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Zitiervorschau

2017 Électronique de Puissance 3ème Année Licence en Electrotechnique, Electromécanique et Automatique

Talhaoui Hicham Université

Mohamed

El

bachir

El

Ibrahimi, Bordj Bou Arréridj, Algérie Département d’Électromécanique

Introduction

Introduction Dans ce document, notre travail s'articule principalement autour de cinq chapitres qui couvrent le programme officiel d’électronique de puissance de la troisième année licence en électrotechnique, électromécanique et automatique. Tous chapitres sont complétés par des travaux dirigés, sauf le chapitre N° 01. 

Le premier chapitre, est consacré à l’étude des caractéristiques statiques et dynamiques des composants utilisés en électronique de puissance. On y trouve l’étude des diodes, des thyristors, des transistors et ces dérivés.



Le second chapitre est consacré à la présentation et l’étude des redresseurs non commandés, commandés et mixtes (monophasés et triphasés).



Le troisième chapitre présente une étude des convertisseurs DC/DC (continu-continu).



Le quatrième chapitre traite les convertisseurs DC/AC (continu-alternatif).



Le cinquième chapitre s’intéresse aux convertisseurs AC/AC (alternatif-alternatif).

Contenu de la matière Chapitre 1. Eléments semi-conducteurs en électronique de puissance Introduction à l’électronique de puissance, son rôle dans les systèmes de conversion d’énergie électrique, les différents types de semi-conducteurs de puissance (caractéristiques de fonctionnement statique et dynamique): diodes, thyristors, transistor…etc. Différentes structures de convertisseurs statiques. Chapitre 2. Convertisseurs courant alternatif - courant continu Redressement non commandé monophasé et triphasé charges R, L, redressement commandé monophasé et triphasé charges R, L, redressement mixte monophasé et triphasé charges R, L. Analyse du phénomène de commutation (d’empiètement) dans les convertisseurs statiques non commandés et commandés, impact des convertisseurs statiques sur la qualité d’énergie électrique. Chapitre 3. Convertisseurs courant continu - courant continu Hacheur série et parallèle. Chapitre 4. Convertisseurs courant continu - courant alternatif Les onduleurs monophasés et triphasés avec charge résistive et résistive inductive. Chapitre 5. Convertisseurs courant alternatif - courant alternatif Gradateur monophasé (charges R, L), gradateur triphasé (charges R, L), les variateurs de fréquence (cycloconvertisseurs). Hicham Talhaoui

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Introduction

Sommaire Introduction Sommaire Chapitre I Eléments semi-conducteurs en électronique de puissance I.1 Introduction I.2 Éléments semi conducteurs I.2.1 Diode I.2.2 Thyristors I.2.3 Interrupteurs commandés I.2.3.1 Caractéristiques générales des interrupteurs commandés I.2.3.2 Transistors bipolaires I.2.3.3 Comparaison des interrupteurs commandables I.3 Les convertisseurs statiques – généralités I.3.1 Définition Chapitre II Convertisseurs courant alternatif - courant continu II.1 Introduction II.2.1 Redressement monophasé II.2.1.1 Redressement simple alternance II.2.1.1.1 Charge résistive II.2.1.1.2 Charge résistive et inductive II.2.1.1.3 Charge résistive, inductive et diode roue libre II.2.1.2 Redressement double alternance (pont de Graëtz monophasé PD2) II.2.1.2.1 Charge résistive II.2.1.2.2 Charge résistive et inductive (lissage du courant) II.2.2 Redresseurs triphasés II.2.2.1 Les trois types de montages redresseurs II.2.2.2 redresseur parallèle simple P3 II.2.2.2.1 Charge résistive II.2.2.2.2 Charge résistive et inductive (lissage du courant) II.2.2.2.2.1 Courant dans une diode II.2.2.2.2.2 Courant dans les enroulements secondaires du transformateur II.2.2.3 Redresseur parallèle double PD3 II.2.2.3.1 Charge résistive II.2.2.3.2 Charge résistive et inductive (lissage du courant) II.2.2.3.2.1 Courant dans une diode II.2.2.3.2.2 Courant dans les enroulements secondaires du transformateur I.2.2.4 Redresseur du type série S3 II.3 Redressement commandé II.3.1 Redressement monophasé II.3.1.1 Redressement simple alternance II.3.1.1.1 Charge résistive II.3.1.1.2 Charge résistive et inductive Hicham Talhaoui

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01 02 02 02 03 05 05 05 05 06 06 07 08 08 08 08 10 11 12 12 13 14 14 14 15 16 17 17 17 18 20 20 21 21 22 22 22 22 24

Introduction

II.3.1.2 Redressement double alternance (pont de Graëtz monophasé PD2) II.3.1.2.1 Charge résistive II.3.1.2.2 Charge résistive et inductive II.3.2 Redresseurs triphasés à thyristors II.3.2.1 Redresseur parallèle simple P3 II.3.2.2 Redresseur parallèle simple P3 à thyristors avec diode de roue libre II.3.2.3 Redresseur parallèle double PD3 à thyristors II.4 Redresseur mixte II.4.1 Redresseur mixte double alternance PD2 II.4.1.1 Charge résistive II.4.1.2 Charge résistive et inductive (lissage du courant) II.4.2 Etude du montage redresseur parallèle double PD3 (pont mixte) II.5 Chutes de tension en charge (fonctionnement normal) II.5.1 Chutes de tension inductives dues à la commutation des diodes: phénomène d’empiétement II.6 Qualité de l’énergie électrique Exercices corrigés Exercices non corrigés

25 25 26 27 27 28 28 30 30

Chapitre III Convertisseurs courant continu - courant continu

42

III.1 Introduction III.2 Hacheur série (abaisseur de tension ou dévolteur (Buck)) III.2.1 Charge résistive III.2.2 Charge résistive et inductive III.2.3 Charge résistive, inductive et f.e.m (E’) III.2.3.1 Fonctionnement à courant dans la charge interrompu III.2.3.2 Fonctionnement à courant ininterrompu III.2.3.2.1 Linéarisation du courant i III.3 Hacheur parallèle (élévateur de tension ou survolteur (Boost)) III.4 Hacheur survolteur-dévolteur (hacheur à accumulation ou Hacheur à stockage inductif) III.5 Réversibilité des hacheurs III.5.1 Hacheur réversible en courant (2 quadrants) III.5.2 Hacheur réversible en tension (2 quadrants) III.5.3 Hacheur réversible en tension et en courant (4 quadrants) Exercices corrigés Exercices non corrigés Chapitre IV Convertisseurs courant continu - courant alternatif IV.1 Introduction IV.2 Onduleur de tension monophasé IV.2.1 Onduleur à point milieu (à deux interrupteurs) IV.2.1.1 Charge résistive IV.2.1.1.1 Commande symétrique IV.2.1.1.2 Commande décalée IV.2.1.2 Charge résistive et inductive IV.2.1.2.1 Commande symétrique IV.2.2 Onduleur en pont (4 interrupteurs) IV.2.2.1 Charge résistive Hicham Talhaoui

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31 31 32 32 34 35 39

43 43 43 44 46 46 47 47 49 50 51 51 52 52 53 57 59 60 60 60 60 60 61 62 62 63 63

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Introduction

IV.2.2.1.1 Commande symétrique IV.2.2.2 Charge résistive et inductive IV.2.2.2.1 Commande symétrique IV.3 Onduleur de tension triphasé IV.3.1 Stratégies de commande IV.3.1.1 Commande 180° IV.3.1.2 Commande 120° IV.3.1.3 Commande de l’onduleur de tension à MLI naturelle (sinus-triangle) Exercices corrigés Exercices non corrigés Chapitre V Convertisseurs courant alternatif - courant alternatif V.1 Introduction V.2 Gradateurs monophasés V.2.1 Charge résistive V.2.2 Charge résistive et inductive V.3 Gradateur triphasé V.3.1 gradateurs triphasés tout thyristors (en étoile) V.3.1.1 Charge résistive  V.3.1.1.1 1er mode : 0    3   V.3.1.1.2 2ème mode :    3 2  5 V.3.1.1.3 3ème mode :    2 6 V.3.1.2 Charge résistive et inductive V.3.2 Différents couplages des gradateurs V.4 Cycloconvertisseurs V.4.1 Principe Exercices corrigés Exercices non corrigés Références bibliographiques

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63 64 64 65 68 68 68 68 70 73 74 75 75 75 77 79 79 79 79 80 81 81 82 82 82 84 87 88

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Chapitre I

Eléments semi-conducteurs en électronique de puissance

Chapitre I Eléments semi-conducteurs en électronique de puissance

1

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Chapitre I

Eléments semi-conducteurs en électronique de puissance

I.1 Introduction L'électronique de puissance étudie, les convertisseurs statiques ont pour but de modifier la présentation de l'énergie électrique avec un rendement maximum capable de modifier la tension/ ou la fréquence de l’onde électrique (on transforme l'alternatif en continu, continu en alternatif, modifie la valeur efficace d'une tension alternative, modifie la valeur moyenne d'une tension continue, modifie la fréquence d'une tension alternative). On désigne deux types de source de tension:  les sources de tension continues caractérisées par la valeur V de la tension,  sources de tension alternatives définies par la valeur de la tension efficace V et de fréquence f. Les composants semi-conducteurs de puissance sont des éléments essentiels pour la conversion d’énergie statique. Les semi-conducteurs de puissance actuels peuvent être classés en trois catégories:  diodes: États fermé ou ouvert contrôlés par le circuit de puissance;  thyristors: Fermé par un signal de commande, mais doit être ouvert par le circuit de puissance;  interrupteurs commandables: à l'ouverture et à la fermeture. Ouverts et fermés par un signal de commande. La catégorie des interrupteurs commandables inclut de nombreux types de composants:  Transistors Bipolaires à Jonctions (Bipolar Junction Transistors - BJTs);  Transistors à effet de champ Metal-Oxyde-Semiconducteur (MOSFETs);  Thyristors commandés à l'ouverture (Gate-Turn-Off Thyristors - GTO Thyristors);  Transistors bipolaires à grille isolée (Insulated Gate Bipolar Transistors - IGBTs);  Thyristors MOS Commandés (MOS-Controlled Thyristors - MCTs).

I.2 Éléments semi conducteurs I.2.1 Diode  La diode est un dipôle passif polarisé.  En électrotechnique, la diode est équivalente à un interrupteur unidirectionnel non commandé.

Diode

Symbole iAK

iAK

Anode (A)

VAK Cathode (K)

inverse

 Diode passante (ou ON), VAK  0 pour i AK  0 .  Diode bloquée (ou OFF), i AK  0 pour VAK  0 .

direct

0

VAK

Figure 1.1: Caractéristiques statiques idéales d’une diode 2

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Chapitre I

Eléments semi-conducteurs en électronique de puissance iAK

Courant direct maximal

Tension inverse maximale VAK Phénomène "d’avalanche"

 A l’état passant: VAK  0 le courant direct est limité au courant direct maximal.  A l’état bloqué : i AK  0 la tension inverse est limitée (phénomène de claquage par avalanche) à la tension inverse maximale.

Figure 1.2: Caractéristique statiques de la diode réelle

Lorsqu’on établit un courant à travers une diode initialement

V

bloquée, sa chute de tension n’atteint pas immédiatement sa valeur statique VAK, mais passe par une valeur transitoire notablement plus élevée et le courant direct iAK ne s’établit pas nécessairement plus vite que le permettent les autres éléments de la maille, figure (1.3).

VFP VR

VAK statiq ue

i

t

tfr iAK

NB: VFP: Surtension fermeture;

di AK dt

à

la

tfr: Temps de recouvrement direct;

t Figure 1.3: Caractéristiques dynamique de la diode

VR: valeur de référence.

I.2.2 Thyristors Thyristors

 En électrotechnique, le thyristor est équivalent à un interrupteur unidirectionnel commandé à la fermeture.

Symbole

Gachette (G)

iAK

iAK Anode (A)

VAK

Thyristor passant

inverse

Cathode (K)

iG

Le composant est bloqué (OFF) si le courant iAK est nul (quelque soit la tension VAK). Si la tension VAK est positive, le thyristor est amorçable.

direct 0

Thyristor bloqué

VAK Thyristor amorçable

Figure 1.4: Caractéristiques statiques idéales d’un thyristor

L’amorçage est obtenu par un courant de gâchette iG positif d’amplitude suffisante alors que la tension VAK est positive. L’état

passant

(ON)

est 3

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Chapitre I

Eléments semi-conducteurs en électronique de puissance

caractérisé par une tension VAK nulle et un courant iAK positif. Le blocage apparaît dès annulation du courant iAK. On ne peut pas commander ce changement, mais on en distingue deux types: la commutation naturelle par annulation du courant iAK ou la commutation forcée par inversion de la tension VAK. Le fonctionnement réel est, comme pour une diode, caractérisé par ses deux états:

iAK

 à l’état passant, VAK  0 , le courant direct est limité par le courant direct maximal.  à l’état bloqué, i AK  0 , la tension inverse est limitée (phénomène de claquage par avalanche) par la tension inverse maximale.

Etat conducteur

courant de maintien

VAK

0

Etat bloqué direct

Etat bloqué inverse

Figure 1.5: Caractéristique statique d’un thyristor réel iG

0.1 iG

tf t

VAK

0.9VAK K

td

tr

0.1VAK K

iAK

t tGT

di AK dt

Pendant la fermeture : c’est le passage d’un état direct à un état passant; Il nécessite un courant de gâchette iG(t) ayant une certaine intensité pendant une certaine durée. La fermeture est caractérisée par la durée tGT = td + tr s’écoulant entre l’instant où iG vaut 10% de sa valeur maximale et celui où VAK est ramenée à 10% de sa valeur initiale. Le retard à l’amorçage td diminue lorsqu’on augmente di G iG et sa vitesse où si on dt augmente VAK. Le temps de di montée tr dépend de AK . dt

Figure 1.6: Caractéristiques dynamique du t thyristor

4

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Chapitre I

Eléments semi-conducteurs en électronique de puissance

I.2.3 Interrupteurs commandés I.2.3.1 Caractéristiques générales des interrupteurs commandés Plusieurs types de composants semi-conducteurs de puissance peuvent être commandés à l'ouverture et à la fermeture : BJTs, MOSFETs, GTOs et IGBTs. Nous appelons ces composants interrupteurs commandables et nous les représentons par le symbole de la figure 1.7. iT VT Figure 1.7: Symbole des interrupteurs commandables

Aucun courant ne circule lorsque l'interrupteur est ouvert (état off), et lorsqu'il est fermé, le courant peut circuler dans une seule direction. L'interrupteur commandable idéal possède les caractéristiques suivantes: 

Supporte (bloque) des tensions directe ou inverse de valeur arbitraire avec un courant nul à l’état off.



Conduit des courants de valeur arbitraire avec des chutes de tension nulles à l'état on.



Commute de l'état on à l'état off (et vice versa) de façon instantanée.



Nécessite une puissance nulle pour la commande.

I.2.3.2 Transistors bipolaires  Le transistor est un composant électronique.  Un transistor est un dispositif semi-conducteur à trois électrodes actives, qui permet de contrôler un courant (ou une tension) sur une des électrodes de sorties (le collecteur pour le transistor bipolaire et le drain sur un transistor à effet de champ) grâce à une électrode d'entrée (la base sur un transistor bipolaire et la grille pour un transistor à effet de champ).

Transistor bipolaire

Symbole

iC Etat iC

iB4 saturé

iβ

iB3

VCE

iB2 V βE iE iB1 VCE(sat)

VCE(β)

VCE

Figure 1.8: Caractéristiques statiques )

I.2.3.3 Comparaison des interrupteurs commandables Composant Puissance d’utilisation BJT/MD Moyen MOSFET Faible GTO Fort IGBT Moyen

Un transistor travaillant en commutation ne peut occuper de façon stable que deux états :  état bloqué, il suffit théoriquement de ne pas alimenter sa base,  état saturé, il faut envoyer à sa base un courant supérieur i à C où β est le gain statique. 

Rapidité de commutation Moyen Rapide Lent Moyen 5

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Chapitre I

Eléments semi-conducteurs en électronique de puissance

I.3 Les convertisseurs statiques – généralités I.3.1 Définition Un convertisseur statique est un système permettant d'adapter la source d'énergie électrique à un récepteur donné. On différencie quatre types de convertisseurs:  Convertisseur alternatif-continu : redresseur;  Convertisseur continu-continu : hacheur;  Convertisseur continu-alternatif : onduleur;  Convertisseur alternatif-alternatif: c'est un gradateur lorsque seule la valeur efficace de la tension alternative est modifiée, sinon c'est un cycloconvertisseur. a) Conversion alternatif / continu (AC / DC) (Redresseur)  Montage redresseur:  non commandé (à diodes);

Tension alternative

Tension continue

 commandé (à thyristors).  Applications:  alimentation continue (pour circuits électroniques);  alimentation pour moteur à courant continu;  chargeur de batterie ... b) Conversion continu / continu (DC / DC) (Hacheur)  (Montage hacheur)  série (abaisseur de tension);

Tension continue fixe

Tension continue réglable

 parallèle (élévateur de tension).  Applications:  alimentation à découpage (ordinateur, mobile …);  alimentation pour moteur à courant continu. c) Conversion continu / alternatif (DC / AC) (Onduleurs)  Applications:  production de tensions alternatives;

Tension continue

Tension alternative

 alimentation des appareils électriques autonomes;  protection contre les surtensions et coupures de réseau (informatique);  commande des machines à courant alternatif. d) Conversion alternatif / alternatif (AC / AC) (Gradateurs)  Applications:  variateur de lampe halogène;

Tension alternative

Tension alternative

 variateur de vitesse pour moteur universel ... 6

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Chapitre II

Convertisseurs courant alternatif - courant continu

Chapitre II Convertisseurs courant alternatif - courant continu

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Chapitre II

Convertisseurs courant alternatif - courant continu

II.1 Introduction Les montages redresseurs sont les convertisseurs de l'électronique de puissance qui assurent directement la conversion alternatif-continu. Alimentés par une source de tension alternative monophasée ou polyphasée, ils permettent d'alimenter en courant continu le récepteur branché à leur sortie. On utilise un redresseur chaque fois que l’on a besoin de continu alors que l'énergie électrique est disponible en alternatif. Comme c'est sous cette seconde forme que l'énergie électrique est presque toujours générée et distribuée, les redresseurs ont un très vaste domaine d'applications. Les redresseurs à diodes, ou redresseurs non contrôlés, ne permettent pas de faire varier le rapport entre la ou les tensions alternatives d'entrée et la tension continue de sortie.. Les redresseurs à thyristors, ou redresseurs contrôlés, permettent, pour une tension alternative d'entrée fixée, de faire varier la tension continue de sortie. Ils sont de plus réversibles; lorsqu'ils assurent le transfert de puissance du côté continu vers le côté alternatif, on dit qu'ils fonctionnent en onduleurs non autonomes. On classe les divers redresseurs en trois catégories:

Les redresseurs non commandés (tout diodes)

Les redresseurs semi commandés (mixtes)

Les redresseurs totalement commandés (tout thyristors)

II.2 Redressement non commandé On utilise des diodes de redressement. Dans l’étude de ce chapitre, les diodes sont supposées parfaites et donc assimilées à des interrupteurs. II.2.1 Redressement monophasé II.2.1.1 Redressement simple alternance II.2.1.1.1 Charge résistive

D

Le montage alimenté par une source de tension

i

alternative sinusoïdale de valeur instantanée V  Vm sin(t ) ( t   ) débite un courant d'intensité i dans une charge

UD V

U

R

résistive de résistance R. Avec: V est la tension d’entrée du pont, U est la tension de sortie,

Figure 2.1: Schéma du redresseur monophasé (Charge résistive)

R est la charge résistive.

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Chapitre II

Convertisseurs courant alternatif - courant continu

a) Analyse du fonctionnement

0 (Alternance positive) D est passante U=V U V i  R R UD=0

Intervalles Diode Tension redressée Courant redressé Tension aux bornes de la diode D

V

  2 (Alternance négative) D est bloquée U=0 U i 0 R UD=V

U

Vm

Vm

0

2



 Vm

0



2



2

 Vm

i

UD

Vm R

Vm

0

2



 Vm R

0

 Vm b) Valeur moyenne T

U moy 

i moy 

T 2

1 1 V U( t )dt  U moy   Vm sin(t )dt  U moy  m avec: T  2  T0 T0 

Vm R

c) Valeur efficace T

2 U eff 

i eff 

T 2

V 1 1 2 U 2 ( t )dt  U eff   Vm2 sin 2 (t )dt  U eff  m  T0 T0 2

Vm R2

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Chapitre II

Convertisseurs courant alternatif - courant continu

D

II.2.1.1.2 Charge résistive et inductive

i

En électrotechnique les charges sont souvent

ou les machines à courant continu en sont des

R

UD

combinées: résistives et inductives. Les électroaimants V

U L

exemples. Figure 2.2: Schéma du redresseur (Charge résistive et inductive)

a) Analyse du fonctionnement

0   e D est passante D est passante U=V U=V Ldi V  Ri   Vm sin(t )  dt

Intervalles Diode Tension redressée Courant redressé

Tension aux bornes de la diode D Vm L Avec: I m  , tan()  , R R 2  (L) 2

i  Ae UD=0

R  t L

 e  2 D est bloquée U=0 i0

 I m sin(t  ) UD=0

UD=V

Les constantes sont déterminées à partir des conditions initiales. V U Vm Vm

0

2



 Vm

e

0

2



 Vm

UD

i

Vm

0

2

  e

0



e

2

 Vm

b) Valeur moyenne 

U moy

T V 1 1 e   U( t )dt  U moy   Vm sin(t )dt  U moy  m (1  cos(   e )) T0 T0 2

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Chapitre II

Convertisseurs courant alternatif - courant continu

D

II.2.1.1.3 Charge résistive, inductive et diode roue libre

i Lorsque la charge est de type inductif, la tension à

R

UD

V

ses bornes peut être négative en sortie du redresseur.

DRL

Pour corriger ce problème, on ajoute une diode de roue libre en parallèle de la charge. Les deux diodes

U L

Figure 2.3: Schéma du redresseur (Charge résistive, inductive et diode roue libre)

sont en cathode commune. a) Analyse du fonctionnement

0   e D est passante D est bloquée DRL est bloquée DRL est passante U=0 U=V Ldi V  Ri   Vm sin(t )  dt

Intervalles Diode (D) Diode (DRL) Tension redressée Courant redressé

Tension aux bornes de la diode D

i  Ae UD=0

R  t L

 I m sin(t  ) UD=V

V

 e  2 D est bloquée DRL est passante U=0 i0

UD=V

U

Vm

Vm

0

0

2



 Vm

e 2



 Vm UD

i

Vm

0



2

 e

e

0



2

 Vm

b) Valeur moyenne T

U moy 

T 2

V 1 1 U( t )dt  U moy   Vm sin(t )dt  U moy  m  T0 T0 

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Chapitre II

Convertisseurs courant alternatif - courant continu

II.2.1.2 Redressement double alternance (pont de Graëtz monophasé PD2)

D2

1

J

U

V

Ce pont nécessite quatre diodes (D1, D2, D3, D4). La tension d’alimentation V(t) est alternative

D3

V  Vm sin(t ) .

R

D4

Figure 2.4: Schéma du redresseur PD2 (Charge résistive)

a) Analyse du fonctionnement Intervalles Diodes Tension redressée Courant redressé Courant traversant la diode D1 Tension aux bornes de la diode bloquée D1

0 (Alternance positive) D1 et D4 sont passantes UV U V iJ  R R i D1  i  J UD=0

V

  2 (Alternance négative) D2 et D3 sont passantes U  V U V i  J    R R i D1  0 UD=V

U

Vm

Vm

0



0

2

 Vm



2



2



2

 Vm i

U D1 Vm

0



0

2

 Vm R Vm R

UD

D1

II.2.1.2.1 Charge résistive

Vm R

i

iD1

 Vm J

0

 Vm R

Vm R



0

2

i D1

 Vm R

12

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Chapitre II

Convertisseurs courant alternatif - courant continu

b) Valeur moyenne T 2

T

U moy 

2Vm 1 2 U( t )dt  U moy   Vm sin(t )dt  U moy   T0  T0

2Vm R

i moy 

c) Valeur efficace T 2

T

V 1 2 2 U 2 ( t )dt  U eff   Vm2 sin 2 (t )dt  U eff  m  T0 T0 2

2 U eff 

i eff 

Vm R 2

i

iD1 D1

II.2.1.2.2 Charge résistive et inductive (lissage du courant)

UD

J

La charge résistive est remplacée par une

D2

1

U

V

R L

charge à caractère inductif composée d’une D3

résistance R et d’une inductance L , figure (2.5).

Figure 2.5: Schéma du redresseur PD2 (Charge résistive et inductive)

a) Analyse du fonctionnement Intervalles Diodes Tension redressée Courant redressé

Courant traversant la diode D1 Tension aux bornes de la diode bloquée D1

0   2 (Alternance positive) (Alternance négative) D1 et D4 sont passantes D2 et D3 sont passantes UV U  V iJ i  J  Le courant i est lissé par la bobine d’inductance L  Le lissage du courant par une inductance est utilisé pour de forts débits en électronique de puissance. i D1  i  J i D1  0 UD=0 UD=V

V

U

Vm

0

 Vm

D4

Vm



0

2



2

 Vm

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Chapitre II

Convertisseurs courant alternatif - courant continu

U D1

i

Vm

0

0

2





2



2

 Vm i D1

J

i

i

0

2



0

i

II.2.2 Redresseurs triphasés II.2.2.1 Les trois types de montages redresseurs Pour obtenir une tension continue, on redresse un ensemble de q tensions alternatives, d'ordinaire supposées sinusoïdales et formant un système polyphasé équilibré (q: nombre de phases). Ces tensions peuvent être les tensions aux bornes d'un alternateur. Généralement, elles sont fournies par le réseau monophasé ou, plus souvent, par le réseau triphasé, d'ordinaire par l'intermédiaire d'un transformateur. On distingue trois types de montages :  Pq: montages avec source en étoile et un seul commutateur ou redresseur "simple alternance" ;  PDq: montages avec source en étoile et deux commutateurs ou redresseurs "en pont" avec source étoilée ;  Sq: montages avec source en polygone et deux commutateurs ou redresseurs "en pont" avec source polygonale.

UD1

II.2.2.2 redresseur parallèle simple P3 La figure 2.6 représente le montage P3, avec

V1

iL1

D1

le commutateur à trois diodes. Chaque diode est raccordée

sur

V2  Vm sin(t 

( V1  Vm sin(t ) ,

V2

2 4 ) et V3  Vm sin(t  ) ), les 3 3

V3

une

phase

cathodes sont communes et raccordées sur la

iD1 i

D2 U D3

Figure 2.6: Redresseur simple alternance P3 14

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Chapitre II

Convertisseurs courant alternatif - courant continu

charge. Le retour au transformateur s’effectue par le neutre. Seule la diode dont l'anode est au plus haut potentiel peut conduire. Par conséquent, chaque diode conduit à son tour dans l’ordre suivant : D3, D1, D2, D3, D1, etc. II.2.2.2.1 Charge résistive a) Analyse du fonctionnement

 5  6 6 D1 Diodes passantes (D) Tension redressée U=V1 Courant redressé U V i  1 R R Tension aux bornes de la diode D1 UD1=0 Courant traversant la diode D1 U V i D1   1 R R Courant de la ligne 1 (enroulements U V i L1  i D1   1 secondaires) R R Intervalles

V

9 13  6 6 D3 U=V3 U V i  3 R R UD1= V1 –V3

i D1  0

i D1  0

i L1  i D1  0

i L1  i D1  0



2

U

Vm

Vm

0

 6



0

2

 Vm

 Vm

Vm R

5 9  6 6 D2 U=V2 U V i  2 R R UD1= V1 –V2

i

U D1

Vm 0



0

2



2

 Vm  Vm R

 3Vm

15

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Chapitre II

Convertisseurs courant alternatif - courant continu

i L1

Vm R

0

Vm i D1 R

 6

0

2

5  6

 6

2

5  6

 Vm R

 Vm R b) Valeur moyenne T

U moy 

i moy 

5T 12

5T 12

12

12

3 3Vm 1 3 3 U( t )dt  U moy   V1 ( t )dt  U moy   Vm sin(t )dt  U moy   0.83Vm  T0 T T T T 2

3 3Vm 2R

c) Valeur efficace T

1 3 2   U 2 ( t )dt  U eff  T T0

2 U eff

i eff 

5T 12

 V (t) 1

2

2 dt  U eff

T 12

3  T

5T 12

V

2 m

sin 2 (t )dt  U eff  0.84Vm

T 12

0.84Vm R

d) Facteur de forme

F

U eff  1.02 U moy

II.2.2.2.2 Charge résistive et inductive (lissage du courant) Le courant i est lissé par la bobine d’inductance L. Son intensité est imposée par la charge R. i

UD1 V1

0



iL1

D1

iD1

2

V2

i D2

R U

V3

D3

L

Figure 2.7: Redresseur simple alternance P3 (Charge résistive et inductive) 16

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Chapitre II

Convertisseurs courant alternatif - courant continu

i D1

i L1

i

0

i

 6

2

5  6

0

 6

2

5  6

II.2.2.2.2.1 Courant dans une diode a) Valeur moyenne

i D moy  i D1 moy  i D 2 moy  i D 3moy 

5T 12

1 i i( t )dt   T T 3 12

b) Valeur efficace

i D eff  i D1 eff  i D 2eff  i D 3eff 

5T 12

1 2 i i ( t )dt   T T 3 12

II.2.2.2.2.2 Courant dans les enroulements secondaires du transformateur a) Valeur moyenne

i L moy  i L1 moy  i L 2 moy  i L3moy 

5T 12

1 i i( t )dt   T T 3 12

b) Valeur efficace

i L moy  i L1 moy  i L 2 moy  i L3moy 

5T 12

1 2 i i ( t )dt   T T 3 12

II.2.2.3 Redresseur parallèle double PD3

i

iD1 D1

V1

iL1

UD1

D2

D3

Ce redresseur est le prototype du redresseur industriel. Il peut être vu comme une combinaison de 2 redresseurs P3.

U

V2 V3

R

iD1’ D1’

D2’

D3’

Les trois diodes D1, D2, D3 forment un commutateur plus positif, qui laisse passer tout

Figure 2.8: Schéma du redresseur PD3 (Charge résistive) 17

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Convertisseurs courant alternatif - courant continu

instant la plus positive des tensions, et les diodes D1’, D2’, D3’ forment un commutateur plus négatif, qui laisse passer la plus négative des tensions. II.2.2.3.1 Charge résistive a) Analyse du fonctionnement

 3  6 6 D1 et D2’ Diodes passantes (D) Tension redressée U=V1-V2 Courant redressé U V - V2 i  1 R R Tension aux bornes de la diode UD1=0 bloquée D1 Courant traversant la diode D1 U V  V2 i D1   1 R R Courant traversant la diode D1’ i D1'  0 Courant de la ligne 1 (enroulements i L1  i D1 secondaires) Intervalles

7 9  6 6 D2 et D1’ Diodes passantes (D) Tension redressée U=V2-V1 Courant redressé U V -V i  2 1 R R Tension aux bornes de la diode UD1= V1 –V2 bloquée D1 Courant traversant la diode D1 i D1  0 Courant traversant la diode D1’ U V  V1 i D1'   2 R R Courant de la ligne 1 (enroulements i L1  i D1' secondaires) Intervalles

V

3 5  6 6 D1 et D3’ U=V1-V3 U V -V i  1 3 R R UD1= 0

5 7  6 6 D2 et D3’ U=V2-V3 U V -V i  2 3 R R UD1= V1 –V2

U V1  V2  R R i D1'  0 i L1  i D1

i D1  0 i D1'  0 i L1  0

9 11  6 6 D3 et D1’ U=V3-V1 U V -V i  3 1 R R UD1= V1 –V3

11 13  6 6 D3 et D2’ U=V3-V2 U V -V i  3 2 R R UD1= V1 –V3

i D1  0

i D1  0 i D1'  0

i D1 

U V2  V1  R R  i D1'

i D1'  i L1

i L1  0

U

Vm

3Vm Vm

0

 6



2

0



2

 Vm

 Vm 18

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Convertisseurs courant alternatif - courant continu

i

3Vm RV

U D1

m

Vm

R 0

 Vm R

0

2



2



 Vm

 3Vm

i D1 '

i D1

3Vm RV

3Vm RV

R

R

m

m

0

 6

 Vm R

0

2

5  6

 7 6

 Vm R

11 2 6

i L1

3Vm RV

m

R 0

 6

 Vm R

5  6

7 6

iL1=iD1-iD1’

11 6 2

iL2=iD2-iD2’ iL3=iD3-iD3’

b) Valeur moyenne T

U moy 

3T 12

1 6 6 U( t )dt  U moy   V1  V2 ( t )dt  U moy   T T0 T T 12

U moy 

i moy 

3T 12

 (V

m

T 12

sin(t )  Vm sin(t 

2 ))dt  3

3 3Vm  1.66Vm 

3 3Vm R

19

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Convertisseurs courant alternatif - courant continu

c) Valeur efficace T

2 U eff 

i eff 

1 6 2 U 2 ( t )dt  U eff   T T0

3T 12

 (V

m

sin (t )  Vm sin (t 

T 12

2 2 )) dt   U eff  1.662Vm 3

1.662Vm R

d) Facteur de forme

U eff  1.0009 U moy

F

II.2.2.3.2 Charge résistive et inductive (lissage du courant) i

i D1

i 0

0

2



i

i L1

i

 6

5  6

2

i D1'

i 0

 6

7 6

i

11 6 2

5  6

0

 7 6

i

11 2 6

II.2.2.3.2.1 Courant dans une diode a) Valeur moyenne

i D moy  i D1 moy  i D 2 moy  i D 3moy  i D1' moy  i D 2'moy  i D 3'moy 

5T 12

1 i i( t )dt   T T 3 12

20

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Convertisseurs courant alternatif - courant continu

b) Valeur efficace

i D eff  i D1 eff  i D 2eff  i D 3eff  i D1' eff  i D 2'eff  i D 3'eff 

5T 12

1 2 i i ( t )dt   T T 3 12

II.2.2.3.2.2 Courant dans les enroulements secondaires du transformateur a) Valeur moyenne

i L1 moy

11T  512T  12 1     i( t )dt   i( t )dt   i D1moy  i D1'moy  0 T T 7T   12  12 

b) Valeur efficace i L1 moy 

11T  512T  12 1 2 2  2 i ( t )dt   i ( t )dt   i   T T 3 7T  12  12  

II.2.2.4 Redresseur du type série S3 D1

constitué de six diodes. Les enroulements secondaires du transformateur sont couplés en

V1

devinent positives, D1’, D2’ et D3’ conduisent des que V1, V2, V3 devinent négatives.

UD1

D2

D3

V2

triangle. D1, D2 et D3 conduisent des que V1, V2, V3

i

iD1

Le montage redresseur S3 à diode est

V3

U D1’

D2’

D3’

Figure 2.9: Schéma du redresseur S3

a) Analyse du fonctionnement Intervalles

2 6 D1 et D2’ U=-V2 UD1=0

2 4  6 6 D1 et D3’ U=V1 UD1= 0

4 6  6 6 D2 et D3’ U=-V3 UD1=–V2

6 8  6 6 D2 et D1’ U=V2 UD1=-V2

8 10  6 6 D3 et D1’ U=-V1 UD1= V1

10 12  6 6 D3 et D2’ U=V3 UD1= V1

0

Diode passante (D) Tension redressée Tension aux bornes de la diode D1

Intervalles Diode passante (D) Tension redressée Tension aux bornes de la diode D1

21

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Convertisseurs courant alternatif - courant continu

U

V

Vm

Vm

0

 6

0

2



 Vm

2



 Vm U D1

Vm

0

2



 Vm b) Valeur moyenne 2T 12

T

U moy 

i moy 

2T 12

3V 1 6 6 U( t )dt  U moy   V1 ( t )dt  U moy   Vm sin(t )dt  U moy  m  0.95Vm  T0  T 0 T 0

3Vm R

II.3 Redressement commandé On remplace les diodes (D1….) par des thyristors (Th1….). II.3.1 Redressement monophasé II.3.1.1 Redressement simple alternance

Th

II.3.1.1.1 Charge résistive

iG i

Le montage alimenté par une source de tension UTh

alternative sinusoïdale de valeur instantanée V  Vm sin(t )

V

U

R

( t   ) débite un courant d'intensité i dans une charge

résistive de résistance R. Figure 2.10: Schéma du redresseur monophasé à thyristors (Charge résistive)

Avec: UTh: est la tension aux bornes du thyristor.  On note  l’angle d’amorçage de référence d’un thyristor.

22

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Convertisseurs courant alternatif - courant continu

a) Analyse du fonctionnement

 Th est passant U=V U V i  R R UTh=0

0 Th est bloqué U=0 U i 0 R UTh=V

Intervalles Thyristor Tension redressée Courant redressé Tension aux bornes du thyristor

V

V

Vm

Vm

0

2



0 



2



2

 Vm

 Vm

U Th

i

Vm R

  2 Th est bloqué U=0 U i 0 R UTh=V

Vm

0

2





 Vm R

0

 Vm iG

i G max

0

2





b) Valeur moyenne T

U moy 

T 2

1 V 1 U( t )dt  U moy   Vm sin(t )dt  U moy  m (1  cos()) avec: T  2  T0 T 2 23

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i moy 

Convertisseurs courant alternatif - courant continu

Vm (1  cos()) 2R

c) Valeur efficace T 2

V 1  sin(2) 1 2 U 2 ( t )dt  U eff   Vm2 sin 2 (t )dt  U eff  m 1    T0 T 2  2 T

2 U eff 

Vm  sin(2) 1  2R  2 II.3.1.1.2 Charge résistive et inductive i eff 

V

Th

Vm

i R

UTh V

0

U

2



L Figure 2.11: Schéma du redresseur à thyristors (Charge résistive et inductive)

 Vm V

i

Vm e

0



0

2







e

2

 Vm U Th

iG

Vm

i G max e

0



2

 Vm

0 



2

24

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Convertisseurs courant alternatif - courant continu

II.3.1.2 Redressement double alternance (pont de Graëtz monophasé PD2)

Th2

J

Th3, Th4). La tension d’alimentation V(t) est

Th3

alternative V  Vm sin(t ) .

Tension aux bornes du thyristor Th1 Intervalles Thyristors passants Tension redressée Courant redressé Tension aux bornes du thyristor Th1

R

Th4

Figure 2.12: Schéma du redresseur à thyristors PD2 (Charge résistive)

a) Analyse du fonctionnement Intervalles Thyristors passants Tension redressée Courant redressé

U

V

Ce pont nécessite quatre thyristors (Th1, Th2,

0 / U=0 U i 0 R UTh=V

 Th1 et Th4 U=V U V i  R R UTh=0

 / U=0 U i 0 R UTh=V

    2 Th2 et Th3 U=-V U V i  R R UTh=V V

V

Vm

Vm

0

0

2









2

 Vm

 Vm

0

UTh1

Th1

II.3.1.2.1 Charge résistive

Vm R

i

iTh1

i







2

 Vm R 25

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Convertisseurs courant alternatif - courant continu

b) Valeur moyenne T 2

T

U moy  i moy 

1 V 2 U( t )dt  U moy   Vm sin(t )dt  U moy  m (1  cos())  T0 T 

Vm (1  cos()) R

c) Valeur efficace T 2

1 V 2  sin(2) 2 U 2 ( t )dt  U eff   Vm2 sin 2 (t )dt  U eff  m 1    T0 T  2 2 T

2 U eff 

i eff 

Vm R 2

1

 sin(2)   2

i

iTh1

II.3.1.2.2 Charge résistive et inductive

Th1

La charge résistive est remplacée par une

UTh1

Th2

J

charge à caractère inductif composée d’une

R

U

V

L

résistance R et d’une inductance L, figure Th3

(2.13).

Th4

Figure 2.13: Schéma du redresseur à thyristors PD2 (Charge résistive et inductive)

V

U

Vm

Vm

0

0

e

2





 Th1 et Th4

 Vm



2

Th2 et Th3

 Vm i

e

0







2

Si l’inductance est assez grande, on peut considérer le lissage comme parfait : le courant i est constant.

26

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Convertisseurs courant alternatif - courant continu

II.3.2 Redresseurs triphasés à thyristors

UTh1

II.3.2.1 Redresseur parallèle simple P3 La figure 2.14 représente le montage P3 à

V1

iL1

Th1

iTh1

thyristors. Chaque thyristor est raccordé sur une 2 phase ( V  Vm sin(t ) , V  Vm sin(t  ) 3 4 V  Vm sin(t  ) ), 3

les

cathodes

et

V2

sont

V3

i Th2

R U

Th3

L

Figure 2.14: Redresseur simple alternance P3 à thyristors (Charge résistive et inductive)

communes et raccordées sur la charge. Le retour au transformateur s’effectue par le neutre. a) Analyse du fonctionnement

 5   6 6 Th1 U=V1

Intervalles Thyristors passants Tension redressée

9 13   6 6 Th3 U=V3

U

V

Vm

Vm

0

5 9   6 6 Th2 U=V2

 6

0

2



2



  6

 Vm

 Vm U

Vm

0

2



  3

 Vm b) Valeur moyenne T

U moy 

1 3 U( t )dt  U moy   T0 T

5T  12

 V (t )dt  U 1

moy

T  12



3 T

5T  12

V

m

T  12

sin(t )dt  U moy 

3 3Vm cos() 2

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