Convertisseurs Statiques

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Un convertisseur statique est un système permettant d’adapter une source d’énergie électrique à un récepteur donné en la convertissant.

C’est un circuit électrique utilisant des semi-conducteurs de puissance (diodes, thyristors, triacs …) utilisés comme des interrupteurs

On distingue plusieurs familles de convertisseurs statiques:

Type de convertisseur Énergie entrée Énergie sortie
Redresseur AlternatifContinu
HacheurContinuContinu
OnduleurContinuAlternatif
GradateurAlternatifAlternatif

Redresseurs

Un redresseur, également appelé convertisseur alternatif/continu

La conversion d’une tension alternative en une tension continue  est assuré  par des redresseurs.

A partir d’une source alternative, le redresseur alimente un récepteur à courant continu

1- Redresseurs à diodes (non commandés)

Les redresseurs non commandés, sont essentiellement réalisés à partir de diodes.

Qu’est ce qu’un diode

La diode est un dipôle passif polarisé, équivalente à un interrupteur unidirectionnel

Aspect :

Symbole:

Caractéristique d’une diode parfaite

Diode est un interrupteur électronique :

  • si vAK > 0 alors diode est passante.
  • si vAK < 0 : alors diode est bloquée.

1-1 Redressement monophasé

a) Redressement simple alternance (charge résistive)

  • ve :tension d’entrée .
  • vs :tension de sortie.
  • R :charge résistive

Analyse du fonctionnement :

Pendant l’alternance positive ve > 0 : 0 < θ < π :

la diode D est passante vd = 0 V

D’après la loi des mailles : ve – vd – vs = 0 vs = ve et i = ve /R

Pendant lalternance négative ve < 0 : π < θ < 2π

la diode D est bloquée vd = ve  donc    vs = 0 et i = 0

Oscillogrammes

Grandeurs caractéristiques :

  • Valeur moyenne de la tension vs :     <vs>=
  • Valeur efficace de la tension vs :    VS=

b)Redressement double alternance (charge résistive)

Montage PD2 (Pont de Graëtz)     

Le pont de Graëtz est constitué de quatre diodes montées en parallèle deux par deux. Les diodes D1 et D2 sont à cathodes communes et les diodes D3 et D4 sont à anodes communes.

Analyse du fonctionnement :

 Pendant lalternance positive ve > 0 : 0 < θ < π vA > vB

D1 et D4 sont passantes  vD1 =vD4 =0

les diodes D2 et D3 sont bloquées

Le courant i circule la maille suivante :A → D1→ R → D4→ B

       Puisque : ie = iD1 = iS = iD4   ;  iD3 = iD2 = 0 alors on conclut que : vS = ve

Le schéma équivalent est :

Pendant lalternance négative Ve<0 : π < θ < 2π vB > vA

les diodes passantes sont D2 et D3, vD2 = 0 et vD3 = 0

les diodes D1 et D4 sont bloquées

Le schéma équivalent est :

Le courant i circule la maille suivante :B → D3→ R → D2→ A

Puisque ie = -iD3 = -iS = -iD2 ; iD1 = iD4 = 0 alors on conclut que vS = -ve > 0

Oscillogrammes

Grandeurs caractéristiques

  • Valeur moyenne de la tension vs :     <vs>=
  • Valeur efficace de la tension vs :    VS= V   

1-2 Redressement triphasé (charge résistive)

a)Redressement simple alternance : Montage P3 à cathodes communes

la notation « P » pour désigner les montages parallèles de diodes et la notation « PD » pour les montages parallèles double (ou montage en pont de graëtz)

les tensions v1, v2, v3 sont:

La diode conductrice est celle dont le potentiel d’anode le plus positif, les autres diodes sont bloqués

La tension de charge est vM = sup(v1, v2, v3) c’est la plus  positive

donc vM est constituée par les «calottes supérieures» des sinusoïdes v1, v2, v3.

Les intervalles de conduction sont les suivants:

IntervallesDiode en conductionDiodes bloquées VM VD1 i1
D1D2 et D3V1IC
D2D1 et D3V2U12= v1 – v2
D3D2 et D1V3U13= v1 – v3
  • VM : tension de charge
  • VD1 : tension au borne de diode D1

Forme d’onde des différentes grandeurs

b)Redressement simple alternance : Montage P3 à anodes communes

La diode conductrice est celle dont le potentiel de la cathode le plus négatif, les autres diodes sont bloqués

La tension de charge est vN = inf(v1, v2, v3) c’est la plus négative

vN est constituée par les «calottes  inférieures» des sinusoïdes v1, v2, v3.

Les intervalles de conduction sont les suivants:

IntervallesDiode en conductionDiodes bloquées VN VD’1
D’2D’1 et D’3V2U12
D’3 V3U13
D’1D’2 et D’3V1
D’2D’3 et D’1V2U12
  • VN : tension de charge
  • VD’1 : tension au borne de diode D’1

Forme d’onde des différentes grandeurs

c)Redressement double alternance :Montage PD3 (Pont de Graëtz triphasé)

Le montage est résultant de l’association d’un montage à anodes  communes et d’un montage a cathodes communes

IntervalleDiodes en conductionsTension uVD1 iD1 i1
D1 et D’1v1– v2 = u12ICIC
D1 et D’3v1– v3 = u13ICIC
D3 et D’3v2– v3 = u23v1 – v2
D3 et D2v2– v1 = u21v1 – v2-IC
D’2 et D2v3– v1 = u31v1 – v3-IC
D’2 et D’1v3– v2 = u32v1 – v3

La tension u = vM – vN. est périodique, de période π/3

Voir aussi:  Courant Alternatif Monophasé

Grandeurs caractéristiques :

Valeur moyenne de la tension u(t) : < 𝒖 > =

Courant moyen dans une diode : < 𝒊𝑫 > =

Tension maximale supportée par une diode : 𝑉𝐷𝑚𝑎𝑥

2- Redresseurs monophasé à thyristors (commandés)

Le redressement commandé est la conversion d’une tension alternative en une tension continue de valeur moyenne réglable

Symbole synoptique :

Qu’est ce qu’un thyristor

le thyristor est équivalente à un interrupteur unidirectionnel commandé à la fermeture.

Aspect :Il comporte 3 broches. Il faut se référer à un catalogue pour connaître l’ordre du brochage.

Symbole :

  • 2 électrodes principales : anode et cathode
  • 1 électrode de commande : gâchette

Amorçage d’un thyristor

  1. Fermer K1 : lampe est éteinte donc Th est bloqué.
  2. Fermer K2 : lampe s’allume donc Th est passant.
  3. Ouvrir K2 : lampe reste allumée donc Th est passant.
  4. Ouvrir K1 : lampe s’éteint donc Th se bloque.
  5. Fermer K1 : lampe reste éteinte donc Th est bloqué.

Conclusion

Pour qu’un thyristor conduise  ( interrupteur fermé) , il faut que deux conditions soient remplies :

  • la tension vAK  soit positif  .
  • Envoie d’un courant iG dans la gâchette pour.

Lorsque le thyristor conduit le courant, il n’est plus nécessaire de faire circuler un courant iG dans la gâchette.

Blocage  qu’un thyristor  

Le  thyristor se bloque (interrupteur ouvert), lorsque le courant iAK  s’annule ou appliquer une tension vAK négative

2-1 Redresseur simple alternance (charge résistive)

Schéma du montage :

  • ve: tension d’entrée .
  • us: tension de sortie.
  • vT : tension aux bornes du thyristor
  • R : charge résistive

Analyse du fonctionnement :

Pendant lalternance positive ve > 0 : 0 < θ < π 

Pas d’impulsion sur la gâchette : donc us = 0 et i = 0
Loi des mailles : ve – vT – us = 0vT = ve > 0

Le thyristor n’est passant qu’à partir de l’instant où l’on envoie le signal à la gâchette

à l’instant t s’effectue l’amorçage du thyristor, il se retarde d’un temps t du signal ( ve : tension d’entrée) , on appelle α = ω.t l’angle d’amorçage du thyristor.

Durant 0 < θ < α   pas d’impulsion sur la gâchette iG =0, le thyristor n’est pas amorcé donc  il se comporte comme un interrupteur ouvert . La tension aux bornes de la charge est nulle us =

À θ = α  on envoie un courant de gâchette le thyristor , ce dernier  entre en conduction (interrupteur fermé), le courant i(t) circule donc  La tension aux bornes de la charge us = ve  ;  i = us /R = ve /R

Pendant lalternance négative Ve<0 : π < θ < 2π vB > vA

Puisque la tension est négative, le thyristor reste bloqué  même si on envoie un courant de gâchette.

Grandeurs caractéristiques :

  • Valeur moyenne de us(t) : <us >=
  • Valeur efficace de us(t) : 𝑈 =
  • Courant moyen dans le thyristor :< 𝑖𝑇 > = < 𝑖 >
  • Tension maximale supportée par le thyristor : v𝑇𝑚𝑎𝑥 =

2-2 Redresseur double alternance (charge résistive)

Schéma du montage

Analyse du fonctionnement :

Pendant lalternance positive 0 < θ < π ve > 0 vA > vB

le thyristor T1 est susceptible d’être amorcé que lorsque θ = α (c’est un angle de retard par rapport au passage par zéro de la tension de la source)

A partir de θ = α, le thyristor T1 conduit, vT1= vD2 = le courant i circule la maille : A → T1 → R→ D2 → B

on a : iT1 = iD2 = i et donc us = vM – vN = vA vB = ve et i = us /R = ve /R

A θ = π : Le courant i s’annule ce qui bloque le thyristor T1

Pendant lalternance négative Ve<0 : π < θ < 2π vB > vA

le thyristor T2 est susceptible d’être amorcé mais que lorsque θ = π+α .

A partir de θ = π+α : T2 est amorcé vT2 = vD1 = 0 alors le courant i circule la maille :

B → T2 → R→ D1 → A

iT1 = iD2 = 0 → vT1= vD2 = ve donc la tension de charge : us = vM – vN = vB – vA = – ve

Voir aussi:  Les Ondes Mécaniques Progressives Périodiques : Terminale S

le courant i= us /R =- ve /R

A θ = 2π : Le courant i s’annule ce qui bloque alors le thyristor T2

Grandeurs caractéristiques :

  • Valeur moyenne de us(t) : <us>=2
  • Valeur efficace de us(t) : 𝑈 =V
  • Courant moyen dans le thyristor et la diode : < 𝑖𝑇 > =< 𝑖𝐷 >= < 𝑖 >
  • Tension maximale supportée par le thyristor et la diode: v𝑇𝑚𝑎𝑥 = v𝐷𝑚𝑎𝑥=

Onduleur autonome

Un onduleur est un convertisseur  statique  permettant de transformer et de régler une tension continue en une tension alternative

On dit qu’il est autonome lorsqu’il impose sa propre fréquence à la charge.

Symbole:

Interrupteurs électroniques

Il faut des interrupteurs commandant à l’ouverture et à la fermeture

ils  peuvent être à transistor ou thyristor si grande puissance, Si la charge est inductive, il est indispensable de  placer  une diode en parallèle inverse au (transistor ou thyristor)  afin que la bobine puisse se démagnétiser

interrupteurs à transistor :

interrupteurs à thyristor:

Commandes

La commande dans un onduleur peut être : symétrique, décalé ou MLI (Modulation de Largeur d’Impulsion).

Onduleur monophasé en demi-pont à deux interrupteurs

Commande symétrique

On ferme alternativement les deux interrupteurs K1 et K2 de sorte à imposer une tension alternative (et carrée) à la charge.

Pendant 0 < t < T/2 K1 est fermé  K2 est ouvert alors  V1 = 0   ; Uc =V   et   i = V/R

Pendant T/2 < t <T K1 est ouvert K2 est fermé   alors   Uc = -V      i = -V/R          V1 = V – Uc = 2.V

Onduleur monophasé en pont à quatre interrupteurs

Commande symétrique

On ferme alternativement  K1, K4 et K2, K3  durant des intervalles de temps réguliers.

Pendant 0 < t < T/2 K1 et K4 sont fermés K2 et K3 sont ouverts:   

D’après la loi des mailles : Uc -V=0    On a donc Uc =V

T/2 < t <T K1 et K4 sont ouverts K2 et K3 sont fermés  

D’après la loi des mailles : Uc+V=0 donc Uc=-V

D’où la forme d’onde suivante :

Commande décalée (onduleur en pont)

Dans la commande symétrique, la tension et le courant, sont riches en harmoniques ce qui cause des problèmes pour les  moteurs (pertes joules, couples pulsatoires …).

La commande décalée permet d’éliminer en partie ces harmoniques gênants  et améliore donc le convertisseur

En effet l’onduleur à commande décalée est plus favorable que celui à commande symétrique

Analyse du fonctionnement :

0 < t < t K1 et K2 sont fermés Uc = 0

t < t < T/2  K2 et K3 sont fermés Uc = V

T/2 < t <T/2+ t K3 et K4 sont fermés Uc = 0

T/2+ t < t <T   K1 et K4 sont fermés Uc = -V

D’où la forme d’onde suivante :

Commande par Modulation de Largeur d’Impulsion MLI

c’est une technique basée sur le découpage de l’onde rectangulaire

Pour obtenir la tension de commande des interrupteurs électronique, on compare un signal triangulaire appelé porteuse au signal modulant sinusoïdal de fréquence  beaucoup plus faible.

La tension de sortie de l’onduleur est constitué par une succession de créneaux d’amplitude égale à la tension d’alimentation continue et de largeur variable

Le schéma synoptique d’un modulateur M.L.I. est donné ci-dessous:

Porteuse : signal triangulaire  de fréquence et d’amplitude constante.

Signal modulant : représente la forme du signal souhaité en sortie (sinusoïdal) et de fréquence f égal à celle de Us. c’est signal que l’on veut reproduire à l’aide l’onduleur.

Signal modulé : Us est le signal de synchronisation

Gradateur

Le gradateur est un convertisseur  statique   alternatif – alternatif, capable de faire varier la valeur du tension , sans en modifier la fréquence

Interrupteurs électroniques

L’interrupteur est constitué par deux thyristors tête-bêche. Pour les faibles puissances, les deux

thyristors sont remplacés par un triac.

Gradateur monophasé (débit sur charge résistive)

Schéma du montage

Deux modes de commande de l’énergie transférée à la source sont possibles :

commande par la phase

La variation de la valeur efficace U est obtenue en agissant sur l’angle de retard α.

Durant l’alternance positive :le thyristor T1 est amorcé avec un angle de retard α par
rapport au passage par zéro de la tension de la source.


Durant l’alternance négative : le thyristor T2 est amorcé avec le même angle de retard α

commande par train d’ondes

Dans ce type de gradateurs, le signal envoyé sur l’entrée de commande est numérique (TOR) .

Les thyristors T1 et T2 sont amorcés de manière continue pendant le temps TON (temps de
conduction) puis sont bloqués jusqu’à la fin de la période de modulation

On obtient alors :

  • T : Période de la tension source.
  • TON : temps de conduction du train d’onde
  • TC: période du signal de commande

Grandeurs caractéristiques :

  • Valeur moyenne de la tension uc :<uc>=0
  • Valeur efficace de la tension uc : 𝑼c = α :rapport cyclique) égal à TON/TC

Le gradateur à trains d’ondes est un interrupteur électronique qui s’ouvre et se ferme à la période TON = nT.

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