour varier la vitesse. Onretrouve les redresseurs commands simple et double alternance pour des tensionsmonophases et triphases.

Le redresseur command monophas simple alternancePour varier la tension moyenne la charge, on utilise un thyristor qui est dclench

partir dun circuit de commande synchronis sur le secteur (Figure 1-14). On utilise en gnralla commande par rampe synchrone.

RcVo

Th

Es

commande

Vo

t

F IGURE 1-14 REDRESEUR COMMA ND SIMPLE ALT ERNANCE

En labsence de signal sur la gachette, le thyristor est ltat bloqu. Si lon applique uneimpulsion sur la gachette durant le cycle positif, le thyristor conduit. Il bloque lorsque la tension

passe zro et durant le cycle ngatif .

Tension moyenne la charge

La valeur moyenne de tension est donne par lEquation 1-5

E moy =Emax

( cos )2

1

EQUATION 1-5

Le redresseur command en pont

Dans le cas du redresseur en pont mixte avec deux thyristors et deux diodes (Figure 1-15), les deux alternances sont contrles et le circuit ncessite des signaux de gachette dphassde 180. On utilise un transformateur dimpulsion avec deux secondaires pour raliserlamorage.

La diode D5 est utilise pour assurer le blocage des thyristors dans le cas dune charge

fortement inductive (moteur lectrique). Cette diode est aussi appele (diode de roue libre).

Vo

Th1

D2D4

Th3

Es

R

LD5

VO

F IGURE 1-15 REDRESSEUR COMMAND EN PONT

Tension moyenne la charge:

La valeur de tension la charge est donne par lEquation 1-6.


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E moy =Emax

( cos )

1

EQUATION 1-6

Le redresseur command monophas en pont complet

On peut raliser un redresseur en pont en utilisant quatre thyristors (Figure 1-16). Cecircuit ncessite lutilisation de deux transformateurs dimpulsions avec chacun deuxenroulements au secondaire.

laide de ce redresseur, il est possible de fournir de lnergie au rseau parlintermdiaire du transformateur, condition que langle damorage soit suprieur 90et quela charge soit fortement inductive comme dans le cas dun moteur courant continu en priodede freinage.

Th1

Th2Th4

Th3

Es

R

LD5 VO

F IGURE 1-16 REDRESSEUR COMMAND EN PONT COMPLET

Exemple 1-3

Dans le montage en pont de la Figure 1-15 , la tension au secondaire du transformateurdalimentation est de 220 volts 50 hertz, et la charge a une impdance de 5 ohms.

Calculez:

a) la tension moyenne la charge pour un angle damorage de 120;b) la tension inverse de crte que doivent supporter les diodes et les thyristors.

Solutions:

a) E moy =Emax

( cos )

1 = E moy =220 2

1 120

( cos )O 49,36V

b) T.I.C = -Emax = -310,2VRedresseur command simple alternance (triphas)

Ce type de montage correspond trois circuits redresseurs commands monophass simple alternance qui fontionnent les uns aprs les autres (Figure 1-17).

Le circuit de commande du redresseur doit envoyer, sur la gachette des thyristors desimpulsions dcals de 120.


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Rc

e

Th2

Th3

e

e

Th1

L3

L2

L1

N

Erc3

2

1

F IGURE 1-17 REDRESSEUR COMMAND TR IPHAS S IMPLE AL TERNANCE

Tension moyenne la charge:

Lorsque langle damorage est compris entre 0 et 30, la tension la charge nest pasinterrompue. La tension moyenne la charge est donne par lEquation 1-7.

E moy =3 3

2

Emax cos

EQUATION 1-7

Quand langle damorage devient suprieur 30 , la valeur moyenne est donne parlEquation 1-8).

E moy =3

2

Emax

1 30 cos( )

EQUATION 1-8

Dans le cas dune charge fortement inductive, le circuit peut agir comme redresseur (Figure 1-19) pour un angle situ entre 0et 90, et comme onduleur (gnrateur )pour un angle au dessus

de 90. Dans ce cas-ci, le circuit fournit de lnergie au rseau (Figure 1-19).

+

-

RcepteurMontage

redresseur

Puissance active

L1

L2

L3

F IGURE 1-18 MONTAGE RE DRESSEUR

-

+

Montage

redresseur

onduleur

Gnrateur

Puissance active

L1

L2

L3

F IGURE 1-19 MONTAGE GNRATEUR OU ONDULEUR


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Ce fonctionnement est utilis en traction lectrique lors du freinage des trains ;durant la priodede freinage , les moteurs courant continu deviennent temporairement des gnratrices.

Redresseur command triphas en pont

Le redresseur en pont de la Figure 1-20 est constitu de six thyristors qui sont dclenchs tour de rle. On observe (Figure 1-21) que le thyristor Th1 est amorc quand la phase e1estdurant la priode maximum; ensuite ,cest au tour de Th2 dtre amorc 60plus tard. Le mmescnario se rpte avec les thyristors Th3 et Th4. Dans le cas de charge inductive (moteur courant continu, on branche une diode de roue libre en parallle avec la charge.

Ce circuit est plus utilis en industrie que le circuit prcdent car il offre un meilleurrendement

Erc

L3

L2

L1 Th1

Th6TH2Th4

Th5Th3

Rc

N

e

e

e

1

3

2

F IGURE 1-20 REDRESSEUR COMMAND TR IPHAS EN PONT COMPLET

F IGURE 1-21 FORME D ONDE POUR UN REDRESSEUR COMMAND TR IPHAS PONT COMPLET

Tension moyenne la charge

La tension moyenne la charge est donne par lEquation 1-9 :

E moy =3 3

Emax cos

EQUATION 1-9


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1.3 Le convertisseur alternatif- alternatifCe dispositif ( Figure 1-22) permet de convertir une tension alternative frquence fixe

en une tension alternative tension variable (gradateur) ou frquence variable

(cycloconvertisseur).

Tension alternative

monophase ou triphase

Onde alternative tension

et frquence variable

F IGURE 1-22 CONVERTISSEUR ALTERNAT IF-A L T E RNA T IF

1.3.1 Le gradateur

Un gradateur est un dispositif qui permet de contrler la puissance alternative fournie

des charges rsistives (fours lectriques, systme dclairage et des charges inductives (moteuruniversel, moteurs asynchrones,etc.)

Ce convertisseur est ralis partir de triacs pour des charges de faible puissance ou desthyristors pour des charges plus leves. On le retrouve pour des alimentations monophases ettriphases.

Le gradateur monophas

En utilisant deux thyristors monts en parallle inverse, nous pouvons contrler lapuissance dans une charge rsistive de zro sa pleine puissance (Figure 1-23). Pour obtenir desangles damorage gaux , il faut appliquer chaque thyristor des signaux de gachette isols etdphass de 180. Le sigal de commande peut varier de 0 180.

EsRc

commande

commande

Th1

Th2

Erc

Vg1

Vg2

F IGURE 1-23 GRADATEUR MONOPHAS

La valeur efficace de la tension aux bornes dune charge rsistive est donne par lEquation 1-10.

E eff= Emax sin

21

2

2

EQUATION 1-10


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: angle damorage compris entre 0et 180

Exemple 1-3:

Un gradateur monophas est aliment par une source de 220 volts 50hz. Calculez la tension

efficace et la puissance dbite dans une charge de 10, pour un angle de 90.

Solution 1-4:

E eff= Emax sin

21

2

2

E eff = 220 190

180

2 90

360V

sin= 220V x 0,5 = 110 V

P ER

V W

2 2

11010 1210

Le gradateur triphas

Le gradateur triphas est constitu de trois groupes de deux thiristors monts enparallle-inverse (Figure 1-24). Ces groupes de thyristors peuvent alimenter des chargesbranches en toile ou en triangle. Pour permettre au courant de circuler dans les charges, deuxthyristors doivent-tre simultanment ltat passant soit : Th1 avec Th5 ou Th3 avec Th2. Afindavoir un bon fonctionnement, chaque thyristor doit recevoir une deuxime impulsion dphase

de 60aprs la premire impulsion. Les formes dondes pour un signal damorage de 100sontillustres la Figure 1-25.

Charge A

Charge C

Charge B

Th1

Th3

Th4

Th6

Th5

Th2

N

Va

Vb

Vc

Ia

F IGURE 1-24


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F IGURE 1-25 FORME D ONDE POUR UN GRADAT EUR TR IPHAS 1.3.2 Appl ication des gradateurs

On retrouve des gradateurs pour les systmes vitesse variable dans des installationstelles que les engins de levage o le rendement nest pas une contrainte, tant donn la frquenceet la dure de leur utilisation.

Notons que le dmarrage se fait facilement tension croissante et nentrane donc pas desurintensit dans le moteur. Cette proprit des gradateurs est aussi utilise dans des systmes dedmarrage et de freinage de moteurs de grande puissance ( 30kw).On le retrouve danslindustrie sous le nom de dmarreur ralentisseur ou softstart tel que lAltistar de lacompagnie Tlmcanique .

On utilise aussi les gradateurs pour lalimentation des moteurs monophass universelsquon utilise dans plusieurs appareils mnagers ou de bricolage vitesse variable.

1.3.3 Le cycloconvertisseur

Le cycloconvertisseur est un systme de conversion statique qui, partir dun rseaualternatif dune frquence donne, fournit une charge du courant alternatif une frquence

plus basse et variable. On retrouve des cyclovonertisseurs monophass et triphass.

Le principe de fonctionnement est expliqu partir du montage de la Figure 1-26. Lecycloconvertisseur est constitu par six thyristors monts en parallle inverse et aliments par untransformateur prise mdiane. Les thyristors th1 et th3 forment le groupe convertisseur positifalors que th2 et th4 constituent le groupe ngatif.


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Tension continue

fixe

tension continue

variable

F IGURE 1-28 CONVERTISSEUR CONTINU-CONTINU

On distingue deux types de hacheurs couramment utiliss :

les hacheurs dvolteurs : Ceux-ci fournissent, avec un excellent rendement, une tensioncontinue de sortie dont la valeur est infrieure celle de la tension continue dentre.

les hacheurs survolteurs : Ceux-ci permettent dobtenir une tension de sortie suprieure latension dentre.

1.4.1 Le hacheur dvolteur

La Figure 1-29 reprsente le schma de principe dun hacheur dvolteur muni dun filtrede sortie LC, qui dbite un courant dans une charge rsistive. Louverture et la fermeture

priodique de linterrupteur S permet de hacher la tension continue dentre pour produire une

tension de sortie variable. Linductance rduit londulation du courant de charge et lecondensateur C maintient la tension de sortie sensiblement continue. La diode assure lacontinuit du courant dans la charge lorsque linterrupteur est ouvert. La forme donde la sortiedu hacheur est montre la Figure 1-30.

Eentre Circuit de

commande

LS

CD

+

-E sortie

F IGURE 1-29 LE HACHEUR DVOLTEUR

tcond

tbloc

Esortie

impulsion

d'amorcage

Impulsion

de blocage

Emoy

t

t

t

F IGURE 1-30 FORME D ONDE LA SORTIE D UN HACHEUR DVOLTEUR

La tension de sortie est donne par lquation :

E moy = E entretcond

Th

EQUATION 1-11

Th : priode de hachage


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tcond : priode conduction du thyristor

Lamorage des thyristors aliments en courant continu ne prsente pas de difficultparticulire. Par contre, leur dsamorage ncessite des circuits supplmentaires de blocage.

Il existe de nombreux dispositifs hacheurs qui se diffrencient les uns des autres par leurcircuit de blocage. Le rle de ce circuit est de forcer lextinction du thyristor principal la findu temps de conduction. La Figure 1-31 reprsente un hacheur dvolteur dont le thyristor

principal (th1) est bloqu laide dun thyristor auxiliaire et dun circuit LC.

R

C

L

Th2

L

D

-

+

E entre Echarge

Th1M

N

F IGURE 1-31 HACHEUR DVOLTEUR AV EC SON C IRCUIT DE DSAMORAG E

Pour pemettre au condensateur de se charger M(+) et N(-), le thyristor th2 doit treamorc le premier, alors th1 est ltat bloqu. Lorsque le condensateur est charg, le thyristor

th2 se bloque. Quand th1 est amorc, le courant circule dans la charge, et le condensateur secharge dans lautre polarit travers L et D. Lorsque le thyristor th2 est amorc, une tensionngative est applique sur th1 par le condensateur, et th1 se bloque. Et ensuite le cyclerecommence.

1.4.2 Le hacheur survolteur

Le schma de principe dun hacheur survolteur est illustr la Figure 1-32. Le thyristorqui joue le rle de commutateur statique est plac en parallle avec la charge. Lorsque th1 est ltat passant, la bobine se charge travers lalimentation. Lorsque th1 bloque, la tensionapplique la charge devient la somme de la tension de la bobine et de la source. La tension desortie nous est donne par lEquation 1-12. On retrouve ce hacheur dans certaines commande de

moteurs qui permettent la rcupration dnergie sur le rseau, pendant la priode de freinage dumoteur.


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catgories donduleurs : les onduleurs autonomes et les onduleurs non autonomes. On traiteradans ce chapitre uniquement des onduleurs autonomes.

Courant continu

Courant alternatif

frquence fixe ou variable

F IGURE 1-33 REDRESSSEUR CONTINU-A L T ER NA T IF


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I2, dans les deux moitis du primaire du transformateur. On obtient, au secondaire dutransformateur, une tension alternative de forme rectangulaire (Figure 1-38). Le condensateurde commutation C empche les deux thyristors de laisser passer le courant en mme temps, desorte quil provoque le blocage dun thyristor lorsque lautre samorce.

Linductance de lissage L tend garder un courant constant dans le circuit. Il en rsulte

que les courants I1 et I2 sont gaux et de forme rectangulaire. Pour faire varier la frquence delonduleur, il suffit de changer la frquence des signaux appliqus sur les gachettes. On peutobtenir une frquence comprise entre quelques hertz et 5 Khz, selon les caractristiques dutransformateur et des thyristors.

Th1 Th2

charge

EC

L

I2I1

F IGURE 1-37 ONDULEUR AUTONOME MONOPHAS

F IGURE 1-38 FORME D ONDE D UN ONDULEUR MONOPHAS

1.5.3 Londuleur monophas en pont

Londuleur monophas en pont de la Figure 1-39 comprend quatre thyristors ou quatretransistors utiliss comme interrupteurs lectroniques ainsi que quatre diodes de rcuprationmontes en parallele inverse aux bornes des thyristors. Les circuits de blocage des thyristors nesont pas reprsents sur la figure.


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Th1D1

D2

E sortie

Th4

Th3

Th2

D3

D4

R LE

F IGURE 1-39 ONDULEUR MONOPHAS EN PONT

Commande symtrique

Dans le cas dune commande symtrique ( Figure 1-40), lamorage des thyristors Th1 et Th4 alieu en mme temps, et il en est de mme pour Th2 et Th3. La tension de sortie est rectangulaire,et sa valeur efficace est gale E.

F IGURE 1-40 FORME D ONDE POR UNE COMMA NDE SYMTRIQUE

Commande dcale

Dans le cas dune commande dcale, les quatre thyristors sont amorcs et bloqus selon lasquence indique la Figure 1-41. La tension de sortie est gale E lorsque Th1 et Th4laissent passer le courant en mme temps, et elle est gale -E quand Th3 et Th2 sont ltat

passant en mme temps. Il y a deux intervalles durant lesquels la tension de sortie est nulle.

La tension de sortie a la forme de crneaux spars par des intervalles dont la largeur estajustable. En variant langle de dcalage, on fait varier la valeur efficace.


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