Cours Convertisseurs Chap3 4

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Plan de la matière :

• Introduction

• Chapitre I: Onduleur Monophasé

• Chapitre II: Gradateur Monophasé

• Chapitre III: Gradateur Triphasé

• Chapitre IV: Onduleur Triphasé

93

Chapitre III: Gradateur triphasé

94

Le gradateur triphasé normal est formé de trois groupes de thyristors (Th1,Th’1),(Th2,Th’2) et

(Th3,Th’3) montés entre les trois bornes de la source et celles du récepteur.

3

4sin)(

3

2sin)(

sin)(

max3

max2

max1

tVtV

tVtV

tVtV

1. Présentation :

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95

Les tensions d’entrées constituent un système triphasé équilibré :

Pour tracer les formes d’ondes et tracer les caractéristiques, il suffit d’étudier un sixième de la période. En effet, les courant dans les trois phases sont identiques à 2 π /3.


96

Montage étoile (Y) Montage triangle (Δ)

Il existe deux montages usuelles de gradateur triphasé :

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97

2. Applications : 2.1. La commande de la puissance dissipée par effet JOULE dans une résistance

Il est possible alors de régler la puissance thermique émise par une plaque chauffante ou une lampe à incandescence ou le four électrique.

• Gradivar : démarreur progressif pour moteur asynchrone standard : il permet la réduction du courant d'appel et la suppression des à-coups de couple au démarrage.

2.2. La commande en vitesse d’un moteur à courant alternatif

• Statovar : variation de vitesse (moteurs à bagues ou à cage). • Rotovar : variation de vitesse uniquement pour les moteurs à bagues.

2.3. Compensateur statique

La puissance réactive absorbée Q dépend de la commande par l'angle d’amorçage α. Il y a donc réglage de Q en fonction de α et possibilité d'améliorer de manière souple le facteur de puissance du réseau.


98

Lorsque l’angle de retard à l’amorçage α varie de 0 à 5π/6, trois modes de fonctionnement se succèdent, suivant le nombre des thyristors conducteurs simultanément :

3. Principe de fonctionnement : 3.1. Débit sur un récepteur purement résistant

30

La source est triphasé équilibré alimentant un récepteur résistif triphasé formé de trois résistantes de même valeurs couplé en étoile.

3.1. 1. Premier mode :

Il y a tantôt trois thyristors conducteurs, tantôt deux.

Lorsque α est inférieur à π/3, l’angle de fin de conduction de Th3 est supérieur à α.

• pour , TH1, TH’2 et TH3 conduisent : 3

0

,,

321 '

321

ThThTh

CCBBAA

VVV

VRiVVRiVVRiV

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50


99

• pour , TH1, TH’2 : 33

3'212

3,0,0,,

2

1321

VVVVRiVR

ViiVVVV ThThThCC

ABABA

TH1 TH’1 TH2 TH’2

TH’3 TH3

6


100

6

Ce fonctionnement cesse quand α atteint π/3 car au-delà, l’amorçage d’un thyristor coïncide

avec le blocage d’un autre : c’est la limite de premier mode.

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101

3

23

4.1. 2. Deuxième mode :

Il y a toujours deux thyristors passants.


102

Quand α varie de π/3 à π/2, l’intervalle de débit des thyristors reste constant et égal à 1/3 de

période mais son intervalle de conduction décale avec α.

• pour , TH1, TH’2 : 3

3'212

3,0,0,,

2

1321

VVVVRiVR

ViiVVVV ThThThCC

ABABA

3

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52


103

2

• pour : l’instant d’entrée en conduction d’un thyristor coïncide avec l’instant de passage par zéros d’une tension composée d’où α= π/2 est la limite du deuxième mode.

2


104

: Conduction de deux ou zéro thyristors. 6

5

2

4.1. 3. Troisième mode :

L’existence d’intervalles de conduction après des intervalles où tous les courants sont nuls nécessite l’amorçage simultanément de deux thyristors à chaque fois :

Pour cela, il faut commander les thyristors :

- Soit par des signaux d’une largeur supérieure à π/3,

- Soit envoyer des impulsions de confirmation. Par exemple, on envoie une impulsion sur la gâchette à t=δ puis une impulsion de confirmation à t=δ+π/3.

• pour , TH1, TH’2 : 6

5

3'212

3,0,0,,

2

1321

VVVVRiVR

ViiVVVV ThThThCC

ABABA

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105

3

2


106

6

5

Le récepteur sera déconnecté de la source, le gradateur est équivalent à un interrupteur toujours ouvert.

• pour , aucun thyristor ne conduit : 36

5

0,0 CBACBA iiiVVV

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4.2. Calcul de la tension efficace

Soit Veff la tension efficace aux bornes d’une phase de la charge, nous avons :

Les symétries de la fonction :

2sin

4

3

4

31 VVeff

62sin

4

33

2

1

VVeff

dVdVV AAeff )(1

)(2

1 2

2

2

CABA V3

2VetV

3V

3

222 )()()(1

dVVVV CBAeff

Suivant le mode de fonctionnement, on trouve :

. Premier mode :

. Deuxième mode :

. Troisième mode :

32sin

4

3

2

3

4

5

VVeff


108

Chaque phase de récepteur est caractérisé par le module Z et l’argument ϕ de son impédance et de la pulsation ω des tensions d’alimentation.

4.3. Débit sur un récepteur résistant et inductif

Le fonctionnement gradateur n’est possible que si l ’angle de commande α > ϕ.

A cause des inductances L, les courants ia,ib et ic ne peuvent plus présenter de discontinuité, ce qui entraîne la disparition du deuxième mode de fonctionnement.

Le passage du premier au troisième mode s’effectue pour une valeur limite ϕl qui dépend de l’argument du récepteur et solution de l’équation :

R

LtgQavec

e

e

Q

Q

ll

3

3

2

21sin

3

4sin

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109

1er mode 3ème mode 3

3

2


110

4.4. Calcul de la tension efficace

Si α < ϕL, nous fonctionnons en mode 1. Soit β,l’angle où le courant iA s’annule.

32sin

4

32sin

4

3

2

3

2

1

VVeff

Après calcul en suivant la même démarche que la charge R, on trouve :

. Premier mode :

. Troisième mode :

32sin

4

3

32sin

4

3

2

3

VVeff

Si α > ϕL, nous fonctionnons en mode 3.

4.5. Calcul des harmoniques Les tensions VA, VB et VC ont la même valeur efficace Veff. En se basant sur la symétrie de ces tensions, leur décomposition en série de Fourrier ne peut comporter en plus du fondamental que des harmoniques impaires.

De plus, la somme instantanée VA+VB+VC=0, il n’y a pas d’harmonique de rang 3 ou multiple de 3.

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nneffnnn nVnbnaVv sin2cossin2

On trouve donc dans le développement en série de Fourrier , les harmoniques de fréquence f, 5f, 7f, 11f, 13f,…

L’harmonique de rang n de Vn est de la forme :

n

nnnnneff

a

bartgetbaVV 22

. Premier mode :

Pour une charge résistive, on trouve :

2sin

2

1

3

2

2

31a 12cos

4

31

b

. Deuxième mode :

2sin

2

1

3

22sin

2

1

32

31a

2cos

3

22cos

4

31b

. Troisième mode :

3

22sin

2

1

6

5

2

31

a

1

3

22cos

4

31

b


112

4.6. Étude énergétique

Le réseau étant purement sinusoïdal, seul le fondamental de l’intensité peut créer de la puissance active et de la puissance réactive.

FFIVP cos3

222 QPSD

. Puissance active :

. Puissance déformante :

. Puissance réactive : FFIVQ sin3

. Puissance apparente : FIVS 3

. Facteur de puissance : S

PFP

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5. Les différents montages et branchement : 5.1. Montage en étoile ou en triangle

On peut, sans changer le fonctionnement du gradateur, remplacer le récepteur en étoile par un récepteur en triangle équivalent.

On trouve les mêmes courants en ligne et les mêmes tensions aux bornes des thyristors si seulement si les phases de la charge ont le même argument et un module triple.


114

5.2. Branchement en aval ou en amont

Le fonctionnement du gradateur n’est évidemment en rien modifié si on place le gradateur en aval du récepteur et non plus entre celui-ci et la source.

Ce branchement ne pourrait être que lorsqu’on dispose d’un récepteur couplé en étoile et que ses six bornes soient sorties.

* Avantages :

Ce branchement présente des avantages pratiques liés au fait que tous les thyristors ont un point commun facilitant ainsi la commande si on utilise trois triacs.

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Un triac est un composant fonctionnant comme 2 thyristors en parallèle. Une impulsion positive ou négative émise sur sa gâchette amorce le triac, quel que soit le signe de la tension appliquée entre ses bornes.

Si le récepteur est en étoile à six bornes de sorties, il est souvent préférable d’employer le groupement en triangle des trois groupes de thyristors comme suit :

* Avantages :

- La simplification des signaux de commande : il n’est plus nécessaire d’avoir des signaux larges ou des impulsions de confirmation pour le fonctionnement en 3ème mode, une impulsion simple par thyristors suffit.


116

-La valeur moyenne du courant dans les thyristors est divisé par deux :

pour le 1er mode : il y a débit de un ou deux thyristors au lieu de deux ou trois, Pour le 2ème mode : il y a toujours un thyristors passant au lieu de deux, Pour le 3ème : il y a un thyristor conducteur ou zéro au lieu de deux ou zéro.

5.3. Groupement en triangle de trois gradateurs monophasés

Une autre façon pour faire varier le courant dans un récepteur triphasé est de monter en triangle trois gradateurs monophasés identiques.

* Avantages :

-Réglage séparé du courant par phase,

-Amélioration du facteur de puissance,

-Simplicité de la commande,

-Réduction des harmoniques du courant de ligne.

* Inconvénient :

-Présence des harmoniques dans les courant de récepteur.

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D’où le choix entre les deux montages :

Quand c’est la réduction des harmoniques des courants pris au réseau qui importe plus, c’est le cas des montages alimentant des récepteurs passifs, on adopte le couplage en triangle de trois gradateurs monophasés, Quand la qualité des signaux appliqués au récepteur est importante, on prend le gradateur triphasé. C’est le cas des machines tournantes qui supportent mal les tensions harmoniques.

5.4. Gradateur triphasé mixte

* Inconvénient :

On trouve également des structures mixtes, obtenues avec les derniers structures, en remplaçant les thyristors Th’1, Th’2 et Th’3 par trois diodes.

Les courants sont exempts d’harmoniques multiple de 3 mais ils contiennent tous les autres harmoniques et notamment un important harmonique 2. C’est cet harmonique 2 qui fait écarter l’emploi de ce montage dès qu’il s’agit d’une application de quelque puissance.

Plan de la matière :

• Introduction

• Chapitre I: Onduleur Monophasé

• Chapitre II: Gradateur Monophasé

• Chapitre III: Gradateur Triphasé

• Chapitre IV: Onduleur Triphasé

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Chapitre IV: Onduleur triphasé

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1. Onduleur de tension triphasé * Principe :

Afin de réaliser un onduleur triphasé, on peut utiliser un regroupement de trois onduleurs monophasés.

La source est une source de tension, et la charge est nécessairement ‘’courant’’.

Le condensateur assure la conduction continue de la source de tension.

Il existe deux types de montages : montage avec ou sans fil neutre.

120

* Structure :

Il s’agit d’un onduleur triphasé formé de trois demi-ponts monophasés et utilisant un diviseur capacitif commun.

Pour obtenir une tension V1 alternative, les durée de fermeture de K1 et K’1 doivent être identiques sur une période. Donc k1 et k’1 sont fermés pendant une demi-période chacun, avec

1.1. Montage avec fil neutre

'

33

'

22

'

11 ;; KKKKKK


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121

* Principe de fonctionnement :

Pour obtenir un fonctionnement en onduleur triphasé donnant un système triphasé équilibré direct en courant, les commutations des interrupteurs de chaque bras d’onduleur (K1, K’1), (K2, K’2) et (K3, K’3) doivent être décalées de 1/3 de la période les uns par rapport des autres. On parle d’un onduleur ‘’trois bras’’.

Le courant arrivant au point milieu du diviseur est

3

4sin;

3

2sin;sin max3max2max1

tIitIitIi

Niiii 321

La présence du neutre relié à la source est nécessaire si l’on veut pouvoir monter des charges monophasées entre phase et neutre.

K1 K’1

K’2 K2 K’2

K3 K3 K’3


122

* Allure des tensions :

passantestKsiU

passantestKsiU

VAN

12

12

'

N

B

A

C

passantestKsiU

passantestKsiU

VBN

22

22

'

passantestKsiU

passantestKsiU

VCN

32

32

'


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123

* Décomposition en série de Fourier :


Les tensions simples du récepteur ne dépendent pas de la charge. La tension Van est un créneau symétrique d'amplitude E/2; sa décomposition en série de Fourier est de la forme :

0k

an1k2

t1k2sinE2)t(vDSF

De même :

0k

bn1k2

)3

2t(1k2sin

E2)t(vDSF

0k

cn1k2

)3

2t(1k2sin

E2)t(vDSF

La décomposition en série de Fourier du courant de sortie ia est :

0k

a))1k2((Z)1k2(

))1k2((t(1k2sinE2)t(iDSF

124

* Structure :

Si la charge est équilibrée, on peut supprimer le fil de neutre.

1.2. Montage sans fil neutre

0 CBA iii

* Principe de fonctionnement :

Le principe de fonctionnement est le même que précédemment puisque il ne dépend que de la commande des interrupteurs.

La somme des courants est forcement nulle

Donc celle des tensions simples l’est aussi : 0VVV CBA


B

A

C

N O

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125

Or on a :

* Calcul des tensions simples :

L’état des interrupteurs peut être représenté par les grandeurs booléennes comme suit :

ACCACBBCBAAB VVUVVUVVU ;;

ACBACAAB VVVVUU 32 )2(3

1CBAA VVVV

De même : )2(3

1)2(

3

1BACCACBB VVVVetVVVV

* Expression des tensions simples en fonction des états des interrupteurs :

* Ki=1 si l’interrupteur en haut est fermé et donc celui de bas est ouvert,

* Ki=0 si l’interrupteur en haut est ouvert et donc celui de bas est fermé.

Les tensions de trois phases peuvent être exprimé en fonction des états des interrupteurs comme suit :

)2132(3

;)1322(3

;)3212(3

KKKE

VKKKE

VKKKE

V CBA


126

Selon le chronogramme de conduction des interrupteurs, six séquences de fonctionnement sont possibles :

* Expression des tensions composées et des courants selon les états des interrupteurs :

1 2 3 4 5 6

K1, K’2 et K3

Par exemple :

101

K1 K’1

K’2 K2 K’2

K3 K3 K’3

UAB=E UBC=-E

UCA=0

K1, K’2 et K’3

100

UAB=E UBC=0

UCA=-E


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127

Les états logiques de l’onduleur triphasé de tension ainsi que les tensions et les courants correspondants peuvent être résumés dans le tableau suivant :

K1 K2 K3 UAB UBC UCA VA VB VC iK1 iK2 iK3 i

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 1 0 -E E -E/3 -E/3 2E/3 0 0 iC iC

0 1 0 -E E 0 -E/3 2E/3

-E/3 0 iB 0 iB

0 1 1 -E 0 E -2E/3 E/3 E/3 0 iB iC -iA

1 0 0 E 0 -E 2E/3

-E/3 -E/3 iA 0 0 iA

1 0 1 E -E 0 E/3 -2E/3 E/3 iA 0 iC -iB

1 1 0 0 E -E E/3 E/3 -2E/3 iA iB 0 -iC

1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1

2

3

4

5

6


128

* Formes d’ondes des tensions simples et composées :


La décomposition en série de Fourier de va se déduit de celle de van avec neutre en retirant les composantes homopolaires donc tous les harmoniques multiples de 3.

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129

* Éléments passants :

* Valeurs efficaces :

Tension composé :

Tension simple:


130

Il existe plusieurs techniques de génération des signaux de commande avec une MLI applicable pour un onduleur triphasé. Les techniques les plus utilisées sont :


2. Commande MLI de l’onduleur triphasé

2.1. MLI sinusoïdale SPWM

MLI sinusoïdale SPWM MLI vectorielle SVPWM.

En considérant que l’onduleur triphasé est constitué de trois onduleurs monophasés décalés de 120°, la même technique MLI appliquée à l’onduleur monophasé reste toujours valable.

Les signaux de commande des interrupteurs sont générés en comparant trois ondes de référence sinusoïdales déphasées de 120° entre elles avec la même onde triangulaire.

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131


2.2. MLI vectorielle SVPWM

Cette modulation est utilisée fréquemment dans les commandes modernes des moteurs asynchrones.

Elle consiste à appliquer la transformation de ‘’Corcordia’’ aux tensions simples Van, Vbn et Vcn. Chaque combinaison binaire des commandes des interrupteurs représente un vecteur actif.

132


Les six séquences de fonctionnement de l’onduleur sont représentés par six secteurs dont les extrémités sont les six vecteurs actifs.

A partir de ces vecteurs, on extraie la commande des interrupteurs pour chaque secteurs comme suit :

Vref Tz = V0 T0/2 + V1 T1 + V2 T2 + V7 T0/2

Cours Convertisseurs Chap3 4

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