Régulateurs Statiques de Tension Alternative [PDF]

Zitiervorschau

Régulateurs statiques de tension alternative par

Jean BONFANTE Maître ès Sciences Chef de Travaux au Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM)

et

Francis GALLIN Docteur-Ingénieur Assistant au Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM)

1. 1.1 1.2 1.3

Protection contre les perturbations ................................................... Perturbations de tension............................................................................. Choix et comparaison des systèmes de protection.................................. Conditionneurs de réseau...........................................................................

2. 2.1 2.2

Limiteurs de tension ............................................................................... Écrêteurs....................................................................................................... Filtres ............................................................................................................ 2.2.1 Rappel.................................................................................................. 2.2.2 Circuits RLC......................................................................................... 2.2.3 Transformateurs à écrans ..................................................................

— — — — — —

4 4 5 5 7 7

3. 3.1

Régulateurs de tension........................................................................... Régulateur à ferrorésonance ...................................................................... 3.1.1 Principe................................................................................................ 3.1.2 Principaux montages.......................................................................... 3.1.3 Avantages et inconvénients............................................................... Régulateur à commutation électronique ................................................... 3.2.1 Principe................................................................................................ 3.2.2 Principaux montages.......................................................................... 3.2.3 Avantages et inconvénients...............................................................

— — — — — — — — —

8 8 8 11 12 13 13 13 14

Régulateurs asservis ............................................................................... Régulateur à curseur asservi ...................................................................... 4.1.1 Principe................................................................................................ 4.1.2 Principaux montages.......................................................................... 4.1.3 Avantages et inconvénients............................................................... Régulateur à gradateur asservi .................................................................. 4.2.1 Principe................................................................................................ 4.2.2 Montage usuel .................................................................................... 4.2.3 Avantages et inconvénients............................................................... Régulateur à ferrorésonance à durée de rémanence asservie ................ Autres dispositifs de régulation ................................................................. 4.4.1 Montage à quatre gradateurs en pont .............................................. 4.4.2 Montage à commutation électronique à quatre thyristors ............. 4.4.3 Régulateur à transducteur magnétique ............................................

— — — — — — — — — — — — — —

14 14 14 14 15 15 15 16 16 16 16 16 17 17

Alimentations sans interruption.......................................................... Principe......................................................................................................... Différents dispositifs....................................................................................

— — —

18 18 18

3.2

4. 4.1

4.2

D 3 500

3 - 1990

4.3 4.4

5. 5.1 5.2

Pour en savoir plus...........................................................................................

D 3 500 - 2 — 2 — 2 — 2

Doc. D 3 500

et article concerne uniquement les régulateurs statiques dont la puissance est limitée à quelques centaines de kilovoltampères. Ainsi, les régulateurs à groupe tournant et les dispositifs de réglage des grands réseaux de transport et des grandes installations électriques en sont exclus.

C

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

D 3 500 − 1

RÉGULATEURS STATIQUES DE TENSION ALTERNATIVE ________________________________________________________________________________________

Un grand réseau de distribution d’énergie électrique délivre une tension dont la qualité dépend à la fois : — du producteur, qui s’engage contractuellement à maintenir l’amplitude et la fréquence entre des limites, qu’il est cependant amené à dépasser lors de manœuvres (mise sous tension, élimination automatique de courts-circuits, délestage, etc.) ; — de phénomènes aléatoires, d’origine atmosphérique ou accidentelle (foudre, rupture de ligne, etc.) ; — des abonnés qui, en manœuvrant à leur gré leurs appareils électriques (marche, arrêt, variations de charge), génèrent des courants transitoires non sinusoïdaux et qui, en utilisant des dispositifs à commutation électronique, engendrent des harmoniques de courant. La profusion des équipements électriques et des dispositifs à commutation électronique entraîne un accroissement inévitable de la pollution de la tension, alors qu’en même temps des équipements électroniques sensibles (EES), tels que les ordinateurs, deviennent des centres vitaux de l’économie. Il est donc indispensable de minimiser la dégradation des équipements, due aux fluctuations de tension, en les protégeant par des interfaces d’alimentation telles que les régulateurs statiques de tension. La recherche du régulateur optimal nécessite la connaissance de la pollution électrique locale, y compris celle due à l’utilisateur, et des tolérances d’alimentation qui garantissent le fonctionnement des appareils.

1. Protection contre les perturbations 1.1 Perturbations de tension Les différentes perturbations rencontrées sur les réseaux de distribution d’énergie électrique d’EDF sont définies dans le tableau 1, avec leurs principales origines et leurs effets prépondérants [1]. Des enregistreurs, appelés analyseurs de réseaux, permettent à l’utilisateur de relever lui-même les perturbations affectant son installation, afin de choisir correctement le système de protection adapté [2] [3].

Ayant choisi une interface d’alimentation pour protéger un EES, il faut alors s’assurer qu’elle puisse supporter les propres perturbations apportées par l’EES, pour les deux régimes, transitoire et permanent. La figure 1 montre, par exemple, l’évolution de la valeur instantanée du courant d’appel d’un ordinateur que devra supporter le régulateur choisi.

1.3 Conditionneurs de réseau Il est indispensable d’utiliser, en même temps, un écrêteur (§ 2.1), un filtre (§ 2.2) et un régulateur (§ 3 et 4) pour obtenir une protection globale. De tels dispositifs sont des conditionneurs de réseau (figure 2).

1.2 Choix et comparaison des systèmes de protection À chaque type de perturbation correspond un (ou plusieurs) système de protection (tableau 1). On remarque que les régulateurs, seuls, ne corrigent, en fait, que les variations lentes de tension et que le dispositif à ferrorésonance peut, lui, éliminer plusieurs types de perturbations. Le tableau 2 permet de comparer les performances des principaux régulateurs commercialisés actuellement. Les tolérances d’alimentation des appareils doivent être définies par les constructeurs. Parmi les équipements à protéger des fluctuations de tension, on distingue les équipements électroniques sensibles (EES) et très sensibles (EETS) ; dans les deux cas, les tolérances de fonctionnement doivent être connues pour les régimes transitoire (à la mise en marche, à l’arrêt) et permanent. Le tableau 3 [1] donne un exemple de leurs tolérances d’alimentation.

Figure 1 – Valeur instantanée du courant d’appel à la mise sous tension d’un ordinateur

(0)

D 3 500 − 2

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

_______________________________________________________________________________________

RÉGULATEURS STATIQUES DE TENSION ALTERNATIVE

Tableau 1 – Perturbations de tension dans les réseaux de distribution à basse tension et systèmes de protection correspondants Perturbation

Origine

Effets

Systèmes de protection

Phénomènes impulsionnels, souvent locaux : — foudre ; — mise en ou hors circuit de condensateurs de compensation ; — déconnexion de charge à forte puissance réactive ; — photocopieurs, conditionneurs d’air, court-circuit avec fusion de fusible

Cause principale des pannes et des erreurs Détérioration de circuits Viellissement prématuré des composants Émission de champs parasites détectés par les équipements sensibles

Écrêteur Filtre Régulateur à ferrorésonance Alimentation sans interruption

Court-circuit ou commutation sur le réseau à basse tension

Perturbation du fonctionnement des systèmes électroniques sensibles

Régulateur à ferrorésonance Alimentation sans interruption

Circuits non linéaires (électronique de puissance ; fours à arc ; éclairage fluorescent ; générateurs à haute fréquence)

Phénomènes de résonance (le plus souvent entre 150 et 1 500 Hz suivant les caractéristiques du réseau local) Défaut de fonctionnement par déplacement du passage par zéro Dépassement de valeur crête ; claquage, etc. Échauffement supplémentaire des composants, des appareils

Filtre Régulateur à ferrorésonance

Chutes de tension importantes en ligne Variations lentes de la charge locale du réseau Régleurs en charge

Vieillissement prématuré (composants, lampes) Déréglage des systèmes asservis à Vn (relais, moteurs synchrones dispositifs électroniques, etc.) Ces effets sont plus importants en bout de ligne

Régulateur à ferrorésonance Régulateur à commutation électronique Régulateur à curseur asservi Régulateur à gradateur asservi Alimentation sans interruption

Régimes transitoires : collecteurs de moteurs, enseignes lumineuses, antiparasitage défectueux des appareils électroménagers, commutations Ils peuvent être de mode commun ou de mode différentiel

Perturbation du fonctionnement des systèmes électroniques sensibles

Filtre Régulateur à ferrorésonance Alimentation sans interruption

Appareils à charges variables Grands courants d’appel Défauts d’isolement du réseau

Perte de contrôle des systèmes nécessitant des séquences normales d’arrêt (disques et bandes magnétiques, ordinateurs) avec détérioration d’information et fonctionnement erroné Indisponibilité temporaire

Alimentation sans interruption

Fours à arc Dispositifs de soudage de grande puissance

Identiques à ceux dus aux variations lentes Gène physiologique oculaire (la variation du flux lumineux des lampes à incandescence est trois fois plus grande que la variation de tension)

Régulateur à ferrorésonance Alimentation sans interruption

Charges monophasées raccordées au réseau triphasé (dispositifs de soudage ; fours à induction)

Freinage et échauffement des machines triphasées

Régulateur triphasé

Variations de fréquence 49 < f < 51 Hz

Réseau autonome (les impacts de charges entraînent une variation de vitesse de l’alternateur)

Déréglage des systèmes

Alimentation sans interruption

Coupures

Défaut entre phases (déclenchement et réenclenchement) ou entre phase et terre

Indisponibilité entraînant des pertes d’informations et des erreurs lors de la reprise du fonctionnement Dégradation du matériel

Alimentation sans interruption

Surtensions transitoires ^

V < 800 V ∆t < 1 ms

Microcoupures v=0 ∆t < 10 ms Distorsion harmonique k=∞

∑

τ h = 10 2

k=2

Vk

 ------V 

2

< 8%

1

Variations lentes d’amplitude 0,9 Vn < V < 1,1 Vn

Parasites amplitude < V n

2

∆t < 10 ms ou fréquence > 0,1 kHz Creux de tension V < 0,9 Vn ∆t < 50 s

Variations rapides d’amplitude (flicker, à coups) 0,9 Vn < V < 1,1 Vn 50 à-coups par seconde au maximum Déséquilibre triphasé Vi τ d = -------- < 2 % Vd

v=0 ∆t > 10 ms f v V ^

fréquence. valeur instantanée de la tension. valeur efficace.

V valeur maximale. Vn valeur nominale de V.

Vd et Vi valeurs efficaces des composantes directe et inverse des tensions triphasées. valeur efficace de l’harmonique k de la tension v. Vk ∆t durée des perturbations.

τd τh

taux de déséquilibre. taux de distorsion harmonique de V.

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

D 3 500 − 3

RÉGULATEURS STATIQUES DE TENSION ALTERNATIVE ________________________________________________________________________________________

(0)

Tableau 2 – Valeurs moyennes des caractéristiques des principaux régulateurs de tension (puissance S  3 kVA ; fréquence de 50 Hz) Régulateurs Caractéristique

Plages de régulation

Alimentation sans interruption

à ferrorésonance

à commutation électronique

à curseur asservi

à gradateur asservi

VE .............. (%)

± 15

± 15

± 25

± 15

± 15

VS (de 0 à ISn ) ......... (%)

± 5 ( λ  0,8 )

±5

±1

±1

± 5 (λ  0,8)

Fréquence ............................ (Hz)

50 ± 4 %

50 ± 4 %

45 à 65

50 ± 6 %

50 ± 4 %

Rendement............................ (%)

85

94

95

92

72 à 85

Durée de réglage ................ (ms)

30

20 par commutation

50 par volt

50

Distorsion harmonique de VS...................................... (%)

3

0

0

5

5

Autonomie .................................

20 ms

0

0

0

10 à 30 min

ISn VE VS λ

valeur nominale du courant de sortie tension d’entrée tension de sortie facteur de puissance de la charge

(0)

Tableau 3 – Exemple de tolérances d’alimentation Variation de tension (%)

Variation de fréquence (%)

(%)

Durée des microcoupures (ms)

Équipement électronique sensible (EES)

régime transitoire

± 20

±6

 5

 20

régime permanent

± 10

±6

 5

 10

Équipement électronique très sensible (EETS)

régime transitoire

± 10

±1

< 5

1, la variable U change de signe en passant par zéro. La construction graphique des courbes (figure 20a ) fait apparaître, pour certaines valeurs de VE , plusieurs intersections. Les points de fonctionnement situés dans la zone AC étant instables, il en résulte, en fonction de VE , des discontinuités sur les courbes représentatives de VS1 (figure 20b ) et du courant d’entrée I E1 (figure 20c ).

I 1 = – jI 1

et

Lω V E = L ω I 1 – ( LC ω 2 – 1 ) V S1 + j --------- V S1 R En prenant comme variable : U = L ω I1 – (LC ω 2 – 1) VS1 U et VS1 sont alors reliées par l’équation : 2

V S1 U2 -------------------------- + --------- = 1 2 2 R VE --------- V E Lω





qui est celle d’une ellipse de demi-grand axe :

Figure 18 – Régulateur à ferrorésonance : circuit équivalent

R a = --------- V E Lω et de demi-petit axe : b = VE La figure 13 donnant I1 en fonction de VS , pour une inductance saturable, permet de tracer U (VS1) à partir des valeurs de L, C et ω . Les points de fonctionnement se trouvent à l’intersection de la courbe U (VS1) et de l’ellipse paramétrée par VE (figure 19). Deux cas sont alors à considérer suivant le signe de U. Si LC ω 2  1 , la variable U est toujours positive ; pour chaque valeur de VE , il n’y a qu’une intersection possible entre les deux courbes (figure 19a ), et la composante fondamentale de la tension de sortie VS1 ne présente pas de discontinuité lorsque VE varie (figure 19b ).

Figure 17 – Régulateur à ferrorésonance : représentation de la valeur efficace de la tension de sortie en fonction de la valeur efficace de la tension d’entrée

Figure 19 – Cas où LC  2  1 : détermination des points de fonctionnement en fonction de la tension d’entrée VE

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

D 3 500 − 9

RÉGULATEURS STATIQUES DE TENSION ALTERNATIVE ________________________________________________________________________________________

Figure 21 – Régulateur à ferrorésonance : valeur efficace de la tension de sortie en fonction du courant de sortie pour une tension d’entrée VE fixée (pour L, se reporter à la figure 18)

Figure 22 – Régulateur à ferrorésonance à vide : influence de la fréquence sur la valeur efficace de la tension de sortie

3.1.1.3 Calcul de la composante fondamentale de la tension de sortie Le calcul approché de la valeur efficace de la composante fondamentale VS1 de la tension v S peut être effectué de la manière suivante. On recherche une fonction approchée : — pour la caractéristique I1 (VS1), sous la forme : V S1 I 1 = k 1 + k 2 exp ----------k3



Figure 20 – Cas où LC  2 > 1 : détermination des points de fonctionnement en fonction de la tension d’entrée VE

■ Influence de la charge : lorsque la résistance de charge RC diminue, la résistance équivalente R, définie sur la figure 17, diminue ; pour VE fixé, le demi-grand axe de l’ellipse (R /Lω )VE diminue et la tension de sortie décroît. La figure 21 montre la caractéristique VS (IS ) d’un régulateur à ferrorésonance. En cas de court-circuit franc permanent, l’impédance de l’inductance L limite la VE valeur du courant de court-circuit à --------- . Lω Cependant, le courant transitoire peut prendre des valeurs instantanées importantes selon la charge électrique portée par le condensateur juste avant le court-circuit. ■ Influence de la fréquence : lorsque la fréquence varie, la caractéristique I (V ) de l’inductance saturable se déplace, la variable U prend des valeurs différentes et le demi-grand axe de l’ellipse, pour VE fixé, varie également ; il s’ensuit que la caractéristique VS (VE) est très différente (figure 22).

D 3 500 − 10



— pour le déphasage θ1 de la tension vS1 par rapport au courant i1 sous la forme : V S1 sin θ 1 = 1 – k 4 exp – ----------k5





Les valeurs des coefficients k i sont à déterminer par des méthodes d’approximation, à partir des relevés expérimentaux relatifs à l’inductance saturable. Le schéma équivalent complet (figure 23) conduit à l’équation (en valeurs efficaces complexes) : V E = ( r ′ + jL ω ) [ I 1 ( cos θ 1 – j sin θ 1 ) + j C ω V S1 + ( G C + j B C ) V S1 ] + VS1 en posant

V S1 = V S1 I 1 = I 1 exp ( – j θ 1 )

et

Y C = G C + jB C

On recherche les solutions en VS1 de cette équation, pour une valeur fixée de VE . Lorsqu’il y a trois solutions, la solution intermédiaire correspond toujours à un régime instable. La figure 24 montre, pour une inductance saturable donnée, l’influence de la valeur des éléments sur les caractéristiques VS1 (VE).

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

_______________________________________________________________________________________

3.1.2 Principaux montages Nota : on ne considère, dans ce paragraphe, que les composantes fondamentales des tensions et des courants (sans les affecter de l’indice « 1 »).

■ Pour abaisser le coût de fabrication, le circuit magnétique de l’inductance saturable est réalisé avec des tôles de transformateur dont la saturation magnétique n’est pas franche. La caractéristique VS (VE) présente, alors, une pente qui peut être annulée avec un enroulement supplémentaire de n 2 spires, couplé à la tension d’entrée par le même circuit magnétique que celui de l’inductance L de n1 spires (figure 25).

RÉGULATEURS STATIQUES DE TENSION ALTERNATIVE

■ Le montage à autotransformateur (figure 26) offre plusieurs avantages : — réglage de la mise en saturation du circuit magnétique, suivant la valeur minimale de VE à réguler, par utilisation de n spires ; — réglage de la valeur efficace de la tension de sortie par utilisation de n ′ spires ; — diminution de la valeur de la capacité du condensateur (à puissance constante), en élevant sa tension d’alimentation par utilisation de n ′′ spires. ■ Le montage à transformateur est le plus utilisé (figure 27a ). Le secondaire est partiellement découplé du primaire par l’intermédiaire de shunts magnétiques. Le courant dans le condensateur, placé en parallèle avec l’enroulement secondaire, étant en phase avec le flux d’induction magnétique secondaire, participe, avec le primaire, à l’augmentation de ce flux et assure la saturation du circuit ferromagnétique secondaire. À partir du schéma équivalent approché du circuit magnétique (figure 27b ), on a, en valeurs efficaces complexes, pour le fonctionnement à vide : – s Φ = – n 2 I 2 + Φ 2  2 avec  2 fonction de Φ 2 , donc de VS :

Φ = Φ2– Φ1

Figure 23 – Régulateur à ferrorésonance : schéma équivalent complet

V E = j n1 ω Φ 1 V S = – j n2 ω Φ 2 I2 = j C ω V S

Figure 25 – Régulateur à ferrorésonance à enroulement de compensation

Figure 24 – Régulateur à ferrorésonance : influence de la valeur des éléments sur la caractéristique de sortie Figure 26 – Régulateur à ferrorésonance à autotransformateur avec enroulement de compensation

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

D 3 500 − 11

RÉGULATEURS STATIQUES DE TENSION ALTERNATIVE ________________________________________________________________________________________

On obtient :

VS

n2 -------V n1 E = – -----------------------------------------------------2 2 n2 C ω2 1 + --------- – ----------------------s s

La construction graphique de la figure 27 c donne l’allure approchée de la valeur efficace de la tension secondaire VS en fonction de la tension primaire VE . Un enroulement de compensation, de n 1′ spires, bien couplé magnétiquement avec le primaire du transformateur (figure 28), améliore la régulation, mais entraîne aussi un couplage capacitif en haute fréquence (transformateur à écrans § 2.2.3). La caractéristique V S′ ( I S ) pour une valeur fixée de la tension d’entrée est identique à celle de la figure 21b.

■ Dans le montage usuel, le condensateur est alimenté par une tension plus grande que la tension de sortie (figure 29a ), ce qui permet de diminuer la valeur de la capacité. Un filtre, accordé sur l’harmonique 3, peut être intercalé dans le circuit (figure 29b ).

3.1.3 Avantages et inconvénients ■ Avantages des régulateurs à ferrorésonance : — leur conception est très simple et leur utilisation très fiable ; — ils éliminent les microcoupures de tension de durée inférieure ou égale à 20 ms ; — ils servent de filtre, en éliminant les régimes transitoires et les surtensions (figure 30) ; — ce sont des limiteurs de courant.

Figure 28 – Régulateur à ferrorésonance à transformateur avec enroulement de compensation

Figure 27 – Régulateur à ferrorésonance à transformateur à shunts magnétiques

D 3 500 − 12

Figure 29 – Régulateur à ferrorésonance à transformateur : schémas usuels

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

_______________________________________________________________________________________

RÉGULATEURS STATIQUES DE TENSION ALTERNATIVE

Figure 30 – Régulateur à ferrorésonance : exemple de filtrage

■ Inconvénients des régulateurs à ferrorésonance : — la valeur efficace de la tension régulée dépend de la fréquence, de la charge et de son facteur de puissance ; — ils introduisent une distorsion harmonique (qui peut être réduite avec des filtres) ; — leur rendement, de l’ordre de 85 %, diminue fortement pour les faibles puissances.

3.2 Régulateur à commutation électronique 3.2.1 Principe C’est un transformateur (ou un autotransformateur) à rapport de transformation (mi ) variable par valeurs discontinues. L’enroulement secondaire présente généralement une dizaine de sorties (figure 31a ) contrôlées par des semi-conducteurs commandés (thyristors tête-bêche ou triacs). Le dispositif de contrôle et de commande sélectionne la sortie qui assure le maintien de la valeur efficace de la tension entre les valeurs extrêmes V S′ et V S′′ lorsque la valeur efficace de la tension d’entrée varie (figure 31b ) ou lorsque la charge varie pour compenser les chutes de tension dans le transformateur. Pour deux prises consécutives, les rapports de transformation (figures 31a et b ), sont tels que : mi + 1 --------------- = α mi avec

V S′′ α = ----------V S′

et les nombres de spires des différents enroulements secondaires sont : n i = αi – 1 (α – 1) n où n représente le nombre de spires secondaires non modulable.

Figure 31 – Régulateur à commutation électronique à 5 sorties

3.2.2 Principaux montages ■ À partir du schéma de principe, les améliorations apportées au circuit de la figure 31a sont les suivantes : — des résistances, de valeur inférieure à un ohm, sont mises en série avec les semi-conducteurs, pour éviter les courts-circuits entre deux prises consécutives pendant les commutations ; — le seuil de régulation est abaissé à V S′′′ (figure 32), pour décaler les commandes de commutation entre deux prises consécutives, afin d’éviter les régimes oscillatoires dus aux commutations permanentes entre deux prises, pour les valeurs oscillant autour de celle entraînant une commutation sur la figure 31b. Le contrôle de la tension de sortie s’effectue sur les valeurs maximale et minimale de la valeur instantanée.

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

D 3 500 − 13

RÉGULATEURS STATIQUES DE TENSION ALTERNATIVE ________________________________________________________________________________________

■ Montage à transformateur d’appoint (booster en anglais) : il permet d’utiliser des composants de faibles puissances et comprend (figure 33) un transformateur d’appoint, de rapport de transformation m ′, et un autotransformateur de N spires, en parallèle sur la sortie, à prises multiples (une dizaine), commandées par des semiconducteurs, qui peuvent être des triacs. La valeur efficace de la tension de sortie est :

Avec 2k enroulements de correction et 2k + 1 sorties, pour la tension de sortie représentée sur la figure 31b, les nombres de spires entre les prises sont : N n i = ( α – 1 ) k – i ---------m′ où

VS = mi VE avec

1 m i = ----------------------------------Ni 1 + ε m ′ -------N

où Ni représente le nombre total de spires entre la sortie centrale et la sortie de rang i ; ε = + 1 pour les sorties de rang inférieur à celui de la sortie centrale ; et ε = – 1 pour les sorties de rang supérieur.

V ′′S α = ----------V S′

La caractéristique de sortie réelle est identique à celle de la figure 32.

3.2.3 Avantages et inconvénients ■ Avantages des régulateurs à commutation électronique : — ils sont bien adaptés aux charges variables et aux puissances élevées ; — ils admettent des surcharges temporaires ; — leur principe de régulation n’introduit pas de distorsion harmonique. ■ Inconvénients des régulateurs à commutation électronique : — ils n’éliminent pas les microcoupures de tension ; — le changement de prise est lent (environ 20 ms) ; — ils nécessitent des protections contre les courts-circuits en sortie et un dispositif électronique de contrôle et de commande ; — ils n’ont aucun pouvoir de filtrage.

4. Régulateurs asservis 4.1 Régulateur à curseur asservi Figure 32 – Régulateur à commutation électronique : caractéristique réelle de sortie à vide

4.1.1 Principe Un transformateur d’appoint (de rapport m ′ ) est alimenté par la tension de correction V ′, prise à la sortie d’un autotransformateur de N spires, à point milieu et à curseur asservi (figure 34a ) par un moteur (asynchrone diphasé, universel ou à courant continu). Pour obtenir la régulation de la tension de sortie (à la valeur efficace VSR), lorsque la valeur efficace de la tension d’entrée varie entre V E′ et V ′′E (figure 34b ), le nombre maximal de spires, à placer de part et d’autre du point milieu, est : V E′ N n max = ---------- 1 – -----------V SR m′





La plage de régulation autour de la valeur de VSR est : n max ∆V SR = ± m ′ --------------- V SR N

4.1.2 Principaux montages Un secondaire à deux enroulements, associés en série ou en parallèle (par un jeu de barrettes), permet de doubler la plage de régulation du montage de principe de la figure 34a. Le contrôle de la valeur de la tension de sortie s’effectue généralement sur sa valeur moyenne redressée, comparée à une valeur de consigne réalisée dans le bloc de contrôle et commande. Le signe de la tension d’erreur détermine le sens de rotation du moteur. Le curseur est déplacé tant que la tension d’erreur n’est pas nulle. Figure 33 – Régulateur à commutation électronique et à transformateur d’appoint

D 3 500 − 14

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

_______________________________________________________________________________________

Pour les moyennes et fortes puissances (supérieures ou égales à 30 kVA), le montage de la figure 35, à doubles éléments et à commande unique, permet de diviser par deux leur puissance apparente si : m′ m′′ = --------2

RÉGULATEURS STATIQUES DE TENSION ALTERNATIVE

4.1.3 Avantages et inconvénients Pour les régulateurs à curseur asservi, les avantages et les inconvénients sont identiques à ceux des régulateurs à commutation électronique avec, cependant, une précision élevée (99 %) et un temps de régulation encore plus grand (qui peut toutefois éviter des phénomènes de pompage), de l’ordre de 50 ms par volt. Ce dispositif se prête bien à une régulation triphasée simple : — avec un circuit unique de régulation dans le cas d’une charge équilibrée ou faiblement déséquilibrée ; — avec trois circuits indépendants de régulation, disposés en étoile, pour une charge déséquilibrée.

4.2 Régulateur à gradateur asservi 4.2.1 Principe La forme de la tension d’alimentation du transformateur d’appoint (de rapport m ′ < 1) est déterminée par le retard à l’amorçage des thyristors, montés tête-bêche en série avec l’enroulement primaire (figure 36a ).

Figure 34 – Régulateur à curseur asservi

Figure 35 – Régulateur à curseurs asservis pour les fortes puissances

Figure 36 – Régulateur à gradateurs asservis

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

D 3 500 − 15

RÉGULATEURS STATIQUES DE TENSION ALTERNATIVE ________________________________________________________________________________________

Suivant le gradateur utilisé (GA ou GB ), la tension de sortie est : vS = vE ± m ′ v

Un transformateur (de rapport k < 1), placé en amont, permet d’obtenir la plage de régulation entre : V SR1 V E′ = ---------------------------k ( 1 + m′ )

Le fonctionnement, à vide, est le suivant. ■ Les thyristors débitant sur une charge purement inductive, lorsque la tension v E est sinusoïdale (de valeur efficace V E) et que π l’angle α de retard à l’amorçage est compris entre ----- et π, la 2 tension v est constituée de portions symétriques de sinusoïdes (figure 36b ) ; sa valeur efficace est : V =

a VE

1 a = ----- [ 2 ( π – α ) + sin 2α ] π

avec

et ses composantes harmoniques sont :



V SR1 V E′′ = ------------k

Des filtres, accordés sur les fréquences harmoniques (3 et 5), sont intercalés dans le circuit. Le contrôle s’effectue généralement sur les valeurs instantanées minimale ou maximale de la tension de sortie.

4.2.3 Avantages et inconvénients

■ La valeur efficace de sa composante fondamentale est (figure 36c ) : V1 = a V E

V E sin 2 ( k + 1 ) α sin 2k α V 2k + 1 = ------- ---------------------------------------- – -----------------------π k + 1 k

et



■ La valeur efficace de la composante fondamentale de la tension de sortie v S est : VS1 = (1 ± m′a ) VE Lorsque VE varie, la composante fondamentale de tension de sortie peut être maintenue à la valeur efficace (constante et régulée) V SR1 entre les valeurs V E′ et V E′′ (figure 37).

■ Avantages des régulateurs à gradateur asservi : — la précision de la régulation est grande (99 %) ; — le temps de réponse est petit (1 à 2 périodes). ■ Inconvénients des régulateurs à gradateur asservi : — ils nécessitent un circuit de commande compliqué ; — ils introduisent une distorsion harmonique ; — le facteur de puissance de la charge est limité (entre 1 et 0,7 pour une charge inductive) ; — ils n’éliminent pas les microcoupures de tension.

4.3 Régulateur à ferrorésonance à durée de rémanence asservie

4.2.2 Montage usuel Nota : le lecteur pourra se reporter, en [Doc. D 3 500], à la référence [4].

Il comprend un autotransformateur et souvent un seul gradateur (figure 38). Si L1 est l’inductance propre de l’enroulement primaire, on a comme rapport de transformation : n2 L1 m′ = -------- ----------------n1 L1 + 





Un thyristor, placé en parallèle sur l’inductance saturable, permet de la court-circuiter et d’obtenir ainsi un état rémanent de durée variable. Deux enroulements à noyaux saturables, non couplés, donnent une tension de sortie symétrique (figure 39). Le contrôle des instants d’amorçage assure la régulation de la tension de sortie qui devient moins sensible aux variations de fréquence (pour ∆f = ± 5 % ; ∆VS < 1 %) et aux variations de la charge.

4.4 Autres dispositifs de régulation 4.4.1 Montage à quatre gradateurs en pont Nota : le lecteur pourra se reporter, en [Doc. D 3 500], à la référence [5].

Le principe de ce montage (figure 40) est analogue à celui du régulateur à gradateur asservi (§ 4.2). Figure 37 – Régulateur à gradateurs asservis : plage de régulation et variation de (V E ) lorsque la tension de sortie est VSR1

Figure 39 – Régulateur à ferrorésonance à durée de rémanence asservie

Figure 38 – Régulateur à gradateurs asservis : montage usuel

D 3 500 − 16

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

_______________________________________________________________________________________

RÉGULATEURS STATIQUES DE TENSION ALTERNATIVE

La tension de sortie est : n2 v S = -------- v E ± v n1 où la tension de correction v est contrôlée par un jeu de gradateurs donnant de nombreuses combinaisons de fonctionnement et un réglage plus continu de la tension de sortie, tenant compte du facteur de puissance de la charge. Nota : le taux de distorsion harmonique est abaissé d’environ 1,5 %, mais le dispositif de commande est complexe.

4.4.2 Montage à commutation électronique à quatre thyristors

Figure 40 – Régulateur à quatre gradateurs en pont

Nota : le lecteur pourra se reporter, en [Doc. D 3 500], à la référence [6].

Le circuit (figure 41a ) comprend un autotransformateur à l’entrée et un enroulement à point milieu. La tension de sortie est : v S = v E′ + v BA où la tension de correction v BA est obtenue par commande simultanée de deux thyristors (figure 41b ). Nota : la commande est indépendante du facteur de puissance de la charge et la distorsion harmonique est réduite d’environ 5 %.

4.4.3 Régulateur à transducteur magnétique La valeur de la tension de correction v est contrôlée par un transducteur magnétique, commandé par une tension continue Vc (figure 42a). Le transducteur comprend deux transducteurs identiques Tr montés en série et à circuits magnétiques indépendants. Ce montage permet d’obtenir des alternances de tension symétriques (les états magnétiques des noyaux étant différents pour une même alternance) et d’annuler la tension résultante induite dans le circuit de commande. La tension continue Vc , réglable, fait varier la valeur du courant et donc l’état magnétique des noyaux. Si L1 est l’inductance propre constante du primaire de l’autotransformateur et si  est l’inductance propre équivalente variable d’un transducteur, la valeur efficace de la composante fondamentale de v est : L1 V 1 = --------------------- V E L 1 + 2 où  est une fonction de la tension continue Vc et de V E .

Figure 41 – Régulateur à commutation électronique à quatre thyristors

Figure 42 – Régulateur à transducteur magnétique série

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

D 3 500 − 17

RÉGULATEURS STATIQUES DE TENSION ALTERNATIVE ________________________________________________________________________________________

La figure 42b représente l’allure de la valeur efficace V de la tension v (en fonction de Vc pour deux valeurs de V E) et montre bien qu’il y a une plage utile de régulation entre V c′ et V c′′ . La composante fondamentale de la tension de sortie est : V S1 =

- --------------------- V  1 – ------n  L + 2  n2 1

L1

1

E

Lorsque la valeur de V E est maximale l’inductance  doit être minimale (donc, la valeur de Vc grande) et réciproquement, pour assurer la régulation. Nota : ce dispositif donne une très bonne régulation (à ± 0,1 %), une distorsion harmonique réduite (3 %), un rendement de 85 % et un temps de réponse de l’ordre de 100 ms (valeurs correspondant à des puissances d’environ 3 kVA).

5. Alimentations sans interruption Figure 43 – Structure d’une ASI à usage temporaire

Les alimentations sans interruption (ASI) sont appelées UPS (Uninterruptible Power Supply ) en anglais. Celles considérées ici sont uniquement statiques. Le lecteur pourra utilement se reporter, dans ce traité, à l’article Onduleurs de tension. Structures. Principes. Applications [D 3 176] et Onduleurs de tension. Mise en œuvre [D 3 177] de la rubrique Électronique de puissance.

5.1 Principe Les ASI doivent se substituer au réseau de distribution lorsque celui-ci est défaillant. L’énergie électrique est fournie par une batterie d’accumulateurs électrochimiques dont la capacité dépend de l’autonomie désirée (généralement de 5 à 30 min) pour effectuer les sauvegardes ou terminer les procédures en cours. On distingue deux types d’ASI : — les alimentations à usage temporaire, qui ne sont utilisées qu’en cas de secours, les accumulateurs étant maintenus en charge (figure 43) ; dans ce cas, l’onduleur n’a pas besoin d’être très performant ; la commutation entre réseau et ASI s’effectue en quelques millisecondes ; on place souvent à la sortie de l’onduleur un régulateur à ferrorésonance qui filtre et élimine la microcoupure de tension à la commutation ; — les alimentations à usage permanent, où l’onduleur délivre en permanence la tension d’alimentation (figure 44) ; l’onduleur doit alors être très performant (rendement global supérieur à 80 % et taux de distorsion harmonique réduit à 3 %).

5.2 Différents dispositifs Avec les nouvelles performances des composants de l’électronique de puissance et de l’informatique, la conception des ASI est en pleine évolution pour améliorer leur rendement, abaisser leur coût et diminuer leur masse.

D 3 500 − 18

Figure 44 – Structure d’une ASI à usage permanent

Ainsi, pour les équipements électroniques sensibles qui fonctionnent sous tension continue, on trouve des alimentations sans interruptions, à sortie continue, où l’onduleur est remplacé par un hacheur, élévateur de tension [7] qui permet de réduire le nombre d’accumulateurs nécessaires. Enfin, pour les petites puissances (inférieures à 3 kVA), l’utilisation d’un convertisseur continu-continu, disposé en série en amont de l’onduleur [8] permet d’améliorer le rendement, avec une réduction massique importante.

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

P O U R

Régulateurs statiques de tension alternative

E N par

Jean BONFANTE Maître ès Sciences Chef de Travaux au Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM)

et

Francis GALLIN Docteur-Ingénieur Assistant au Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM)

Références bibliographiques [3]

+

historique de la question

✻

étude théorique de la question

∆

comporte des résultats d’essais de laboratoire

[4]

▲ comporte des résultats pratiques ou industriels ❍

étude technologique de la question

❏

description d’appareillages ou d’installations Aspects particuliers de l’alimentation électrique des équipements informatiques et électroniques sensibles. HN 53-R-01, p. 6-9, bibl. (7 ref), Service de normalisation et brevets d’EDF, mai 1981 (▲). LEOST (J.Y.). – Problèmes d’alimentation électrique des installations industrielles : analyse des perturbations basse fréquence. Journées SEE, p. 7-12, bibl. (6 ref.), nov. 1988 (▲).

[1]

[2]

[5]

BALAGNY (C.). – L’analyse de signature des perturbations secteur. Journées SEE, p. 13-16, nov. 1988 (▲). HUNTER (P.L.). – Variable flux-reset ferroresonant voltage regulator (Régulateur ferrorésonant à durée de rémanence variable). IEEE Transactions on magnetics, p. 564-567, 9 fig., bibl. (5 ref.), sept. 1971 (❏). MOHAN (N.). – Continuous alternating voltage regulation using a thyristor bridge (Régulateur de tension alternative à pont de thyristors et à réglage continu). Proceeding IEE, vol. 126, n o 10, p. 1002-1004, 7 fig., bibl. (3 ref.), oct. 1979 (✻, ∆).

[6]

[7]

[8]

THOMPSON (R.). – A thyristor alternating voltage regulator (Un régulateur de tension alternative à thyristors). IEEE Transactions on industry and general application, vol. 4, no 2, p. 162-166, 11 fig., bibl. (5 ref.), mars-avril 1968 (❏). DANNER (J.P.), REISS (J.M.), BONNET (A.) et ROMANACCE (P.). – Alimentation statique sans interruption à sortie continue. Journées SEE, p. 57-61, 12 fig., nov. 1988 (❏, ∆). JAAFARI (A.) et CAPPELLO (M.). – Une ASI à mono convertisseur à haut rendement. Journées SEE, p. 69-74, 17 fig., bib. (6 ref.), nov. 1988 (❏, ∆).

Constructeurs Analyseurs de réseau

Régulateurs de tension et conditionneurs de réseau

VERILEC

VERILEC

IREM-ÉNERGIE

IREM-ÉNERGIE

SOGAM

SOGAM GEORGIN

MERLIN GERIN

MCB

SAB NIFE

VULCANIC

IMUNELEC IREM-ENERGIE

Doc. D 3 500

3 - 1990

Alimentations sans interruption

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

Doc. D 3 500 − 1

S A V O I R P L U S