Cours EP Étudiant
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COMPOSANTS DE PUISSANCE
1-DIODE
La substance active, le silicium, qui constitue la diode de puissance semi-
conducteurs est une substance semi-conductrice c'est--dire une substance
rsistance dcroissante lorsque la temprature crot; elle est classe entre les
isolants et les conducteurs.
La diode, constitue par une seule jonction PN, est llment unidirectionnel
plus simple. La figure prcdante donne sa reprsentation symbolique et indique les
conventions de signe adoptes pour le courant et la tension,
1.1. Etat passant
Quand le circuit dans lequel est place la diode tend faire passer le courant
dans le sens direct ou permable, c'est--dire de l'anode A vers la cathode K la
diode est conductrice ou passante:
- le courant i positif prend la valeur qui lui est impose par le reste du circuit. Il
faut veiller ce que la valeur moyenne Imoy de i ne dpasse pas le courant
moyen nominal de la diode;
- La tension v aux bornes a une valeur positive faible, de l'ordre du volt. En
premire approximation, on peut ngliger cette chute de tension directe
devant les autres tensions rencontres dans le circuit.
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1.2. Etat bloqu
Quand une tension ngative aux bornes tend faire passer le courant dans le
sens inverse ou impermable, la diode est isolante ou bloque:
- la tension ngative ou tension inverse, impose la diode par le reste du
circuit, peut prendre une valeur leve. Il faut veiller ce quelle reste infrieure la
tension inverse nominale de la diode;
- Le courant ngatif, ou courant inverse, est trs faible, de l'ordre de quelques
dizaines de milliampres. En premire approximation, on peut le ngliger.
1.3. Caractristique statique - Simplification
Dans l'tude des redresseurs, on peut, du moins dans un premier temps,
supposer les diodes parfaites (figure ci-aprs), c'est--dire ngliger la chute de tension directe et le courant inverse,
Ensuite, si c'est ncessaire, on corrige les rsultats obtenus pour tenir compte
notamment de la chute de tension directe et des pertes correspondantes,
Mhamed EL MRABET 2
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1- 4 caractristique de la diode relle
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2 THYRISTOR
Un thyristor est un semi-conducteur quatre couches PNPN assimilable trois
jonctions ; il constitue un interrupteur unidirectionnel fermeture commande. En
plus de lanode et la cathode, il est muni dune lectrode de dblocage, appel
gchette.
Un thyristor 2000 V, 300 A est typiquement une tranche de silicium de diamtre
de 30 mm et d'paisseur de 0,7 mm.
2.1. Modes de fonctionnement
Si la tension v ses bornes est ngative, le thyristor est bloqu; il n'est
parcouru que par un faible courant de fuite inverse.
Il faut veiller ne pas dpasser la tension inverse maximale.
Si de ngative la tension v devient positive, le thyristor reste bloqu; il n'est
travers que par un faible courant de fuite direct.
Il faut veiller ne pas dpasser la tension directe blocable courant de gchette nul.
Pour les thyristors normaux, elle est toujours voisine de la tension inverse maximale.
Si la tension v tant positive, on fait passer entre la gchette et la cathode une
impulsion positive de courant, le thyristor devient passant.
La dure de d'impulsion de dblocage doit tre suffisante pour que le courant i
puisse atteindre une valeur dite" courant d'accrochage".
Quand il est conducteur, le thyristor se comporte comme une diode, la chute de
tension directe est toutefois un peu plus forte.
Il ne se bloque que lorsque le courant direct s'annule; en ralit, lorsqu'il devient
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infrieur une valeur trs faible appele "courant de maintien" de la conduction.
Aprs l'amorage, la gchette a perdu son pouvoir de contrle.
2.2. Caractristique statique simplifie
Lors de l'tude des redresseurs thyristors, on utilise, du moins dans un
premier temps, la caractristique schmatise idalis (voir figure ci aprs). Elle
comprend trois branches;
- OA : tension ngative, thyristor bloqu,
- OB : tension positive, pas d'impulsion sur la gchette depuis que ' est devenu
positif, thyristor bloqu;
- OC : aprs envoi d'une impulsion alors que v tait positif, thyristor conducteur.
Ce trac nglige;
- Le courant de fuite inverse (i ngatif trs faible, pour la branche OA);
- Le courant de fuite direct (i positif trs faible, pour la branche OB);
- La chute de tension directe (v positif de l'ordre de 2 volts, pour la branche OC).
Ces trois branches sont forcment dcrites dans l'ordre indiqu par les flches
sur la figure
2.3 Principales caractristiques limites
Comme pour la diode, le comportement dynamique du thyristor lors de
l'amorage et du blocage sera prsent ultrieurement. Cette tude expliquera la
longue liste des caractristiques intervenant dans la spcification complte d'un
thyristor.
Lors de la mise en uvre d'un thyristor dans un redresseur, aprs avoir veill;
- ce que le courant ne soit pas excessif (pointe de courant, valeur moyenne
ou, plus souvent, valeur efficace du courant);
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- ce que les valeurs maximales de la tension inverse et de la tension directe
l'tat bloqu ne soient pas excessives, il suffit de s'assurer;
- que le courant direct ne s'tablit pas trop rapidement (limitation du di/dt), sinon
des chauffements locaux dtruisent le composant;
- que la tension directe applique au thyristor bloqu ne crot pas trop
rapidement (limitation du dv/dt), sinon il s'amorce sans impulsion de dblocage
- qu'aprs le blocage, une tension positive n'est pas applique ses bornes
avant un intervalle de temps suffisant, sinon il se ramorce sans impulsion de
dblocage.
Cet intervalle, dsign par tq est appel temps de blocage.
Dans les montages redresseurs, il est rarement ncessaire de mettre en srie avec
les semi-conducteurs une inductance destine limiter di/dt. Linductance de la
source assure cette limitation.
Dans ces montages, de brusques variations de la tension aux bornes des semi-
conducteurs apparaissent du fait du fonctionnement mme du convertisseur; il y a de
plus des surtensions dues aux transitoires et aux parasites. Il est ncessaire de
protger les semi-conducteurs contre les -coups de tension, Pour cela, on drive
aux bornes de chacun d'eux un circuit rsistance-capacit.
Les redresseurs fonctionnant d'ordinaire la frquence du rseau industriel ou
des frquences voisines, il n'est pas ncessaire de recourir des thyristors
rapides, c'est--dire faible temps de blocage.
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3 THYRISTOR BLOCABLE PAR LA GCHETTE La famille des thyristors comporte deux nouveaux membres: le thyristor
asymtrique et le thyristor blocable par la gchette, fruits des perfectionnements
apports au fil tor classique. Ce thyristor est connu sous le nom
thyristor GTO (G ff Thyristor)
On ne peu
Mais, comme s
gchette en su
injectant un cou
La structu
d'un thyristor cl
thyristor classiq
a
La figure
blocable par la
Mhamed EL MRABdes ans au thyris
TO : Gate Turn-Ot dsamorcer le thyristor classique qu'en annulant le courant anode.
on nom l'indique, on peut dsamorcer le thyristor blocable par la
pprimant le courant de gchette. On amorce un tel thyristor en
rant dans la gchette, comme dans le cas thyristor classique.
re dun thyristor blocable par la gchette est plus complexe que celle
assique. Le symbole graphique de celui-ci, prolongement de celui du
ue, montre le double rle de la borne de gchette.
ieff: schma de principe fondamental
prcdante (a) rsume les spcifications d'amorage d'un thyristor
gchette. Un courant d'amorage est inject dans la gchette.
ET 7
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L'application d'une tension ngative gchette-cathode de dsamorage, de l'ordre de
10 V, supprime le courant gchette. La tension de dsamorage doit tre infrieure
la tension inverse de claquage gchette-cathode, mais assez grande pour extraire la
charge ncessaire au dsamorage.
La figure (b) reprsente un circuit simple de commande par la gchette. Le
courant base positif du transistor T1 permet au courant d'entrer dans la gchette via
R1 et C1, le courant initial tant rgl par R1. La diode Zener D1 conduit une fois sa
tension de claquage atteinte, ce qui maintient la charge sur C1 (disons) 12 V ; un
petit courant gchette permanent sort donc de lalimentation de 15 V comme il est
exig idalement. L'inversion du courant de commande fait conduire le transistor T2
et bloque T1. Le condensateur C1 se dcharge T1, le courant gchette est
supprim et le thyristor dsamorc. Le condensateur C2 aux bornes du thyristor
limite la croissance dV/dt de la tension anode-cathode.
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4 TRIAC
4.1 Principe de fonctionnement Un triac est un dispositif cinq couches et chane PNPN dans chaque sens
entre les bornes T1 et T2. C'est donc un dispositif bidirectionnel comme son symbole
l'indique clairement. Electriquement parlant, le seul dispositif triac effectue ce qui
exigerait les deux thyristors antiparallles .
4.2 Caractristique
Le triac peut tre commut ltat passant par un courant gchette positif ou
ngatif, mais il est plus sensible au courant positif inject lorsque la borne T2 est
positive et au courant ngatif si la borne TI est positive. Mais en pratique, on utilise
toujours le courant gchette ngatif, selon la caractristique reprsente la figure ci
aprs.
Les valeurs nominales limites en rgime permanent ou tabli et en rgime
transitoire sont infrieures celles thyristor.
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5 TRANSISTOR DE PUISSANCE 5.1 Principe
Le transistor est un dispositif trois couches NPN ou PNP. En rgime linaire,
le courant collecteur lc est une fonction du courant base lB; une variation du courant
de base donne une variation correspondante amplifie du courant collecteur pour
une tension collecteur-metteur VCE donne. Le rapport de ces deux courants est
compris entre 15 et 100.
De mme que les dispositifs semi-conducteurs, La croissance de la tension
provoque le claquage par avalanche. L'inversion de la tension collecteur-metteur
provoque le claquage de la jonction base-emetteur une basse tension, de 10 V
environ. Aussi ne fait-on pas fonctionner le transistor en inverse. Dans les circuits
tension devant s'inverser, on monte une diode en srie avec le transistor.
5.2 Caractristiques
Les caractristiques du transistor P N P sont analogues celles du transistor
NP N, au signe prs des courant et des tensions.
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La perte en puissance d'un transistor est gale au produit de la tension
collecteur - metteur par le courant collecteur.
Considrons la figure suivante :
Si l'on fait varier le courant de base pour commander le courant de charge
plac au collecteur, de grandes tensions peuvent apparatre aux bornes du transistor
Si, par exemple, V = 200 V et que le courant de base IB est rgl donne, disons, un
courant de 10 A dans une charge de 10 , le transistor chutera de 100 V. Alors la perte en puissance du transistor est de 1 kW et le rendement total de 50 %. On ne
peut admettre une telle perte, ni un tel rendement total
Dans les applications pratiques de puissance, le transistor fonctionne en
interrupteur. Le courant base tant nul, il est effectivement ouvert. Pour un courant
base qui le met en saturation, il est pratiquement un interrupteur ferm. Le transistor
tant un dispositif dpendant, il faut accorder le courant de base au courant
collecteur. Pour conserver la commande en saturation et viter une charge de base
excessive, le courant base doit tre juste suffisant pour maintenir la saturation.
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On amliore grandement le gain en courant d'un transistor de puissance en
prenant le courant d'attaque de base partir d'un autre transistor, selon le circuit de
Darlington reprsent la figure ci-aprs Si le transistor dattaque est intgr sur la
mme puce de silicium, le gain en courant total peut valoir 250, mais le temps de
commutation est plus grand.
Transistors de puissance en
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6 TRANSISTOR MOS DE PUISSANCE
6.1 Principe
Le transistor effet de champ mtal-oxyde-semi-conducteur, en abrg
transistor MOS de puissance, est driv du transistor effet de champ FET (pour
field-effect transistor ). On l'utilise comme interrupteur lectronique pour fortes
puissances. A la diffrence du transistor bipolaire qui est command en courant, le
transistor MOS est command en tension. Les bornes principales sont le drain et la
source, le courant drain-source est command par la tension grille-source.
6.2 Fonctionnement Avec une tension grille-source nulle, le composant reste bloqu sous tension
drain-source positive jusqu' plusieurs centaines de volts, L'application d'une tension
positive suffisante, d'environ 3 V, la grille induit une charge ngative sur la surface
du silicium sous la grille. Alors la couche P devient une couche induite N et des
lectrons circulent. La cration d'un canal par une tension grille positive fait circuler
un courant drain-source. La tension grille dtermine la profondeur du canal induit et
donc le courant
Le rseau de caractristique du circuit transistor MOS est reprsent par :
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Aux trs basses tensions drain-source, la rsistance du transistor MOS est
constante, mais, aux tensions drain-source suprieures, la tension grille dtermine le
courant. Toutefois, dans les applications de puissance, la tension drain-source doit
tre petite pour minimiser les pertes de conduction l'tat passant. La tension grille
est donc rgle un niveau assez lev pour que la limite du courant drain soit
suprieure au courant de charge autrement dit pour que le transistor fonctionne
l'tat de rsistance constante. La limite de la tension grille est d'environ 20 V.
L'absence de toute accumulation de charge rend la commutation trs rapide:
les temps de mise en conduction et de blocage sont nettement infrieurs une
microseconde. La rsistance l'tat passant d'un transistor MOS est une fonction de
la tension limite de claquage, les valeurs typiques tant respectivement de 0,1 et de
0,5 pour des transistors MOS de 100 et de 500 V. Plus la tension limite est leve, plus la rsistance est grande.
On peut commander directement un transistor MOS de puissance par un circuit
micro-lectronique. Les tensions limites d'un transistor MOS sont nettement
infrieures celles d'un thyristor. Le transistor MOS est le dispositif de loin le
plus rapide. Au-dessus d'environ 100 V, les pertes de conduction sont suprieures
celle du transistor bipolaire et du thyristor, mais les pertes de commutation sont
nettement infrieures. Le coefficient de temprature de rsistance d'un transistor
MOS est positif; le montage en parallle de transistors MOS est donc relativement
simple. Le courant et la tension admissibles d'un transistor MOS sont infrieurs
ceux des transistors bipolaires et ceux des thyristors.
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7. COMPARAISONS DES TRANSISTORS BIPOLAIRES, DES MOS ET DES THYRISTORS
Les transistors bipolaires, les MOS et les thyristors des convertisseurs servent
d'interrupteurs lectroniques. Idalement, de tels dispositifs :
prsentent une tension et un courant illimits,
ont des temps d'ouverture et de fermeture nuls,
ont un courant de fuite nul,
ont des pertes de conduction et de commutation nulles,
ont une puissance d'amorage nulle,
supportent des surintensits et des tensions transistors
sont faciles protger contre les amorages parasites, ou les dfauts
sont de prix modique et faciles monter.
En pratique, les mrites relatifs de nombre de ces dispositifs les rendent plus
aptes pour une application que pour une autre. Dans certaines, il y a concurrence et
le choix du dispositif n'est pas vident. Les critres importants du choix sont trs
souvent les valeurs limites, les pertes de conduction, les pertes de commutation, les
temps de commutation, la stratgie de commande et, finalement le prix.
Le thyristor classique a les valeurs limites les plus leves de tous ces dispositifs: il est robuste, sa perte de conduction est petite, il est bon march, mais
son amorage est lent et on ne peut le dsamorcer qu'en supprimant son courant de
charge. Pour les applications grand public de frquence de 50 ou 60 Hz, le thyristor
classique est souvent le mieux, son aptitude supporter de grandes tensions directe
et inverse tant essentielle pour ces applications.
Dans le cas des applications incluant la production d'une tension alternative
partir d'une source de tension continue (onduleurs), tous ces dispositifs conviennent
et la frquence de commutation est souvent le critre de choix, Le transistor MOS est le seul dispositif retenir si la frquence ou cadence de commutation est des
plus leves, suprieure 100 kHz. Le transistor bipolaire convient pour la gamme
de frquence de commutation allant de 20 100 kHz en raison de son prix moindre,
de sa perte de conduction moindre malgr sa perte de commutation suprieure
celle du transistor MOS. Dans la gamme allant jusqu' 15 kHz, le thyristor blocable
par la gchette et le thyristor asymtrique en particulier conviennent le mieux en
raison de leur robustesse, de leur petite perte de conduction et de leurs surcharge et
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grandeurs transitoires admissibles suprieures.
Les transistors peuvent fonctionner jusqu' 200C et les thyristors jusqu'
125C. Les pertes et les spcifications de refroidissement sont souvent des critres
importants de slection. Les spcifications d'amorage, moins grandes du transistor
MOS command en tension, sont parfois le facteur dcisif comparativement aux plus
svres spcifications du transistor bipolaire et du thyristor commands en courant.
Le thyristor est le plus facile protger contre les dfauts. Cette proprit,
parmi d'autres, limite l'utilisation des transistors dans les quipements
environnement difficile.
On cherche sans cesse amliorer les dispositifs existants et en inventer de
nouveaux plus proches de l'interrupteur lectronique idal. On travaille activement
sur un nouveau dispositif qui allie l'impdance leve de la grille et la mise en
conduction rapide du transistor MOS l'accrochage cumulatif du thyristor et sa
petite perte l'tat passant.
Calcul des dissipateurs thermiques
(Encore appel refroidisseur ou radiateur ou heatsinks)
On appelle dissipateur thermique tout dispositif plac sur un botier de composant pour faciliter le refroidissement dun semi conducteur, son rle est daugmenter la surface de contact du composant avec lair ambiant pour faciliter lvacuation de la chaleur
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CONVERSION CA/CC A LAIDE DES REDRESSEURS
1. Introduction
1.1 dfinition- application
La source dnergie est un gnrateur de tension alternative, monophas ou
polyphas. Le rle du convertisseur sera dimposer au courant dans la charge une
circulation unidirectionnelle.
Les dispositifs correspondants font appel des lments ayant la proprit de
ne permettre le passage du courant que dans un seul sens, dou le nom de
redresseur .
Un redresseur convertit une tension alternative en une tension continue.
Le domaine demploi est trs tendu. La gamme des tensions va de quelque
volts plusieurs centaines de milliers de volt (ligne de transport courant continu),
celle des intensits du milliampre quelque centaines de kiloampres (installations
dlectrochimie)
Principales applications :
- Alimentations continues diverses.
- Charge daccumulateurs
- Industrie lectrochimique pour lalimentation des bains lectrolytiques ou
galvaniques.
- Engins de traction : chemin de fer, mtro.
- Variation de vitesse des moteurs.
1-2 TYPES DE REDRESSEURS
Les redresseurs se divisent en deux grands groupes savoir les redresseurs
demi-onde, une alternance ou simple alternance et les redresseurs pleine onde,
deux alternances, double alternance ou en pont.
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2. REDRESSEURS A DIODES
2.1 Redresseur simple alternance
Considrons le montage redresseur monophas simple alternance non
command.
Par hypothse, l'amplitude de la tension d'alimentation est telle qu'en
conduction, la chute de tension dans la diode est ngligeable.
2.1.1 Charge rsistive
Le trac des formes d'ondes repose sur l'hypothse que la diode conduit
comme un interrupteur ferm lorsque sa tension d'anode tend tre positive par
rapport la cathode et qu'elle cesse de conduire lorsque son courant s'annule, ce
instant elle se comporte comme un interrupteur ouvert
Formes dondes lorsque la charge est une rsistance pure
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Expression et du courant dans la charge
tVvch sinmax= t
RVich sinmax= 0 < t <
vch = 0 < t < 2 ich = 0
Tension moyenne aux borne de la charge
max0
2/
0sin2
21sin21
VttdVtdtV
TVmoy
T === o VV .2max = V est la valeur efficace de la tension sinusodale Courant moyen de la charge
RV
RVchImoy .
max==
tension efficace aux bornes de la charge
2)2cos1(
21(
.2)sin(
.21 max
0
2max
0 max
VtdtVtdttVVeff ===
courant efficace dans la charge
RV
RVeffIeff
.2max==
courant moyen de la diode
RVII moyDmoy .2
max== courant efficace de la diode
RVIeffI Deff .2
max== Tension inverse maximale de la diode
VImax = Vmax
Facteur de forme de la tension de sortie
57.12/
2/
max
max ==== VV
VmoyVeffFF
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Valeur efficace de londulation de la tension aux bornes de la charge
Tout signal peut tre dcompos sous forme : 222
effOndmoyeff VVV += do lon dduit :
max385.0)()( VVmoyVeffVeffOnd == Coefficient de ronflement de la tension
%1.121% ==moy
effOnd
VV
r
2.1.2 charge inductif
La charge cesse de conduire lorsque le courant qui la traverse sannule. le courant iL
sannule langle , une fois que toute lnergie stocke dans linductance est retourne la source de tension.
Formes dondes pour une charge inductive
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Expression de iL :
Lorsque D entre en conduction, le circuit est dcrit par lquation diffrentielle
suivante :
dtdi
LiRtV LL += .sin2 cette quation admet deux solutions : permanente ip et transitoire it .
iL = ip + ito :
)sin(max = tZ
Vip
RL=tan (angle de la charge) et )( LRZ +=
et // tLRt KeKeit == RL= (constante de temps de la charge)
donc :
/max )sin()( tL KetZV
ti += K est une constante que lon dtermine partir des conditions initiales.
t = , ich = 0, langle est gal zro dans le cas dune diode. /max )sin( Ke
ZVK +=
])sin()[sin()( //max tL eetZVti =
est dtermin par iL (t = ) = 0 ; on obtient donc :
0)sin()sin( =+
e Cette quation na pas de solution analytique, on ne peut que la rsoudre
numriquement. Cette solution est donne sous forme dun abaque apparaissant ci-
dessus. Dans cet abaque est reprsent langle en fonction dun angle de charge et dun angle de retard lamorage qui est gal 0 lorsquon utilise des diodes.
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Exemple dutilisation de labaque
= 0 ; L = 20 mH ; R = 5 ; f = 60 Hz ; Vs = 120 V
RL=tan = 56
donc 240 tension moyenne aux bornes de la charge.
)cos1(.2.2
10
maxmax ==
VttdSinVVmoy
Courant moyen dans la charge
RVmoyoy =Im
Car la tension moyenne aux bornes de linductance est nulle. On peut le vrifier
en faisant lintgrale : 0))0()(( == iiLdtdtdiL
Tension efficace aux bornes de la charge.
]2sin21.[
.4]sin[.
21 2max
0 max
== VtdtVVeff Courant efficace dans la charge.
RVeffet
ZVeffIeff
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La seule faon de le calculer, cest de faire lintgrale de lexpression du courant
ou dutiliser labaque suivante.
2.1.3 Charge inductive avec diode de roue libre
Si lon ajoute une diode antiparallle avec la charge, elle se met conduire ds
que la tension aux bornes de la charge devient ngative. Lnergie accumule dans
linductance de charge circulera dans cette diode, cest pour cela que lon appelle
diode de roue libre ou (diode de rcupration).
Le rle de cette diode est dassurer un chemin pour le courant inductif, il sen
suit un courant de charge plus liss et une valeur moyenne de la tension aux bornes
de la charge est plus leve.
Pour le calcul des diffrentes grandeurs les quations de prcdentes peuvent
tre utilises sauf pour les valeurs efficaces.
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2.2. Redresseurs doubles alternance en pont Cest le montage redresseur le plus utilis cause de sa simplicit.
3.2.1 Charge rsistive :
Squence de fonctionnement
Alternance positive : 0 < t < ; D1 et D3 sont polarises en direct et conduisent.
Alternance ngative : < t < 2 ; D2 et D4 sont en conduction.
Expressions de la tension et du courant dans la charge :
VL = Vmax sin(t) 0 < t <
IL = (Vmax / R) sin(t)
VL = - Vmax sin(t) < t < 2 IL = - (Vmax / R) sin(t)
Tension moyenne aux bornes de la charge
max0 max
.2.1
VtdtSinVVmoy ==
Courant moyenne de la charge
RV
RVmoyoy
..2
Im max== Tension efficace aux bornes de la charge
2)2cos1(
21()sin(1 max
0
2max
0 max
Vtdt
VtdttVVeff ===
Courant efficace dans la charge
RV
RVeffIeff
2max==
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Courant moyen de la diode
RV
II moyDmoy .2/ max==
courant efficace dans une diode
RV
IeffI Deff .22/ max==
Tension inverse maximale de la diode
VImax = Vmax
Facteur de forme de la tension de sortie
11.122/.2
2/
max
max ==== VV
VmoyVeffFF
Valeur efficace de londulation de la tension aux bornes de la charge 222
effOndmoyeff VVV += do lon dduit :
max30.0)()( VVmoyVeffVeffOnd == Coefficient de ronflement de la tension
%34.48% ==moy
effOnd
VV
r
Par rapport au montage simple alternance, ce montage a les avantages
suivants :
- meilleur facteur de forme,
- meilleur coefficient de ronflement
- meilleur facteur dutilisation du transformateur
- valeur dondulation plus faible que le montage simple alternance
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3.2.3 Charge inductive
Pour une charge inductive, la seule forme donde qui change cest celle des
courants (iL , iD, etc..) qui devient plus lisse (filtre) cause de linductance qui agit
comme filtre
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2.3. Redresseur triphas simple alternance 3.3.1 Charge rsistive
Pour augmenter la puissance la sortie, on utilise des montages triphass.
Expression de la tension et du courant dans la charge
VL = Vmax sin(t)
IL = (Vmax / R) sin(t) Tension moyenne aux bornes de la charge
maxmax
6/5
6/ max82.0
.233)(
3/21 VVdttSinVVmoy ===
Tension inverse aux bornes dune diode :
Lorsque par exemple D1 conduit D2 voit ses bornes une tension Vb Va
Do :
maxmax .3 VVR =
2.3.2 Charge inductive :
Si la charge est fortement inductive, on peut alors dire que le courant qui la
traverse est continu et on le reprsente par une source de courant.
/6 < t < 5/6
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On obtient donc pour les courbes des diffrentes grandeurs :
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2.4. Redresseur triphas en pont (ou deux voies)
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3. REDRESSEURS COMMANDES (A THYRISTORS) 3.1 Redresseur simple alternance command ( thyristor)
VT
imoy
Le thyristor conduit ds quil reoit son signal de gchette, au blocage il se
comporte comme la diode : son courant sannule ensuite on lui applique une tension
ngative.
Langle est dtermin partir de labaque.
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Expression de la tension et du courant dans la charge
VL = 0 0 < t < et < t
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Tension moyenne aux bornes de la charge
)cos(cos2.2
1 maxmax
== VttdSinVVmoy
Tension efficace aux bornes de la charge
2
2sin2
2sin2
)sin(21 max
max +== VtVVeff Courant moyen dans la charge
RVmoyoy =Im
Courant efficace dans la charge
Cas dune charge rsistive (L = 0)
RVeffIeff =
Cas dune charge inductive, on utilise labaque (page suivante)
Courant dans le thyristor : Ithmoy = Imoy ; et Itheff = Ieff
Tension inverse maximum du thyristor: VRmax = Vmax
Puissance absorbe par la charge : Pch = R.(Ieff)
Courant efficace fourni par la source : Is = Ieff
Puissance apparente fournie par Vs : S = Vs . Is
Facteur de puissance du montage : Fp = Pch / S
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Les valeurs des courants moyenne et efficace (en pu) sont dtermines partir
des abaques : Z
VIB.2=
ieff
imoy
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3.2. Redresseur double alternance point milieu command Dans un montage point milieu, le courant est continu dans la charge si >+
(tant l'angle trouv l'aide de l'abaque). Lquation tablie prcdemment :
])sin()[sin()( //max tL eetZVti =
Cette quation s'annule t = et t = + si = . On peut donc conclure que = correspond la conduction critique et par consquent < correspond la conduction continue et > correspond la conduction discontinue.
3.2.1 Charge inductive >
L'angle = - (dtermin partir de l'abaque) est infrieur , le courant dans la charge est donc discontinu.
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-
Tension moyenne aux bornes de la charge
== )cos(cossin1 max
max
VttdVVmoy
Cette tension est le double que celle trouve en simple alternance
Tension efficace aux bornes de la charge
2
2sin2
2sin2
)sin(1 maxmax +== VtVVeff
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-
Courant moyen d'un thyristor
2Im oyIthmoy =
Courant efficace d'un thyristor
2IeffITheff =
Tension inverse maximale d'un thyristor
Vimax = 2 VmaxCourant efficace de la charge
Ieff se dtermine partir de l'abaque.
3.2.2 Charge inductive < Si > + le courant dans la charge est continu c'est--dire qu'en aucun
instant il ne passe par zro. Normalement, la conduction de Th1 continue jusqu' . Cependant, + , Th2 reoit son impulsion d'amorage et comme il se trouve tre polaris plus positivement que Th1, le courant de Th1 se transfert Th2 et Th1
bloque,
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Tension moyenne aux bornes de la charge
+ +== ))cos((cossin1 max
max
VttdVVmoy
cos2 maxVVmoy =
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-
modes de fonctionnement :
pour < /2 IL> 0 et V L > 0 La puissance la charge est positive, le montage fonctionne en redresseur.
pour < < /2 IL> 0 et V L < 0 La puissance la charge est ngative, le montage fonctionne en onduleur.
Tension efficace aux bornes de la charge
Veff = Vs
3.3 Redresseur double alternance en pont command
Remarque
Lorsque la charge est fortement inductive L >> R, on la reprsente par une source de courant d'amplitude constante et gale IL.
Fonctionnement Th1 et Th3 reoivent en mme temps leurs signaux s'amorage. Il en est de mme
pour Th2 et Th4.
Tension inverse maximale dun thyristor
Vimax = Vs
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Courbes des grandeurs :
3.4 Redresseur double alternance en pont mixte 3.4.1 Redresseur en pont semi-command sans diode de roue libre
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-
Dans le montage mixte, les thyristors d'une moiti du pont sont remplacs par
des diodes. Par rapport au pont tout thyristor, le pont mixte a les avantages suivants:
Dispositifs de commande de gchette plus simples (on commande deux gchettes au lieu de 4).
Rduction du prix du convertisseur: Les diodes cotent moins chres que les thyristors de mme puissance.
Meilleur facteur de puissance. Moins d'ondulation sur le courant de charge.
Fonctionnement
Th1 reoit son signal d'amorage , il conduit avec D3 jusqu' . , D4 devient polaris plus positivement que D3, donc D3 bloqu et D4 s'amorce
naturellement. Le courant de charge circule dans D4 et Th1 jusqu' + ; + , on amorce Th2 qui se met conduire provoquant ainsi le blocage de Th1. D4 est
toujours passante et elle conduit avec Th2 jusqu' 2 cet instant, D3 devient polarise plus positivement que D4, par consquent,
D3 et Th2 sont en conduction jusqu'au prochain amorage de Th1.
Tension moyenne aux bornes de la charge
)cos1(sin1 maxmax +== VttdVVmoy
Tension efficace aux bornes de la charge
2
2sin12
max)sin(1 max +== VtdtVVeff
courant efficace dans le secondaire du transformateur
== 11 LL ItdIIs
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Remarque
La tension aux bornes de la charge ne s'inverse pas, comme si une diode de
roue libre tait prsente. Ce montage fonctionne en redresseur seulement et ne peut
pas fonctionner en onduleur.
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3.4.1 Redresseur en pont semi command avec diode de roue libre
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Tension moyenne aux bornes de la charge
)cos1(sin1 maxmax +== VttdVVmoy
La dure de circulation du courant dans les thyristor, et les diodes principales
vaut 180 moins l'angle de retard d'amorage, La diode de roue libre conduit un
courant dcroissant de charge durant les intervalles o elle se trouve sous tension
nulle. Pendant ces intervalles de roue libre, le courant alternatif d'alimentation est
galement nul.
Comparativement au redresseur totalement command, le redresseur semi-
command est meilleur march, mais le courant alternatif de lalimentation est plus
dform en raison de ses tapes valeur nulle. On ne peut utiliser le redresseur
semi- command dans le mode onduleur assist, seul le montage totalement
command (tout thyristors) permet dinverser la tension moyenne.
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3.5 Redresseur triphas simple alternance command
Redresseur triphas simple alternance command (tout thyristor) Tension aux bornes de la charge pour 3 valeurs de
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Tension moyenne aux bornes de la charge
cos
233sin
3/21
max6
5
6max VttdVVmoy == ++
Courant moyen dans un thyristor
3Im oyIthmoy =
Courant moyen dans un thyristor
3IeffItheff =
Puissance de la source
IeffVsVsIeffS ..3.3
3 =
=
3.6 Redresseur triphas en pont command (pont de Gratz)
Squence de conduction des thyristors
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Courbes :
Courbes :
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-
3.7 Redresseur triphas en pont mixte
Pareillement au montage en pont monophas mixte, on retrouve le mme
fonctionnement. On peut dire que ce montage est divis en deux parties: un demi-
pont suprieur thyristor et un demi-pont infrieur diode. Le demi-pont suprieur
est amorage contrlable, par contre, le demi-pont infrieur commute
naturellement: la diode qui a la tension la plus positive conduit.
Fonctionnement
t = on amorce Th1 qui conduit avec D6 (la tension VAB est la plus positive cet instant. Lorsque VAC devient plus positive que VAB, D6 arrte de conduire et D2
prend la relve. Si VBC devient plus positive que VAC, D2 ne voit pas cette tension et
elle continue conduire jusqu'au prochain amorage de Th3.
Tension moyenne de la charge
)cos1(.233
max += VVmoy
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Squence de conduction pour diffrents angles damorage
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4 Charge avec force lectromotrice On tudiera dans cette partie l'effet de l'introduction d'une Fe.m. dans la charge.
La charge est donc constitue d'une rsistance, d'une inductance et d'une Fe.m.
Ce dernier cas se prsente lorsqu'on utilise un redresseur pour charger une
batterie ou alimenter un moteur courant continu. Dans les petits chargeurs de
batterie, l'inductance est pratiquement nulle. Dans les gros chargeurs, l'inductance
n'est pas leve non plus et parfois on en rajoute une pour filtrer le courant.
Dans le cas des moteurs courant continu, c'est plutt le contraire qui se
passe: l'inductance est trs leve et la rsistance est faible.
4.1 Redresseur diode simple alternance alimentant une charge R.E.
La diode D ne peut pas conduire tant que Vmax sint < E D commence conduire lorsque :
Vmax sint = E max
sinV
Et =
t = = (sin(m))-1 o maxVEm =
La diode D cesse de conduire t = -
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Expressions de ich et de vch
REtV
ich= sinmax
vch = Vmax sint 0 < t <
ich = 0
vch = E < t < 2 +
Courant moyen
( ))(coscos2
sin21 maxmax
=
= mR
Vtd
REt
RV
Ich
Tension moyenne
Vch = R. Ich + E
Courant efficace
2
max sin21
= mtRV
I chE
+++= ))(21()cos(cos2)2sin2(sin
41
2
2max mmR
VIchE
Tension efficace
[ ]tdEtdtVVchE ++= 2max )sin(21
++= 2))(21()2sin2(sin
41
2
2max mm
VVchE
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Phnomne dempitement
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CONVERSION CA/CA A LAIDE DE GRADATEURS.
1. INTRODUCTION Un gradateur est un convertisseur qui fait la conversion ca/ca frquence fixe.
Le rle de ce convertisseur est dappliquer aux bornes du rcepteur une tension
alternative amplitude variable.
Par consquent, un gradateur commande le niveau de la tension efficace aux
bornes de la charge.
PRINCIPALES APPLICATION
Chauffage industriel.
Eclairage (variation de la luminosit) .
Commande de vitesse pour moteur induction (pompe, ventilateur)
2. MONTAGES MONOPHASES.
Utilisation dun triac
Utilisation de 2 thyristors tte-bche
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-
Montage avec 2 diodes et 2 thyristors
Montage avec 1 seul thyristor
2.1 Gradateur alimentant une charge rsistive
Formes dondes
Vch = Vmax sint pour < t < et + < t < 2
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-
22sin1
2)(sin1 maxmax +== VdttVVchE
= 0 2
maxVVchE = = , VchE = 0
RV
I chEchE =
2.2 Gradateur alimentant une charge inductive
Formes dondes
Pour que le gradateur opre de faon correcte, il faut que l'angle soit infrieur ou gal + . Le courant instantan dans la charge est donn par :
= )(max ).sin()sin(2
tLR
ch etV
i
Si = , ich s'annule + donc: < <
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-
3. TECHNIQUES DE COMMANDE DES GRADATEURS
Commande par retard de phase (variation de l'angle ) . Commande par train d'alternance (Integral Cycle Control), application pour
les lampes car leur inertie thermique est leve
Commande par train dalternances
La commande par train d'ondes est dconseiller lorsque les puissances mises
en jeu sont importantes. Cette commande gnre des sous-harmoniques qui sont
injectes dans le rseau et qui peuvent perturber les lignes tlphoniques et les
alimentations avoisinantes.
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-
Remarque Tous les distributeurs dnergie lectrique ont une rglementation du facteur de
puissance dans les industries et impose des pnalits en cas de non respect du
facteur de puissance minimale permissible. Quant aux harmoniques injectes dans
le rseau, dans l'immdiat il ne y a aucune restriction gnrale; sauf quen Europe
o des lois de plus en plus svres sont adoptes.
4. GRADATEUS TRIPHASES Il existe plusieurs configurations triphases et quelques exemples sont donnes
ci-dessous :
1- Gradateur tout thyristor en toile 2- Gradateur mixte en toie
Mham ed EL MRABET 60 3- Gradateur tout thyristor, charge en 4- Gradateur en triangle dans charge
-
5- Gradateur tout thyristor en triangle
Conclusion :
Quelle configuration choisir? Cela dpend de l'application. Si on est en grande
puissance, on essaiera de choisir une topologie qui injecte un minimum
d'harmonique dans le rseau. La configuration 5 injecte un minimum d'harmonique.
Mhamed EL MRABET 61
-
CONVERSION CC/CC A LAIDE DE HACHEURS
1. introduction
Un convertisseur CC/CC est un montage de puissance qui effectue la
transformation courant continu fixe courant variable. Ce convertisseur que lon
appelle hacheurs trouve normment dapplications dans lalimentation tension
variable des moteurs courant continu.
Les hacheurs sont trs rpondus dans le domaine de traction lectrique
courant continu, par exemple sur des engins de chemin de fer et trolley bus, o la
puissance peut aller jusqu1MW.
Ils assurent une bonne acclration, un haut rendement ainsi quune rponse
dynamique trs rapide. On peut aussi les utiliser pour rcuprer lnergie de freinage
dune machine CC. Cette nergie est renvoye la source alternative et il en
rsultera une conomie dnergie surtout si les arrts sont frquents. Enfin, les
hacheurs sont aussi utiliss dans les alimentations dcoupage.
2. principe du hacheur
2.1 Hacheur alimentant une charge rsistive
Le montage de base du hacheur de tension apparat la figure ci-dessous. Son
fonctionnement est assur par la dure de fonctionnement et la dure de repos de
linterrupteur K.
Mhamed EL MRABET 62
-
Lorsque k est ferm pendant une certaine dure t1 , la forme de tension V est
applique la charge. Si K est ouvert pendant la dure t
s
2, la tension aux bornes de
la charge est nulle. Linterrupteur K peut tre un transistor de puissance, un
MOSFET, Un GTO ou un thyristor communication force.
2.2 Hacheur alimentant une charge inductive
Lorsque la charge est inductive, il faut rajouter une diode de roue libre aux
bornes de la charge pour faire circuler lnergie de linductance lorsque K est ouvert.
Forme dondes
Mhamed EL MRABET 63
-
Expression de ich(t) en conduction continu :
0< t < T : K ferm
Lquation diffrentielle dcrivant le fonctionnement de ce circuit est :
Vs = R i1 + dtLdi1
Sa solution est de la forme :
i1(t) = A + B e-t/ o = RL : constante de temps de la charge
t=0, ich (0) =Imin et i1(t=0) =A+B = Imin RVs + B = Imin
t= , ich( )= RVs et i1(t= )=A= RVs B = Imin - RVs
i1(t)= RVs + (Imin - R
Vs ) e -t/
i1(t) = RVs (1-e ) + I-t/ min e -t/
Mhamed EL MRABET 64
-
T< t
-
Imax= RVs ( 1- e )- I-T/ max e-T/
Imax (1- e-T/) = RVs ( 1- e-T/ )
Imax=
/
1(
1
)/
T
es
eR
V T
(4.4)
2.3 Hacheur alimentant une charge R.L.E
Ce cas prsente lorsque la charge est une batterie ou une machine courant continu.
Formes dondes
2.4 Mode de fonctionnement des hacheurs
Il existe trois modes de fonctionnement qui sapplique tous les hacheurs. Ces modes sont dcrits brivement ci-dessous :
1. modulation de largeur dimpulsion (PWM) : la dure de fonctionnement
TON de linterrupteur K est variable tandis que la priode de hachage T est fixe. Ce
Mhamed EL MRABET 66
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mode est le plus utilis. Car il permet un filtrage plus ais aux harmoniques qui en
rsultent des frquences fixes.
2. modulation de frquence : la frquence de fonctionnement f = 1/Test
variable alors que ou bien t1 ou t2 est gard constant , la plage de variation de la
frquence doit tre assez grande pour pouvoir faire varier la puissance la charge
de 0 son maximum. Ce type de contrle gnre des harmoniques des
frquences difficiles prdire et le design du filtre est plus compliqu.
3. modulation de largeur et de frquence dimpulsion : les deux paramtres
de contrle sont variables, ce type de contrle a les mmes inconvnients que le
prcdent, cependant il assure une meilleure rponse dynamique ( lors des
transitoires). Exemple de ralisation pratique : le rgulateur fourchette.
3. Alimentation dcoupage
Les alimentations dcoupage ont vu le jour depuis plusieurs annes et leur emploi se gnralise en raison de leurs avantages : encombrement rduit, faible poids, excellent rendement et par consquence faible dissipation de chaleur. Alors que, dans les aliments classiques. Le transistor de rgulation se comporte comme
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-
une rsistance qui varie pour maintenir constante la tension de sortie, lalimentation dcoupage reprend le principe du hacheur au dbut de ce chapitre.
Dans lalimentation classique, le transistor dissipe la puissance non utilise par
effet joule qui doit svacuer laide dun refroidisseur. Le rendement de ces
alimentations ne dpasse pas 50% dans de bonnes conditions. Dans lalimentation
dcoupage, le transistor travaille en commutation. Il dissipe le minimum dnergie. Le
rendement peut dpasser 80%. Comme ces montages travaillent des frquences
leves, 100kHz et plus au fur et mesure de lvolution des techniques de
commutation, le filtrage ne requiert pas dinductance et de condensateur volumineux.
En outre, le transistor interrupteur (MOSFET) ne dissipe que peu de puissance et ne
ncessite quun radiateur de faible dimension. Le domaine dapplication o une
tension continue est requise.
Les alimentations dcoupage trouvent normment dapplication dans le
domaine de llectronique, les tlcommunications, les appareils mdicales, etc
typiquement la tension de sortie est de 3.3V, 5V, 12V, 24V, 48V et la puissance varie de quelques watts quelques centaines de watts. Les trois
configurations de base utilises dans ces alimentations dcoupage sont labaisseur
(buck), llvateur (boost) et labaisseur- lvateur (buck-boost). Les autres
configurations telles que le flyback (stockage magntique de lnergie), le forward
(conduction directe), le puch-pull et le pont complet ont tous t dduites partir de
ces montages de base.
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-
3.1 hacheur abaisseur schma et principe de fonctionnement
0
-
Formes dondes
Fonction de transfert du hacheur abaisseur
Si lon nglige la chute de tension aux bornes de K lorsquil est en conduction.
La tension moyenne la charge est donne par :
Vch= T1 1
0
tsV dt = T
t1 Vs = Vs
O : T est la priode de hachage ;
et est le rapport cyclique ( duty cycle).
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Fonction de transfert du hacheur abaisseur
En faisant varier le rapport cyclique de 0 1, Vch varie de 0 Vs .donc, en agissant sur , on peut contrler le transfert de puissance la charge.
3.2 Hacheur lvateur (survolteur)
Schma et principe de fonctionnement
0 < t < T : K ferm Vs est un court-circuite par
K. linductance L de faible valeur
(quelque H) se charge avec une pente Vs / L. aucune nergie nest
transfre la sortie et la diode
D empche le condensateur de
sortie Co de se dcharger dans K.
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- T
-
Fonction de transfert de llvateur
Reprenons la forme dondes du courant dans linductance L lorsque la conduction est continue et dterminons son expression. Nous dduirons ensuite la fonction de transfert du hacheur lvateur.
0
-
Remplaant Imax de(7) par sa valeur donne en (6)
(7) i2(t) = LV chVs (t-T) + L
Vs T + Imin
i2(t=T)= Imin = LV chVs (T-T)+ L
Vs T + Imin
LVV sch (T-T) = LVs T
(Vch-Vs) (1-)= Vs
Vch(1-)-Vs(1-)= Vs
Vch (1-)= Vs(+1-)
sch
VV = 11
Fonction de transfert du convertisseur lvateur
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3.3 Hacheur abaisseur-lvateur
schma et principe de fonctionnement
0
-
Formes dondes
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-
Fonction de transfert de labaisseur-lvateur
Nous la dduisons partir de lexpression du courant iL en conduction continue.
0
-
I2 = - LVch (t - T) + Imax
Remplaant Imax dans (11) par sa valeur donne en(10)
I2(t) = - LVch (t - T) + L
Vs T + Imax
LVch (T - T) = L
Vs T
Vch(1-) = Vs
sch
VV = 1 0 0.25 0.5 0.750 0.9 Vch/Vs 0 0.33 1 3 9
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4. calcul des filtres de sortie
4.1 calcul du filtre de sortie de labaisseur
On suppose que Ich est constant donc iL =ic
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Formes dondes
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4.2 Calcul du filtre de sortie de llvateur
Mhamed EL MRABET 82
-
Hypothse :
Le courant Ich est constant donc, IL = Ic0 < t < T,: Le condensateur de sortie fournit le courant Ich la variation de tension (Vc) rsultante est:
TCI
dtIC
Vc chT
ch .1 0 == .
. fCI
Vc ch=
Dterminons Ic : 0 < t < T
minItLVsiL +=
minmax ITLVsI +=
TL
VsIII L == minmax
fLVsI L .
=
Sachant que: = 11
VsVch
ch
ch
VVsV =
En remplaant: ch
chL VfL
VsVVsI
..)( =
4.3 Calcul du filtre de sortie de labaisseur levateur
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-
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Ich est suppos constant
Mhamed EL MRABET 85
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CONVERSION CC/CA A LAIDE DONDULATEURS
1 Introduction
Ces dispositifs ont pour but , dobtenir une source de tension de courant
alternatif, sinusodal ou non , frquence fie ou frquence variable ; partir dun
gnrateur de tension continue , do leur nom courant donduleurs . Nous
distinguons cependant deux types importants :
a) les onduleurs autonomes : ainsi appels parce quils sont capable de
crer eux mmes la tension alternative aux bornes dun rcepteurs mme
passif. La commande des interrupteurs est indpendante de toute source
externe ;
b) les onduleurs non autonomes : (ou pilots ou assists) ainsi
dnomms parce que la tension alternative aux bornes du rcepteur est
impose par ce dernier. Son rle est alors dassurer le transfert de lnergie
prleve sur une source courant continu une source tension alternative
(en gnral rseau ) . la commande des interrupteurs dpend de ltat du
rseau.
Principales applications
Alimentation de secours pour lalimentation instantane, partir daccumulateurs dune installation normalement connecte une rseau alternatif
lorsque ce dernier est dfaillent (exemple : ordinateur de grande envergure) ;
Les entranements courant alternatif : moteurs asynchrones vitesse variable ;
Liaison entre deux rseaux (HVDC) ; Echauffement, durcissement et la fonte des mtaux laide de fonte
induction constitue donduleurs fonctionnant entre 500Hz et quelques centaines de
kHz ;
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-
Engins de traction base de moteurs courant alternatif. Selon le systme alternatif que lon dsire produire la sortie on peut utiliser
soit des onduleurs monophass soit des onduleurs triphass. La tension alternative
que lon produit la sortie peut tre variable en frquence seulement ( amplitude
fixe) ou variable en frquence et en amplitude.
2 Montage de base dun onduleur
Le montage de base dun onduleur est londuleur en demi-pont et son principe
consiste imposer une tension positive et ngative aux bornes de la charge. Pour
cela, il faut utiliser deux hacheurs tte-bhe.
3 Onduleurs alimentant une charge RL
3.1. Onduleur en demi-pont
A linstant t=0 on ferme T1, on a vch= +Vs le courant est inductive le courant ich
stablit dans la charge avec une loi fonction de cette dernire (exponentielle pour
une charge RL).
A linstant t=t1, on ouvre T1, si la charge est inductive le courant ne peut pas
varier instantanment et cest la diode D2 qui se met conduire ce courant, on a
vch=+Vs. On dit quil y a commutation de T1 D2.
Pendant que D2 conduit, T2 ne peut pas fermer puisque la tension est ngative
ses bornes .ds que le courant sannule (instant t2) on peut fermer T2. la phase de
t1 t2 est la phase de rcupration . Si on envoie un signal de commande T2
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ds que la tension ses bornes le permet, on ralise une commande adjacente .
A noter que lon enverra le signal de commande sur T2. la phase de t1 t2 est la
phase de rcupration .
Si on envoie un signal de commande T2 ds que la tension ses bornes le
permet, on ralise une commande adjacente . A noter que lon verra le signal de
commande sur T2 ds linstant t1 pour tre certain damorcer T2 ds le passage par
zro du courant dans. la charge.
3.2 Onduleur en pont monophas
Dans la pratique la source continue est unique et cela conduit la structure des
onduleurs en pont.
La figure ci-dessus reprsente le schma dun onduleur monophas en pont.
On envoie sur les bases des transistors T1 etT4 des signaux complmentaires.
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Dans lexemple prcdent, si on attend un certain temps aprs le passage par
zro du courant envoyer un signal de commande T2 on ralise une commande
dcale .
On voit que dans ce dernier cas la charge intervient sur la forme de la tension
de sortie de londuleur puisque linstant t2 est fonction de la charge.
4 Commande dcale dun onduleur en pont
Dans le schma de la figure ci-dessus, on envoie aux transistors T1 et T4 des
signaux de commande complmentaires. On envoie aux transistors T2 et T3 des
signaux de commande complmentaire mais dcal dun angle r par rapport aux prcdents.
A linstant t0, ich=0 et vch= +Vs. de t0 t1, les thyristors T2 et T4 conduisent .un
courant positif circule dans la charge et lon a vch= +Vs.
A linstant t1, on ouvre T4. si la charge est inductive le courant ne peut pas varier
instantanment et cest la diode D1 qui se met conduire . la tension aux bornes de
la charge est nulle : cest la phase dite roue libre.
A tout instant de cette phase de roue libre, nous pouvons passer une phase
dite de rcupration en ouvrant T2. il y a alors commutation T2D3. cette phase de
rcupration durant laquelle vch== - Vs . dessus
On dispose donc dune tension qui dlivre une tension +Vs, 0, -Vs.
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-
5 Rglage de la tension de sortie dun onduleur par variation de r. Il est clair la figure prcdente que pour une tension d'alimentation Vs fixe, on
peut rgler la valeur efficace du terme fondamental de la tension de sortie de
l'onduleur en rglant la dure de la priode de roue libre, c'est--dire en faisant varier
l'angle r.
la valeur efficace de la tension de sortie est : VchE = Vs r1
B1 =1 20
sin)( tdtf = 2 2
2
r
r
sV
sint dt = sV2 [ ])2cos(2cos rr
B1 = sV4 cos 2r La valeur efficace du terme fondamental de la tension de sortie est
Vch1E=21B = 2
4 sV cos 2r
On aussi lhabitude de calculer le rsidu dharmoniques de la tension r . cest
par dfinition le rapport de la valeur efficace de rsultante de toute les harmoniques
sauf le fondamental la valeur de la tension
)1(
)2
(cos811
2
12
12
=
==
chE
Ech
chE
EchchE
VV
VVV
r
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La figure ci-dessous donne les variations de r en fonction de r.
Pour r = 0 ; r = 0.435, Vch1E est maximum
Si lon tolre le rsidu dharmonique de londe rectangulaire, soit =0.45, on pourra faire varier cosr/2 entre 0.7 et 1, soit Vch1E dans une plage de 0.7 1. Cest ce que lon choisira dans la pratique . on notera que le rsidu dharmonique est
minimum pour r=47.
On pourra par le calcul trouver que pour r=60, lharmonique de rang 3 est nulle.
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6 onduleur triphas en pont
Le schma dun onduleur triphas est donn la figure suivante. Il est
principalement constitu de six interrupteurs de puissance. La source Vs a t
divise en deux sources de valeurs Vs/2 et entre ses deux sources un neutre fictif (le
point O) est plac.
Il existe plusieurs techniques de commende de cet onduleur, la plus populaire
est la commande par modulation de largeur dimpulsion (MLI). Ltude de cet te
commende sort du cadre de ce cours; dans ce qui suit nous illustrerons deux
mthodes simples de commande soit ,la commande 120 et commande 180 .
6.1 Commande 120
La commande 120 est identique celle dun pont thyristors triphas
aliment par le rseau de distribution. Dans le cas dune commande 120 chaque
transistor est command pendant 120. Il y a donc un trou de 60 entre les
commandes de 2 transistors dun mme bras. Les commandes des transistor dun
bras sont dcales de 120 par rapport aux transistors dun bras voisin.
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Les formes dondes dans le cas dune charge rsistive sont donnes la figure
suivant.
Dans le cas dune charge inductive louverture dun transistor (T1 par exemple) le courant ne pouvant varier instantanment, cest une diode qui prend le relai (D4 lorsquon ouvre). On inverse donc la tension VA V0 jusqu lannulation du courant.
Ainsi, la forme de la tension va dpendre de la nature de la charge.
6.2 Commande 180
Ici chaque transistor est command pendant 180, les commandes de 2
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transistors dun mme bras sont complmentaires, les commandes des transistors
dun bras sont dcales de 120 par rapport aux transistors du bras voisin.
Les formes donde sont reprsentes la figure suivant. Avec cette commande
on impose tout instant la tension de sortie quel quoi soit la nature de la charge.
On peut remarquer que lon obtient une tension entre phase identique celle dun
onduleur monophas commande dcale avec r ==60, do un minimum dharmoniques et suppression du 3e harmonique.
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7 REGLAGE DE TENSION DANS UN ONDULEUR
Onduleur frquence fixe
Pour un onduleur frquence fixe, si lon veut une tension fixe pour un dbit
variable, il y aura lieu dutiliser une rgulation . en effet , on a pas une impdance
nulle comme sur tous les rseaux. la source prsente une certaine impdance
interne et la tension chute avec le dbit.
Cest par exemple le cas pour les onduleurs utiliss comme groupe de secours
partir de batteries daccumulateurs. Ainsi si lon veut rguler la tension, il faut
pouvoir rgler le rapport entre tension entre et tension de sortie.
Onduleur frquence variable
Pour raliser un onduleur frquence variable , il faut faire varier f, ceci
concerne les circuits de commande des transistors, cest un problme dlectronique,
Dans la plupart des applications des onduleurs frquences variable ( alimentation
de machine synchrones , asynchrones ou de transformateurs ) il faudra maintenir
V/f= cte. On est donc amen faire varier la tension de sortie de londuleur.
Onduleur commande 120 ou 180
Dans un onduleur commande 120 la forme de la tension de sortie dpend
de la nature et de la valeur de la charge . Londuleur prsente donc une impdance
interne, fonction de la charge , cest un cas peu intressant dans la pratique.
Dans un onduleur commande 180, on dispose dun onduleur transparent
impdance interne trs faible ( lensemble transistor diode tte bche se
comporte comme un court circuit) cest la commande utilise dans les applications
usuelles.
Onduleur avec alimentation Vs variable
Lorsque londuleur est aliment sous une tension Vs variable , sa tension de
sortie devient naturellement variable . il suffit alors de rgler la frquence partir de
llectronique de commande pour maintenir V/f= cte.
Lensemble des remarques que nous venons de prsenter montre clairement
limportance du rglage de la tension de sortie des onduleurs partir dune tension
dalimentation fixe. Les deux principes utiliss pour effectuer ce rglage sont :
- le rglage par dphasage ;
- le rglage par modulation.
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BLOCS DE COMMANDE
1. DCLENCHEUR POUR REDRESSEMENT COMMAND La structure d'un dclencheur comporte obligatoirement:
une alimentation stabilise pour les circuits intgrs, un transformateur pour apporter la tension de synchronisation et assurer l'isolement en entre,
un transformateur d'impulsion pour transmettre un signal adapt aux caractristiques de gchette des thyristors, et assurer l'isolement en sortie,
et enfin un tage provoquant le retard entre la sinusode de rfrence et l'apparition des impulsions.
En version industrielle, on dispose des amliorations ci-dessous:
choix entre une commande interne de tension (les butes sont fournies par deux rsistances fixes entourant un potentiomtre) pour les montages en boucle ouverte,
et,
une commande par tension externe (les butes provenant alors d'un montage diodes figures A8f, g, h) pour les systmes en boucle ferme,
ralisation d'un train d'impulsions dont on contrle l'instant de dpart, sorties synchrones grce l'emploi de transformateurs d'impulsions double secondaire,
- disjoncteur lectronique provoquant l'arrt des impulsions ou bien commutant la tension de commande sur la valeur de bute maximale.
Nous avons dj rencontr le dclencheur TCA 785 qui provoque un retard
proportionnel une tension; nous allons aborder un dclencheur plus intressant.
1.1. Commande linaire; commande en arc cosinus
Le but est d'obtenir une tension redresse dont la valeur moyenne U0 varie
linairement avec la tension de commande Uc ; les tensions alternatives du circuit de
puissance tant imposes par le rseau de distribution et un transformateur d'entre
ventuellement.
La valeur thorique de la tension redresse, en dbit ininterrompu la sortie du
montage redresseur varie en cos pour les montages tout thyristors et en (1 + cos)
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pour les montages mixtes.
On voit que si la tension de commande Uc peut s'identifier UCM cos, alors la proportionnalit U0 = k.Uc est obtenue.
L'intrt de la commande linaire est que la fonction de transfert du montage
redresseur se rduit en rgime permanent une constante, ce qui facilite la
modlisation d'un asservissement et permet de prdterminer le gain de boucle. Ceci
reste vrai si les fluctuations de Uc sont de constante de temps leve devant la
priode du secteur. (Voir figure A8b).
En termes d'asservissement les harmoniques de tension redresse sont une
entre de perturbation; leurs effets doivent tre limins par filtrage avant toute
rtroaction.
Etude du comparateur
L'impulsion d'amorage d'un thyristor est synchrone du basculement d'un
comparateur; ses entres sont soumises respectivement :
; la tension de commande Uc continue, ou lentement variable, et comprise entre deux butes,
; - une tension c cost ; cette tension est en quadrature avance sur la fonction sint. Ici t = 0 correspond l'instant de commutation naturelle (dbut de conduction
d'une diode dans le montage homologue ou l'on aurait substitu des diodes aux
thyristors). La tension aux bornes du thyristor, bloqu sous tension positive et en
attente d'amorage, volue en sint. Le tableau B4 indique les tensions anode-cathode des thyristors, et la cosinusode
en quadrature avance appliquer au comparateur.
Relation entre butes de tension et butes d'angle de retard:
UCM= VccosmUcm = Vc cosM ; en principe M = 150
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A81 : Dclencheur linaire pour redressement monophas monoalternance
1.2. Redressement monophas command
Considrons le montage de principe A81 ; c'est un dclencheur
monoalternance qui produit une seule impulsion toutes les 20 ms (f = 50 Hz) un
instant rglable, par la tension Uc, de l'alternance positive de la tension de
synchronisation.
Voyons comment obtenir un dclencheur double alternance pour amorcer Th1
l'instant / et Th2 l'instant ( + )/ . on peut penser doubler compltement le montage A81 condition de
disposer d'une deuxime tension de synchronisation en opposition de phase sur la
prcdente; en pratique ces deux tensions de synchronisation seraient fournies par
un transformateur secondaire point milieu, ce point tant reli la masse du
dclencheur.
Inconvnients : nombre total lev de composants; reprage ncessaire de la concordance de phase entre la commande et la puissance.
il faut comparer Uc c.cost quand sint > 0 et Uc a - c.cost quand sint < 0 pour produire une autre impulsion 10 ms plus tard. D'o l'ide d'un amplificateur de
gain 1 command par le signe de v.synchro. ; cet tage Amplificateur Oprationnel comporte un transistor en commutation soit bipolaire (penser le
protger en Vbe < 0) soit JFET (penser crter Vgs> 0 par une diode).
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A l'tat bloqu ce transistor est soumis la tension c cost qui prsente les deux signes possibles; on a donc pendant 5 ms Vce < 0 ou Vds < O.
Il faut limiter l'amplitude c pour ne pas dtruire le composant.
Ce dclencheur cre des impulsions de sortie toutes les 10 ms et convient
l'amorage des montages deux thyristors P2 et PD2 mixte, avec bien sr un trans-
formateur d'impulsions double secondaire. Ce montage A82 a ses oscillogrammes
principaux reprsents figure A8a.
Comment amorcer un pont PD2 complet 4 thyristors ?
L encore deux solutions sont possibles:
- utiliser deux montages A82 absolument identiques: entre autres mme niveau de
tension c cos rot et mme tension de commande Uc ; il faut relier les secondaires
d'un transformateur d'impulsions aux thyristors d'une diagonale.
Les quatre thyristors reoivent simultanment des impulsions ; la diagonale l'tat
bloqu va s'amorcer provoquant l'application d'une tension ngative aux thyristors
qui conduisaient; ces derniers se bloquent par commutation naturelle malgr les
impulsions, inoprantes sous tension Vak ngative.
- on peut aussi adopter un montage tel que A84 dans lequel on a prvu quelques
amliorations:
filtrage de la sinusode de synchronisation pour s'affranchir des harmoniques du secteur et des parasites; c'est l'ensemble filtre d'entre et dphaseur qui doit
fournir un dphasage global de 90 (par exemple 10 + 80 pour le 50 Hz),
production d'un train d'impulsions pendant une dure fixe par le changement d'tat d'un monostable ; cela facilite l'amorage des thyristors sur
charge fortement inductive,
aiguillage du train d'impulsions par une porte ET sur l'un des transformateurs d'impulsions suivant le signe de v synchro. Il est ncessaire de reprer la
concordance de phase entre la commande et la puissance,
mise en uvre du disjoncteur lectronique.
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A82 : Dclencheur linaire, bialternance, pour montages deux thyristors
Il existe des dclencheurs industriels commande numrique, dont les
lments essentiels sont:
une boucle verrouillage de phase, pour grer les signaux de la haute frquence et les asservir aprs division, sur le 50 Hz ;
une mmoire qui ralise la fonction Arc Cos; un compteur prpositionnable partir de la tension de commande Uc et
d'un convertisseur analogique - numrique;
une logique de sortie permettant de commander l'ensemble des thyristors; une interface de sortie avec des transformateurs d'impulsions.
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1.3. Redressement triphas command
Un dclencheur pour montage P3 ou PD3 mixte demande trois sorties
produisant chacune une impulsion tout les 20 ms ; ces sorties sont dcales d'un
tiers de priode sur la prcdente d'o la ncessit de disposer de tensions de
synchronisation elles-mmes dphases; le tableau B4 indique les tensions utiliser
pour raliser un dclencheur en Arc Cosinus.
Le montage A83 a pour particularit de fournir trois trains d'impulsions chacun
de dure 120 et dphass de 120 dans l'ordre de succession des tensions de
synchronisation.
La borne de Remise A Zro des bascules JK permet une temporisation et une initialisation Q = 0 de toutes les bascules, lors de la mise sous tension des cartes
lectroniques.
Le disjoncteur lectronique peut agir diffrents endroits: RAZ de l'oscillateur
produisant les impulsions Haute Frquence, ou RAZ des bascules JK, ou encore commutation de Uc sur Ucm ; cette dernire possibilit est fortement recommande
en onduleur assist .
Comment commander un pont complet PD3 six thyristors?
une solution consiste utiliser deux dclencheurs tels que A83 ; les tensions de synchronisation tant globalement V1, V2, V3, on disposera de trois transformateurs de synchronisation secondaire point milieu; il faut s'assurer
du respect des indications du tableau B4,
une autre solution sera dveloppe au chapitre B4.
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A83 : Dclencheur triphas pour montage
2. DCLENCHEUR POUR HACHEUR A TRANSISTOR Il faut raliser un gnrateur de crneaux, le plus souvent de frquence fixe, de
rapport cyclique rglable par tension; le plus simple consiste comparer un signal
e(t) en forme de rampes (soit un triangle symtrique, soit une dent de scie) avec une
tension continue Uc. (fig. A85).
Synoptique de la commande dun hacheur transistor
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L'intervalle de variation de Uc est maintenu par un circuit d'crtage l'intrieur
de l'intervalle de variation de e(t) :
e min < Ucmin < Ucmax < e maxde sorte que le rapport cyclique prsente deux butes:
minmax
minminmin ee
eU c= ;
minmax
minmaxmax ee
eU c=
Le problme le plus dlicat consiste en l'interfaage de la sortie du comparateur avec
le transistor de puissance commander.
3. DCLENCHEUR POUR HACHEUR A THYRISTOR
Il faut galement raliser un gnrateur de crneaux de rapport cyclique
rglable la sortie S d'un comparateur. Le thyristor principal Thp est amorc par une
impulsion, ou un train de dure calibre, synchrone du front montant de s(t) ; le
blocage de Thp concide avec l'amorage du thyristor d'extinction The par une autre
impulsion synchrone du front descendant de s(t).
L'interfaage comporte entre autres deux transformateurs d'impulsions. (fig. A86)
Synoptique de la commande d'un hacheur thyristors
L'intrt de tels dclencheurs appliqus un hacheur SERIE est la linarisation
de la fonction de transfert U0 = k UC.
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Les fluctuations ventuelles de la tension Uc sont de trs basse frquence par
rapport la frquence de hachage. Les harmoniques de la tension hache sont
assimilables une perturbation priodique, et leurs effets doivent tre limins.
Limitation symtrique dune tension de commande
Limitation dissymtrique par butes fixes diodes Ziner
4. COMMANDE M.LI. POUR UN ONDULEUR A TRANSISTOR L'intrt de la commande par Modulation de Largueur d'Impulsions rside dans
le contenu harmonique du signal de commande qui se retrouve galement au niveau
de la tension ondule aux bornes du rcepteur :
un fondamental la frquence dsire des tensions alternatives de sortie; son amplitude est ventuellement rglable par montage potentiomtrique,
ou par amplificateur gain command par tension (voir un exemple fig.
A8c)
A8c : Amplificateur gain command par
des harmoniques de rang faible nuls ou ngligeables, par exemple du rang 3 au rang 15,
des harmoniques de rang lev prsents, mais les composantes de courant dont ils sont responsables sont attnues spontanment si le rcepteur est
inductif.
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Une stratgie frquemment employe consiste comparer un signal
triangulaire de frquence 2n f avec un signal sinusodal de frquence f; aux instants
d'galit on obtient le basculement du comparateur, donc le changement d'tat
logique du signal de commande. (A87) (A88).
Comparons les commandes M.LI. bipolaire et unipolaire: le synoptique le plus
complexe se rapporte au cas unipolaire, mais instants de dcoupage identiques les
harmoniques sont en proportion relative moiti. Le gnrateur de signaux
synchrones rectangulaires et triangulaires doit dlivrer des signaux alternatifs pour la
commande bipolaire; par contre on peut employer des triangles positifs ou nuls dans
le cas unipolaire d'o la diode (facultative) de l'oscillateur montr fig. A8e. Le rsidu
harmonique est plus faible avec l'emploi de la diode.
Avec un onduleur triphas, la commande bipolaire est la plus facilement
ralisable; la solution analogique demande des sinusodes de rfrence dphases
de 120.
Il existe des solutions numriques dans lesquelles on utilise une mmoire qui
permet de grer, en association avec une horloge et un compteur, les instants de
commutation des interrupteurs lectroniques.
Le composant HEF 4752, chez Motorola, est un circuit intgr spcifique
adapt la commande des onduleurs triphass
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APPLICATIONS Dmarrage lectronique par tension variable et limitation du courant
Schma de principe
L'alimentation du moteur asynchrone triphas, par monte progressive de la
tension au dmarrage, est obtenue par l'intermdiaire d'un gradateur dont le circuit
se compose de 6 thyristors, monts tte-bche par 2 dans chaque phase du rseau.
Il permet, en fonction de l'instant et de l'angle d'amorage des thyristors, de
dlivrer une tension qui augmente progressivement frquence fixe.
La monte progressive de la tension de sortie peut tre, soit contrle par la
rampe d'acclration, soit asservie la valeur du courant de limitation, soit lie ces
deux paramtres.
Courbe de
La figure 1 montre la caractristique couple/vitesse d'un moteur cage en
fonction de la tension d'alimentation : Le couple varie comme le carr de la tension
frquence fixe. La monte progressive de la tension limite le couple et le courant au
dmarrage, et supprime la pointe de courant instantane la mise sous tension.
La figure 2 montre l'volution du couple en fonction du courant de dmarrage.
La limitation du courant de dmarrage Id une valeur prdtermine Id1, provoque
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une rduction du couple de dmarrage Cd1 pratiquement gale au rapport du carr
des courants Id et Id1.
Description de lAltistart 3 LAltistart 3 est constitu dun module de contrle et dun ensemble puissance, assembls dune mme enveloppe.
Module de contrle
Commun et interchangeable pour tous les calibres de la mme srie, il assure:
l'allumage des thyristors, le calcul des conditions de fonctionnement par microprocesseur, la mmorisation et la sauvegarde de l'tat thermique du moteur et du dmarreur,
la surveillance du rseau d'alimentation et l'isolement galvanique, les sorties de surveillance et d'alarme par des relais d'asservissement, la visualisation d'tats par 3 DEL, la slection des fonctions par 4 commutateurs, les rglages par 4 potentiomtres.
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COMPOSANTS DE PUISSANCE1-DIODEEnsuite, si c'est ncessaire, on corrige les rsultats obten2 THYRISTORCes trois branches sont forcment dcrites dans l'ordre indi3 THYRISTOR BLOCABLE PAR LA GCHETTE
4 TRIAC4.1 Principe de fonctionnement
5 TRANSISTOR DE PUISSANCE5.1 Principe
6 TRANSISTOR MOS DE PUISSANCE6.2 Fonctionnement
7. COMPARAISONS DES TRANSISTORS BIPOLAIRES, DES MOS ET DES TExpression et du courant dans la chargeLes valeurs des courants moyenne et efficace (en pu) sont d3.2. Redresseur double alternance point milieu commandTension efficace aux bornes de la chargeFonctionnement
PRINCIPALES APPLICATIONFormes dondesVch = Vmax sin(t pour ( < (t < ( et ( + ( < (t < 2(Formes dondes3. TECHNIQUES DE COMMANDE DES GRADATEURSCommande par train dalternancesRemarque
CONVERSION CC/CCA LAIDE DE HACHEURS1. introduction2. principe du hacheur2.2 Hacheur alimentant une charge inductiveForme dondes
2.3 Hacheur alimentant une charge R.L.E2.4 Mode de fonctionnement des hacheurs3. Alimentation dcoupageFonction de transfert du hacheur abaisseurFonction de transfert du hacheur abaisseur
3.2 Hacheur lvateur (survolteur)Formes dondesFonction de transfert de llvateurHacheur abaisseur-lvateurFormes dondesFonction de transfert de labaisseur-lvateur
calcul des filtres de sortie4.1 calcul du filtre de sortie de labaisseurFormes dondes
1 Introduction2 Montage de base dun onduleur3 Onduleurs alimentant une charge RL3.1. Onduleur en demi-pont3.2 Onduleur en pont monophas4 Commande dcale dun onduleur en pont
6 onduleur triphas en pont6.1 Commande 1206.2 Commande 180
7 REGLAGE DE TENSION DANS UN ONDULEUROnduleur frquence fixeOnduleur frquence variableOnduleur commande 120 ou 180Onduleur avec alimentation Vs variable
Dmarrage lectronique par tension variable et limitation duDescription de lAltistart 3Module de contrle