Convertisseur Alternatif - Continu Les montages commun/M GERGADIER/COURS/Redresse · PDF...

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  • Convertisseur Alternatif - Continu

    Les montages redresseurs

    Lycee RichelieuTSI 1

    Annee scolaire 2006 - 2007Sebastien GERGADIER

    21 mars 2007

  • Table des matieres

    1 Les redresseurs 21.1 Le redressement non commande . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

    1.1.1 Les redresseurs paralleles simples . . . . . . . . . . . . 21.1.2 Les redresseurs paralleles doubles . . . . . . . . . . . . 16

    1.2 Le redressement commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.2.1 Les redresseurs paralleles simples . . . . . . . . . . . . 211.2.2 Les redresseurs paralleles doubles . . . . . . . . . . . . 30

    1

  • Chapitre 1

    Les redresseurs

    1.1 Le redressement non commande

    Dans ce chapitre, nous etudierons le fonctionnement et la modelisationdes redresseurs a diodes. Nous nous attacherons a trouver des modelessimples mais concrets et nous verrons les principales structures utilisees.

    1.1.1 Les redresseurs paralleles simples

    Le montage de base de letude est donne en figure 1.1. Il est constituedune source de tensions polyphasees, equilibrees, directe, comportant nphases. Les sources sont couplees en etoile. Chacune des sources est placeeen serie avec une diode. Les diodes sont montees en anodes communes ouen cathodes communes. Elles alimentent une charge dont le comportementpeut etre assimile a celui dune source de courant continu. La continuite ducourant dans la charge denote de son caractere inductif.

    Fig. 1.1 Montage parallele simple a cathode commune.

    2

  • CHAPITRE 1. LES REDRESSEURS 3

    Fonctionnement

    A chaque instant, la tension de sortie uc est egale a la plus positive destension des sources puisque les diodes sont montees en cathodes communes.En effet, si V1 > V2, V3, . . . , Vn, alors la tension VD1 = V1 Uc > 0, donc ladiode D1 conduit.Puis, lorsque V2 > V3, . . . , Vn alors VD2 = V2 Uc > 0, donc la diode D2conduit, etc . . .

    Remarque : Il existe un autre montage parallele simple ou les diodessont montees en anodes communes. Cest alors la diode dont le potentiel decathode est le plus negatif qui conduit.Lallure de la tension redressee, dans le cas dun montage triphase, est donneen figure 1.2.

    Fig. 1.2 Allure de la tension de sortie avec un montage triphase parallelesimple a cathode commune.

    Etude des tensions

    Les tensions de source secrivent :

    v1() = Vs

    2 sin()v2() = Vs

    2 sin( 2n )

    ...vn() = Vs

    2 sin( (n 1)2n )

  • CHAPITRE 1. LES REDRESSEURS 4

    La diode D1 conduit pour 2 n < < 2 + n , la tension de sortie uc estalors egale a v1.La diode D2 conduit pour 2 +

    n < 90o : fonctionnement onduleur

  • CHAPITRE 1. LES REDRESSEURS 23

    Pour mieux comprendre ce phenomene, il suffit de representer ce quise passe dans une phase. Prenons la phase 1 de notre convertisseur. Sur lafigure 1.17, on a represente la tension simple et le courant dans la phase. Leproduit des deux nous donne la puissance instantanee.

    Fig. 1.17 Representation de la tension simple, du courant dans une phaseet la puissance instantanee pour deux angles damorcage.

    Etude des tensions

    Les tensions de source secrivent :

    v1() = Vs

    2 sin()v2() = Vs

    2 sin( 2n )

    ...vn() = Vs

    2 sin( (n 1)2n )

    Comme pour le redresseur a diodes, la tension uc sera formee de calottesde sinusodes conformement a lexemple donne en figure 1.16. La tension ucest donc periodique, de periode 2n . Nous allons maintenant determiner lestensions du montage.

    Valeur moyenne de uc

    Nous allons calculer la valeur moyenne de la tension redressee a vide Uc0,

    en supposant que tous les elements du montage sont parfaits :

    Uc0 =

    n

    2

    2+

    n+

    2

    n+

    uc()d

    Uc0 =

    n

    2

    2+

    n+

    2

    n+

    Vs

    2sin()d

  • CHAPITRE 1. LES REDRESSEURS 24

    dou :U

    c0 =

    n

    Vs

    2sin(

    n

    )cos() (1.17)

    Dans lespression 1.17, on reconnat la valeur moyenne de la tensiondelivree par le redresseur a diodes equivalent, dou :

    Uc0 = Uc0cos() (1.18)

    On peut egalement donner la valeur efficace de la tension redressee :

    Uc0eff

    = Vs

    2

    12

    +n

    4sin

    (2n

    )cos() (1.19)

    Ondulation de tension - tension inverseLindice de pulsation du montage est egal a n. Londulation de la tension

    redressee est fonction de langle de retard a lamorcage. On montre que KUc ,

    londulation de tension, crot de 2n1cos

    (n

    )

    sin

    (n

    ) pour = 0 jusqua linfini pour = 2 .La tension inverse aux bornes dun thyristor depend de langle de retarda lamorcage. On a represente sur la figure 1.18 lallure de la tension auxbornes de Th1 pour differentes valeurs de .

    Fig. 1.18 Allure de la tension inverse aux bornes dun thyristor pour deuxangles damorcage.

    On peut remarquer que lorsque tend vers , la duree pendant laquellela tension aux bornes du thyristor reste negative tend vers 0. Ceci pose unprobleme puisque pour pouvoir bloquer un courant positif, il faut appliquerune tension negative aux bornes du thyristor pendant un temps superieurou egal a tq. Il faut donc limiter max a tq. On definit ainsi un anglede garde = tq.

  • CHAPITRE 1. LES REDRESSEURS 25

    Mais pour choisir les thyristors, seule la valeur crete de la tension directeou inverse VRRM est importante. Cette tension sera egale a la valeur cretede la tension composee et depend donc du nombre de phases n.

    Si n est pair, on a :VRRM = 2Vs

    2 (1.20)

    Si n est impair, on a :

    VRRM = 2Vs

    2cos(

    2n

    )(1.21)

    Etude des courants

    On rappelle que le courant ic dans la charge est continu ou que toutdu moins ses variations sont supposees etre lentes devant la periode de latension uc.

    Courant dans les thyristors :On calculera ici les valeurs moyenne, efficace, et maximale du courant dansun thyristor. Ces courants seront aussi ceux des courants du secondaire dutransformateur is. Les courants dans les thyristors auront tous la memeallure et seront dephases les uns par rapport aux autres de 2n . Soit pour lecourant is1 (figure 1.19).

    Fig. 1.19 Courant dans un thyristor et dans le secondaire du transforma-teur.

    On aura alors :Pour la valeur maximale :

    IThmax = Ic

    Pour la valeur efficace :ITheff =

    Icn

    Pour la valeur moyenne :

    ITh =Icn

  • CHAPITRE 1. LES REDRESSEURS 26

    Courant et facteur de puissance secondaire :

    Le courant delivre par la source est le courant dans les thyristors puisqueles deux elements sont en serie. On a alors :

    Is = ITheff =Icn

    Le courant de source est donc non sinusodal, ce qui implique necessairementlexistence de puissance deformante D. De plus, ce courant a une valeur nonnulle ce qui impose lutilisation dun transformateur puisque le reseau nepeut delivrer quun courant a valeur moyenne nulle. Nous savons que lapuissance active delivree a la charge vaut :

    P =12

    20

    uc()ic()d

    Soit, comme ic est constant :

    P = Uc0Iccos

    Si on neglige les pertes dans le redresseur et dans le transformateur, lapuissance active delivree par la source est elle aussi egale a P. Or, S, lapuissance apparente delivree par le secondaire vaut :

    S = nVsIs

    Dou Ks, le facteur de puissance secondaire Ks = PS :

    Ks =Uc0IcnVsIs

    cos

    Ks =nsin

    (n

    )Vs

    2Ic

    nVsIcn

    cos

    Soit :

    Ks =

    2n

    sin(

    n

    )cos (1.22)

    On remarque que le facteur de puissance est proportionnel a cos .On a vu precedemment que langle de retard a lamorcage induisait undephasage entre le courant dans la phase et sa fem. Par consequent, la puis-sance reactive mise en jeu dans le systeme nest pas nulle, contrairementaux redresseurs a diodes (sans empietement). Il y aura egalement de la puis-sance deformante puisque le courant nest pas sinusodal. On peut noter quela forme du courant reste la meme, donc la puissance deformante reste lameme.

  • CHAPITRE 1. LES REDRESSEURS 27

    On a alors :

    Qs = Vs

    2Icn

    sin

    (n

    )sin (1.23)

    Ds = VsIc

    n 2n

    2

    2sin2

    (n

    )(1.24)

    Ces resultats nous permettent de conclure que le fondamental du cou-rant is, qui transporte la puissance active et reactive, est dephase de parrapport a la tension reseau.

    Courant et facteur de puissance primaire :

    Comme pour les ponts de diode, il nexiste pas de regles generales per-mettant de donner ses resultats qui sappliquent quelques soient le nombrede phases et les couplages utilises. On se bornera donc aux resultats obte-nus en triphase, qui se deduisent de ceux obtenus dans letude des ponts dediodes.

    Couplage etoile :

    Pour determiner lallure des courants primaires, on utilise les relationsgenerales dans les transformateurs. On utilise la compensation des amperes-tours alternatifs :

    n1 ip1 = n2 is1avec :

    is1 = is1() is1() = is1() Ic3

    On en deduit alors que :

    ip1 =n2n1

    (is1()

    Ic3

    )

    On sait de plus que le montage est triphase et equilibre, donc on endeduit facilement les courants ip2 et ip3 . Lallure de ip1 est donnee figure1.7.

    On trouve alors :

    Ip =

    23

    n2n1

    Ic

    Le facteur de puissance primaire Kp pour un couplage etoile a pourexpression :

    Kp =P

    S=

    Uc0Ic3VpIp

    cos

    et :

    Kp =3Vs

    2

    3Ic3 cos 6n1n2 Vs

    n2n1

    Ic

    2=

    3

    32

    cos (1.25)

  • CHAPITRE 1. LES REDRESSEURS 28

    On remarque que le facteur de puissance primaire est superieur au fac-teur de puissance secondaire pour une valeur de donnee, resultat que