RÈPUBLIQUE ALGÉ RIENNE DÈMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Larbi Ben M’hidi d’Oum El Bouaghi Faculté des Sciences et technologie Département d’Electrotechnique Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme de Master en Systèmes Electriques et Automatiques (SEA) Option Génie Electrique (GE) Méthodologies d’analyse des montages redresseurs Réaliser par : Proposé et dirigé par : Boucha Assia Benayad Aida K. Barra Promotion :2009/2010 Sommaire : Chapitre I : les redresseurs monophasés simple alternance Introduction…………………………………………………………………………….1 1.1 Rappels sur les régimes transitoires……………………………………..…………1 1.1.1. Règles générales…...…………………..………………………………………...1 1.1.2. Circuits dont l’équation différentielle est du premier ordre......…………………2 1.1.3. Circuits dont l’équation différentielle est du second ordre…...……….………...2 1.2. Composants de base………………...…………...………………….……………..4 1.2.1. Diodes………………………………………………………………….………...4 1.2.2. Thyristors………………………………………….……………………...……..5 1.3. Redresseur...…………………………………………………………………….....5 1.3.1. Analyses des montages redresseurs monophasés non commandés……………...6 1.3.1.1. Charge résistive..........…………………………………………………………6 1.3.1.2. Charge inductive………...…………………………………………………….7 1.3.1.3. Charge inductive avec diode de roue libre…………………………………….9 1.3.1.4. Charge capacitive…………………………………………………………….11 1.3.1.5. Alimentation d’un récepteur à f.e.m…………………………………………12 1.3.2. Redresseurs monophasé commandés…………………………………………..14 1.3.2.1. Débit sur une charge purement résistive…………………………………......14 1.3.2.2. Charge inductive……………………………………………………………..15 1.3.2.3. Charge résistive avec f.e.m…………………………………………………..17 1.3.2.4. Décharge d’un thyristor dans un circuit RLC………………………………..18 Conclusion…………………………………………………………………………….20 Chapitre II : Les redresseurs monophasés double alternance Introduction…………………………………………………………………………...21 2.1. Les types de commutations………………………………………………………21 2.2. Les indices………………………………………………………………………..21 2.3. Pont monophasé non commandé…………………………………………………22 2.4. Redressement commandé monophasé……………………………………………27 2.4.1. Etude des ponts mixtes symétriques……………………………………………27 2.4.2. Autres montages ponts mixtes………………………………………………….29 2.5. Application des ponts mixtes…………………………………………………….32 2.6. Pont tout thyristors monophasé…………………………………………………..33 2.7. Application du pont tout thyristors……………………………………………….36 Conclusion………………………………………………………………………….…36 Chapitre III : Les redresseurs triphasés Introduction…………………………………………………………………………...37 3.1. Redresseur non commandé montage P3………………………………………….37 3.2. Redresseur commandé montage P3………………………………………………39 3.3. Redresseur non commandé montage PD3………………………………………..42 3.4. Redresseur commandé montage PD3…………………………………………….45 3.5. Les ponts mixtes………………………………………………………………….47 Conclusion…………………………………………………………………………….49 Chapitre IV : Filtrage actif Introduction…………………………………………………………………………...50 4.1. Définition des harmoniques……………………………………………………...50 4.2. Représentation spectrale………………………………………………………….51 4.3. Source des harmoniques………………………………………………………….51 4.4. Déférents effets des harmoniques………………………………………………..52 4.5. Taux de distorsion harmonique de courant………………………………………52 4.6. Filtre passif……………………………………………………………………….53 4.7. Filtres actifs………………………………………………………………………53 4.7.1. Structure générale d’un filtre actif…………………………………………..…53 4.7.2. Filtre actif parallèle…………………………………………………………….54 4.7.3. Filtre actif série………………………………………………………………...54 4.7.4. Stratégie de commande des onduleurs…………………………………………55 4.7.4.1. Commande MLI……………………………………………………………...55 4.7.4.2. Commande à hystérésis………………………………………………………56 4.7.5. Structure du filtre actif parallèle……………………………………………….56 Conclusion…………………………………………………………………………….61 Conclusion générale…………………………………………………………………62 Bibliographie………………………………………………………………………....63 Introduction générale : Les technologies avancées obtenues ces dernières années dans le domaine des composants de l'électronique de puissance ont favorisé une croissance du marché des convertisseurs de puissance. L'électronique de puissance s'est imposée comme une des éléments essentiels dans la conversion de l'énergie électrique. Le développement de la méthode de commande dite modulation de largeur d'impulsion MLI a apporté une plus grande souplesse dans le contrôle des convertisseurs statiques autorisant une meilleure maîtrise de l'énergie électrique. De point de vue distributeur, une meilleure qualité des alimentations est un des paramètres du développement des applications de l'électricité. Les montages redresseurs constituent une composante intéressante parmi les convertisseurs statiques de l’électronique de puissance les plus utilisés dans les différents domaines d’application ou la conversion de l’énergie électrique de la forme alternative à la forme continue est indispensable. En réalité ces montages sont des charges non linéaires pour le réseau et leur inconvénient majeur réside dans le fait qu’ils consomment des courants non sinusoïdaux et c’est ainsi qu’ils contribuent à la pollution harmoniques. Les montages redresseurs diffèrent les uns des autres selon la nature de la source : monophasé ou triphasé, selon la nature de la charge :(active, passive) monophasé ou triphasé, et selon les composants utilisés (thyristors, diode, IGBT, Mosfet,…). Le travail que nous présentons tente de donner une méthodologie d’analyse de fonctionnement de ces montages en allant du simple au relativement compliqué. En effet, dans le premier chapitre, une étude des montages redresseurs monophasés simple alternance est présentée avec quelques rappels théoriques alors que dans le second chapitre, on étend cette étude aux montages monophasés double alternances avec prise en compte de quelques phénomènes comme l’empiètement et autres,… Dans le troisième chapitre, une extension aux montages triphasés est donnée pour plusieurs variantes de montages et enfin le quatrième chapitre est dédié au filtrage actif corrigeant la forme du courant d’entrée issu du réseau triphasé. Notons que les différentes simulations ont été effectuées dans l’environnement du logiciel PSIM. Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance Introduction Les montages redresseurs sont des convertisseurs de l'électronique de puissance qui assurent directement la conversion d’énergie électrique de la forme alternative à la forme continue, alimentés par une source de tension alternative monophasée ou polyphasée, ils permettent d'alimenter en courant continu le récepteur branché à leurs sorties. On utilise un redresseur chaque fois que l’on a besoin du 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 montages redresseurs sont de trois types, non contrôlés, mixtes ou entièrement contrôlés. 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, de plus, ils sont irréversibles, c'est-à-dire que la puissance ne peut transiter que du côté alternatif vers le côté continu. 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 ou assistés par le réseau. 1.1. Rappels sur les régimes transitoires [1] 1.1.1. Règles générales Quand on modifie un circuit (application d’une tension, ouverture, fermeture, changement d’état d’un « interrupteur »), la variable x (courant ou tension) est donné par la solution d’une équation différentielle où la perturbation est portée au second membre. Cette solution est la somme de deux termes : o de la solution générale de l’équation « homogène » ou avec second membre nul. Elle donne le régime libre x1 du circuit. C’est toujours, en pratique, une fonction décroissante du temps à cause de l’amortissement dû aux résistances ; o et d’une solution particulière de l’équation avec second membre. Celle-ci donne le régime forcé x f , c’est-à-dire celui que la perturbation tend à imposer au On l’obtient d’ailleurs par identification. Si le régime permanent avait le temps s’établir, cette seconde solution subsisterait seule. 1 circuit. de Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance 1.1.2. Circuits dont l’équation différentielle est du premier ordre Soient : x est la variable, x0 sa valeur à l’instant t 0 de la perturbation, x f 0 : La valeur du terme forcé pour t 0 . a dx bx f t dt x x 0 x f 0 e b t a (I-1) xf a = , est appelé constante de temps du circuit. b Exemples Circuit R, L L di Ri f t dt i i0 i f 0 e R t L (I-2) if Circuit R, C Ri u f t , puisque i C RC du dt du u f t dt u u 0 u f 0 e t RC (I-3) uf (I-4) 1.1.3. Circuits dont l’équation différentielle est du second ordre Soient x la variable, l’équation générale est de la forme : d 2x dx a 2 b cx f t dt dt (I-5) Le terme correspondant au régime libre est : x1 A1e r1t A2 e r2t (I-6) Avec : A1 , A2 constantes se déduisant des conditions initiales, r1 , r2 racines de l’équation caractéristique ar 2 br c 0 . r1, 2 b b2 c 2 2a a 4a (I-7) 2 Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance D’ordinaire on pose : b 2 ac c a 0 , : désignant le coefficient d’amortissement, 0 : La pseudo-pulsation du circuit si était nul. D’après les valeurs relatives de et de 0 , la nature de r1 et r2 diffère. Il convient de distinguer trois cas : > 0 : Amortissement fort - racines réelles, - régime libre apériodique amorti ; = 0 : amortissement critique - racine double, - régime libre apériodique amorti ; < 0 : Amortissement faible - racines complexes, - régime libre pseudo-périodique. On déduit les constantes du fait que, si f t a une valeur finie, ni x ni dx ne peuvent dt subir de discontinuité. Si on désigne par x0 : La valeur de x pour t 0 , x0 : La valeur de dx pour t 0 , dt x f 0 : La valeur de x f pour t 0 x f 0 : La valeur de dx f dt pour t 0 , On détermine les constantes d’intégration à partir de ces quatre valeurs. Si > 0 : x x f A1e r1t A2 e r2t (I-8) Avec : r1 2 02 r2 2 02 A1 r2 x0 x f 0 x0 xf 0 r2 r1 3 Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance A2 r1 x0 x f 0 x0 xf 0 r1 r2 Si = 0 : x x f e t A1 A2 t (I-9) Avec : A1 x0 x f 0 A2 x0 xf 0 x0 x f 0 Si < 0 : x x f A.e t sin .t y t (I-10) (I-11) A1 cos t A2 sin t Ou : x xf e Avec : 02 2 A1 x0 x f 0 A2 x x x 0 f0 0 xf 0 1.2. Composants de base [1] 1.2.1. Diodes La diode est un élément redresseur non commandé, constitué d’une jonction PN, de semi conducteur, à deux électrodes. Son symbole est donné par la figure (I.1). Fig. I.1. Structure et symbole de la diode Une diode est un dipôle unidirectionnel, c'est à dire que le courant ne peut passer que dans un seul sens. À fin d'étudier le fonctionnement des montages nous supposerons que les diodes sont idéales. Leur caractéristique statique courant-tension - Lorsque u 0 la diode est passante, - Lorsque u 0 la diode est bloquée. Fig. I.2. Caractéristique statique de la diode 4 est alors: Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance 1.2.2. Thyristors Le thyristor est un semi-conducteur solide en solution à quatre couches alternativement P et N, unidirectionnel, il ne laisse passer le courant que dans un seul sens, après qu'un signal de commande a été appliqué à sa gâchette. Son symbole est donné par la figure (I.3) : Fig.I.3. Structure et symbole d’un thyristor L’amorçage d’un thyristor est obtenu par différents phénomènes physiques. Dans tous les cas l’amorçage rend le thyristor conducteur de l’anode vers la cathode (IAK>0). La tension VAK est alors très faible. De l'ordre de quelques dixièmes de Volts. Il y à deux possibilités de blocage du thyristor : La tension anode-cathode (notée VAK) est négative, les jonctions J A et J K sont polarisées en inverse et donc bloquées. Le courant de fuite a une intensité très faible Sous tension directe : La tension VAK est positive, le blocage n'a lieu qu'à deux conditions : - Le courant de gâchette est nul ou très faible - Le thyristor n’est pas amorcé au préalable. Fig. I.4. Caractéristique de thyristor 1.3. Redresseur [2] Un redresseur est un convertisseur alternatif-continu. Le symbole général d’un redresseur est donné ci-dessous. 5 Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance Fig. I.5. Symbole général d’un redresseur. 1.3.1. Analyses des montages redresseurs monophasés non commandés 1.3.1.1. Charge résistive : Soit le montage de base de la figure (1-6) Fig. I.6. Redresseur monophasé non commandé avec charge résistive Le premier montage à considérer est le redressement d’une tension alternative monophasée vt Vm sin t par une diode sur une charge résistive donc le courant obtenu est : i Vm sin t R (I-12) La tension u aux bornes de la charge R (et donc aussi le courant) a l’allure donnée par les courbes de la figure (1.7) suivante : Fig.I.7. Courant et tension de charge 6 Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance La tension moyenne est : T Um Où : 1 1 vt .dt T 0 2 2 v .d 0 Vm 2 U eff . (I-13) U eff est la valeur efficace de la tension de la source alternative. Le facteur de forme est le rapport entre la valeur moyenne et la valeur efficace d’un même signal ; il est ici égale à . 2 Le courant moyen I m s’en déduit immédiatement : I m U m 1 Vm . R R La valeur efficace de la tension de charge est: U eff Donc : I eff (I-14) 1 2 2 V v t .dt 2 2 m (I-15) 0 Vm (I-16) 2R 1.3.1.2. Charge inductive Fig. I.8. Redresseur monophasé non commandé avec charge inductive Quand la diode D est bloquée, le courant i est nul ; la tension u D aux bornes de la diode est alors égale à la tension d’alimentation v négative. Cet état bloqué se maintient tant que v Vm sin t reste négatif. Pour t 0 , v devient positif et la diode passante. À partir de cet instant : L di Ri Vm sin t dt (1-17) Donc : 7 Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance V i i f il m Z R t L sin t sin .e Z R 2 L2 2 et arctg Avec : (1-18) L R La conduction cesse à l’instant t t1 où le courant s’annule. Fig.I.9. Courant et tension de charge La valeur de t1 est donc donnée par : sin t1 sin .e t1 est supérieur à T L et d’autant plus voisin de T que est plus grand. 2 R Entre t t1 et t T , la diode est bloquée : i 0, u D v négative La tension moyenne est : Um R t1 L Vm 1 cos 1 2 (I-19) Le courant moyen est : Im Vm 1 cos 1 . 2 .Z cos (I.-20) 8 Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance 1.3.1.3. Charge inductive avec diode de roue libre Fig.I.10. Redresseur monophasé non commandé avec diode de roue libre Le montage précédent montre le redressement d’une tension alternative monophasé lors du débit sur un récepteur RL. Pour supprimer les intervalles à tension négative, on « shunte » le récepteur par une diode de « retour » ou de « libre circulation ». Fig.I.11. Courant et tension de charge Pour 0 < t < T , v Vm sin t est positif, D1 conduit (la conduction de D1 entraîne le 2 blocage de D2 car u D2 est rendu égale à v ). 9 Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance di Ri Vm sin t dt V i f m sin t Z L (I-21) Si i0 est la valeur de i pour t 0 : i0 i f 0 i0 Vm sin Z R i Vm V t sin t i0 m sin e L Z Z (I-22) RT À l’instant t Pour V V T : i T m sin i0 m sin e L 2 2 Z Z 2 T < t < T , v est négatif, D2 conduit (la conduction de D2 rend u D1 égale à v 2 donc négatif). Le récepteur est court-circuité par la diode de « roue libre » : L i i T .e di Ri 0 dt R T t L 2 (I-23) 2 - À la fin de la période, i doit avoir retrouvé la valeur i0 : i0 i T e 2 D’où : RT L2 RT R Vm V T sin .e L 2 i0 m sin e L Z Z V e i0 m sin . Z RT L2 e 1 e Et : iT 2 R T L (I-24) (I-25) R T L RT L2 Vm 1 e sin . R T Z 1 e L (I-26) En reportant dans les relations (I.22) et (I.23) on obtient l’expression du courant i durant les deux demi-périodes. 10 Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance 1.3.1.4. Charge capacitive Fig.I.12. Redresseur monophasé non commandé avec charge capacitive Fig.I.13. Courant et tension de charge Le condensateur C assure un filtrage rudimentaire de la tension redressé fournie à la résistance de charge R . On étudie le régime établi : - Tant que la tension d’alimentation v est inférieure à la tension u aux bornes du condensateur, la diode est bloquée. Elle devient passante à l’instant t t 0 où v devient supérieure à u . Vm sin t 0 u t 0 (I-27) - Pour t > t 0 , 11 Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance u v Vm sin t u Vm sin t R R du CVm cos t ic C dt sin t C cos t . i Vm R iR Z (I-28) R2 . 1 2C 2 R 2 1 Im 2 2 it dt 0 Vm 1 cos C . Z 2 (I-29) - La conduction cesse quand i s’annule et tend vers une valeur négative, donc pour t t1 tel que : sin t1 RC cos t1 - Durant l’intervalle [ t1 , T t 0 ], le condensateur se décharge dans la résistance et u atteint la valeur u t 0 pour t T t 0 . 1.3.1.5. Alimentation d’un récepteur à f.e.m [5] Fig.I.14. Redresseur monophasé non commandé avec f.e.m. La charge est une batterie d’accumulateur de f.c.é.m. E (de valeur 40 V dans cet exemple). Si v Vm sin t désigne la tension alternative d’alimentation, le débit à travers la diode n’est possible que si l’excédent v E est positif, soit : i v E Vm sin t E R R On en déduit le temps d’ouverture t 0 , le temps de fermeture t1 et la durée de conduction t1 t 0 de la diode, celle-ci se comportant comme une porte qui est soit ouverte (laisse passer le courant), soit fermée (bloque le courant). 12 Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance Ces époques sont symétrique par rapport à T 4 et leur somme (en radians) est : 0 1 . La tension inverse maximale est : E Vm Calculons la valeur moyenne du courant de charge, on a : 1 Im 2 2 it dt 0 1 1 Im Vm sin t E .dt 2R 0 Im 1 2Vm cos 0 E 2 0 . 2R Il est enfin possible de représenter le graphe de la tension u aux bornes du récepteur. Fig.I.15. Courant et tension de charge 13 (I-30) Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance 1.3.2. Redresseurs monophasés commandés 1.3.2.1. Débit sur une charge purement résistive [3] [4] Fig. I.16. Redresseur monophasé commandé avec charge résistive On suppose que v Vm sin t , la période T 2 . Le retard à l'amorçage est imposé par un générateur de commande. Dès que le thyristor est amorcé, il se comporte comme une diode. Notons le retard à l'amorçage du thyristor. Fig.I.17. Courant et tension de charge Lorsque le thyristor conduit, on a : 14 Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance i v Vm sin t et : v u R uTh R R Le thyristor est passant à partir de t et jusqu'à ce que le courant qui le traverse T (à partir de cet instant, le thyristor est bloqué). Pour que le thyristor ne 2 s'annule pour t soit pas bloqué en permanence, il faut donc . Par conséquent, le courant traversant la charge est : 0 t Thyristor bloqué i 0, v 0 . t T v V sin t . Thyristor passant i m 2 R R T t T Thyristor bloqué i 0, v 0 . 2 Les valeurs moyennes du courant et de la tension sont donc : T 2 V 1 1 V sin t i t dt m dt m cos 1 T 0 T R 2 .R T Im T Um (I-31) T 2 V 1 1 vt dt Vm sin t dt m cos 1 2 T 0 T 1.3.2.2. Charge inductive [5] Fig.I.18. Redresseur monophasé commandé avec charge inductive 15 (I-32) Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance Fig.I.19. Courant et tension de charge Considérons un circuit RL en simple alternance Figure (I.18). si t 0 désigne l’époque d’apparition du front de l’impulsion dans la gâchette, le retard à l’amorçage du thyristor est 0 t 0 . Dans ces conditions, le courant se prolonge au-delà de la demi période, bien que la tension d’alimentation soit alors négative (à cause de la présence de la source de courant qui est l’inductance). Le système est alors régit de l’équation fondamentale : v Vm sin Ri L di dt (I-33) On peut écrire l’équation fondamentale sous la forme suivante : Vm sin .d Rid Ldi (I-34) Si l’on intègre les deux membres de 0 à 1 . Le courant étant nul aux deux extrémités de cet intervalle, on a : I1 1 1 Ldi L I 1 I 0 0 . D’où : Vm sin .d Ri.d 0 I0 (I-35) 0 Le courant moyen est alors : V 1 1 1 1 Im id Vm sin .d m cos 0 cos 1 2 0 2R 0 2R 16 (I-36) Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance Et la valeur moyenne de la tension est : Um Vm cos 0 cos 1 2 (I-37) 1.3.2.3. Charge résistive avec f.e.m [4] Fig.I.20. Redresseur monophasé commandé avec f.e.m. On considère la f.e.m (E=20 V) inférieur à la tension maximal alternative. Fig.I.21. Courant et tension de charge Lorsque le thyristor conduit, on a : i v E Vm sin t E R R v v R E u Th 17 Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance Le courant traversant la charge est : 0 t Thyristor bloqué i 0, v E. t T v E Vm sin t E Thyristor passant i , v Vm sin t. . 2 R R T t T Thyristor bloqué i 0, v E. 2 1.3.2.4. Décharge d’un thyristor dans un circuit RLC [1] La tension aux bornes du condensateur, donc à la borne du thyristor bloqué, ayant une valeur positive u 0 , à l’instant t 0 on envoie une impulsion de déblocage sur la gâchette de Th. Fig.I.22. Décharge d’un thyristor dans un circuit RLC À partir de t 0 : u Ri L di du , Avec : i C dt dt La tension u est donc donnée par l’équation différentielle : LC d 2u du RC u 0 2 dt dt (I-38) Ici : a LC b RC donc C 1 R 2 L 0 1 LC Pour trouver les constantes d’intégration, on a : u 0 0, u f 0, donc u f 0 0 u 0 i0 0, u f 0, donc u f 0 0 . C Examinons successivement les trois types possibles de régime libre : 1e cas : > 0 u A1e r1t A2 e r2t (I-39) 18 Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance avec : r1 2 02 0 r2 2 02 0 ; r1 r2 0. et r2 r1 A1 ru r2u0 0 , A2 1 0 0,. A1 A2 r1 r2 r2 r1 d’où la forme d’onde de la tension u est dans la Figure a Le courant i a pour expression : i C rr du CA1 r1e r1t CA2 r2 e r2t Cu 0 1 2 e r1t e r2t r1 r2 dt (I-40) Puisque e r1t est toujours supérieur à e r2t sauf pour t 0 , le courant i part bien de zéro puis est toujours positif. La conduction de Th assure la décharge complète du condensateur. 2 e cas : 0 u e t A1 A2 t , avec : A1 u 0 , A2 .u 0 u u 0 e t 1 t (I-41) Et : i C du Cu 0 e t 2 t Cu 0 2 t.e t dt (I-42) Le courant i toujours positif décharge, ici encore, le condensateur en un temps théoriquement infini. 3 e cas : < 0 u e t A1 cos .t A2 sin .t avec : 02 2 , A1 u 0 , A2 (I-43) u0 u u 0 e t cos .t sin .t (I-44) Le courant i , donné par : du 2 i C sin .t e t Cu 0 sin .t cos .t dt (I-45) 02 iC u 0 e t sin .t (I-46) 19 Chapitre I Les redresseurs monophasé simple alternance Part de zéro pour t 0 et s’annule à nouveau pour t1 . À partir de l’instant t t1 Figure b, le thyristor est bloqué, la tension aux bornes de C a une valeur négative constante : u1 u 0 e . (a) (b) Fig.I.23. Courant et tension de charge Conclusion : Ce chapitre nous a permis de mettre l’accent sur les notions de bases de la conversion d’énergie électrique alternative- continue par le biais des montages redresseurs monophasés simple alternance commandés et non commandés alimentant des charges de natures différentes (purement résistives, inductives, actives,…). L’étude faite tente de développer une méthodologie d’analyse des montages redresseurs allant du simple au compliqué relativement. 20 Chapitre II Les redresseurs monophasés double alternance Introduction Un redresseur monophasée double alternance est un montage redressant les alternances négatives et conservant les alternances positives d'une entrée monophasée. La fréquence en sortie du redresseur est alors le double de la fréquence d'entrée. Lorsque un groupe de diodes (ou de thyristors) sont à cathodes communes, l’élément susceptible de conduire est celui qui a le potentiel d’anode le plus élevé. Lorsque un groupe de diodes (ou de thyristors) sont à anodes communes, l’élément susceptible de conduire est celui qui a le potentiel de cathode le plus faible. 2.1. Les types de commutations [2] On distingue trois types de montages : - Les montages à commutation parallèle P : Ils comportent q tensions à redresser. On utilise q éléments. On a donc un seul groupe commutant. Les tensions redressées sont groupées en étoile. - Les montages à commutation parallèle double PD : Ils comportent q tensions à redresser. On utilise 2q éléments. On a deux groupes commutant l’un à anode commune, l’autre à cathodes communes. Les tensions à redresser sont groupées en étoile. - Les montages à commutation série S : Les tensions à redresser sont montées en série, s’il y a q tensions à redresser on a 2q diodes : q à cathodes communes, q à anodes communes. Pour un montage triphasé, il s’agira d’un système en pont de type PD ou les tensions à redresser sont couplées en triangle. 2.2. Les indices [6] Indice de commutation q du montage L’indice de commutation est donné par la durée de conduction de chaque diode et correspond au nombre de phases du réseau de distribution. Par exemple, pour le montage PD3, l’indice de commutation est égal à 3 (chaque diode conduit pendant un tiers de période ou T ). q Indice de pulsation p de la tension redressée L’indice de pulsation p donne le nombre de portions de sinusoïde par période de la tension redressée. Par exemple, pour le montage PD3, nous verrons que l’indice de pulsation est égal à 6 (la tension redressée se compose de six portions par période). 21 Chapitre II Les redresseurs monophasés double alternance 2.3. Pont monophasé non commandé [2] a) Montage Fig.II.1. Montage monophasé non commandé Pour lisser le courant on place une bobine d’inductance L en série avec la charge. La charge est par exemple un moteur à courant continu de f.é.m. E et de résistance interne R. b) Analyse On suppose que l’inductance de lissage est suffisante pour que le courant i t soit parfaitement lissé et égale à sa valeur moyenne I m . On effectue généralement un changement de variable temps, angle : - à T correspond 2 ; - à t quelconque, un angle tel que t . 0t T 0 : v 0, les diodes D1 et D3 conduisent. La tension aux bornes de la 2 charge est égale à : u v, les diodes D2 et D4 sont bloquées. On en déduit : u D1 u D 3 0; u D 2 u D 4 v; i D1 i D 3 ie i I m T t T 2 : v 0, les diodes D2 et D4 conduisent. On en déduit : u v. 2 u D 2 u D 4 0; u D1 u D 3 v; i D 2 i D 4 ie i I m c) Oscillogrammes Pour la tension u t : indice de pulsation p 2 ; indice de commutation q 2 . Vm sin t vt Vm sin 22 Chapitre II Les redresseurs monophasés double alternance Fig.II.2. Oscillogrammes Tension efficace aux bornes de la charge : U eff Valeur moyenne : U m 2Vm Vm 2 (II-1) (II-2) Le courant i est pratiquement constant dans la charge. d) Grandeurs caractéristiques La tension moyenne aux bornes d’une inductance parcourue par un courant est nulle : U L.m 0. La tension moyenne aux bornes de la charge s’écrit : U m R.I m E (II-3) e) Analyse harmonique de la tension redressée La tension u t est périodique de période T (pulsation 2 ). De plus nous sommes dans 2 l’hypothèse où l’intensité i t ne s’annule jamais. On peut calculer les éléments de la décomposition en série de Fourier de u t : u t 2Vm 2Vm 2 2 2 cos 2t cos 4t cos 6t... 3 15 35 23 (II-4) Chapitre II Les redresseurs monophasés double alternance f) Etude des puissances Le courant i t est parfaitement lissé et égal à sa valeur moyenne I m , la charge absorbe une puissance moyenne : Pm U m I m 2Vm Im (II-5) Les éléments du montage sont parfaits, cela signifie que la puissance absorbée par la charge est égale à la puissance fournie par le réseau. Or seul le fondamental transporte de la puissance d’où : avec ie ; v p vI eFm cos (II-6) Le courant ie est en phase avec la tension v : le déphasage est nul, on a donc : I eFm 2 2 Im (II-7) La puissance apparente est : S vI e.m vI m (II-8) Le facteur de puissance k du montage est égale à : k P 2 2 0,9 S (II-9) La puissance réactive absorbée par le montage est celle transportée par le fondamental de ie . Comme le déphasage est nul : Q 0 Donc on peut dire qu’un montage redresseur ne comportant que des diodes ne consomme pas de puissance réactive. La tension v est sinusoïdale mais le courant ie ne l’est pas : le théorème de Boucherot ne peut pas s’appliquer. Cela se traduit par l’introduction d’une puissance déformante D qui vérifie la relation : S 2 P2 Q2 D2 (II-10) Pour un redresseur à diodes Q 0 . Donc : 2 1 D S 1 k P 1 0,48 P k 2 (II-11) Une grande puissance déformante traduit l’existence d’un courant riche en harmoniques donc des pertes par effet Joules importantes en ligne. g) Facteur de forme F et taux d’ondulation Le facteur de forme renseigne sur la qualité du redressement. Plus sa valeur est proche de 1, plus l’ondulation est faible, meilleur est le rendement. Par définition : 24 Chapitre II Les redresseurs monophasés double alternance U eff - Pour la tension redressée Fv - Pour le courant dans la charge : Fi Um 2 2 1,11 ; Im 1 Im (II-12) (II-13) Le taux d’ondulation, comme le facteur de forme renseigne sur la qualité du redressement. Plus sa valeur proche de 0, plus l’ondulation est faible, meilleur est le rendement. Par définition : U ond .eff - Pour la tension redressée : v - Pour le courant dans la charge : i 0 Um Fv2 1 0,48 (II-14) h) L’empiétement anodique En réalité, la commutation des diodes n’est pas instantanée. L’inductance l S du réseau produit le phénomène d’empiétement anodique. Par exemple, lorsque la tension v d’alimentation du pont devient négative, D2 et D4 conduisent mais D1 et D3 continuent à conduire : les courants ne peuvent pas varier brusquement pendant le temps t e (qui correspond à une angle e t e ). L’inductance l S prolonge la commutation pendant laquelle la tension u aux bornes de la charge est nulle : l’alimentation est court-circuitée. Pendant le temps t e les 4 diodes conduisent. La tension v est égale à celle aux bornes de L’inductance l S ( u 0 ) : v lS die di Vm sin t ou v l S e Vm sin dt d (II-15) En intégrant termes à termes, on en déduit l’angle e d’empiétement anodique : I l e Arc cos1 m S Vm (II-16) La valeur moyenne de la tension redressée est plus faible que précédemment. La chute moyenne de tension (inductive) u e due à l’empiétement anodique a pour expression : u e Vm 1 cos e 1 l S .I m (II-17) L’empiétement anodique et la chute de tension inductive sont proportionnels à : - L’intensité du courant dans la charge i ; - L’inductance l S de l’alimentation. 25 Chapitre II Les redresseurs monophasés double alternance i) Ondulation du courant dans la charge En réalité, l’inductance L de la bobine de lissage n’est pas assez grande pour négliger l’ondulation iond du courant i . À chaque instant, on peut considérer que le courant dans la charge i t est sinusoïdal et est la somme des deux termes : sa valeur moyenne et son fondamental de pulsation 2 : i I m iond . C’est l’approximation du 1er harmonique. D’après le théorème de superposition, la valeur moyenne de u son fondamental suffit à déterminer i t : u t 2Vm 4Vm cos 2t ; 3 (II-18) 4Vm Um E 3 i t cos2t 2 2 R R 2 L avec Arc tan 4Vm 3 L’amplitude de l’ondulation vaut : iˆond R 2 L 2 2 2 L R (II-19) (II-20) j) Montage PD2 à conduction interrompue : charge R-E avec i ≥ 0 La conduction interrompue apparaît si iˆ est trop faible. On en déduit les deux situations : v E - le pont conduit si v E : u v et i - le pont est bloqué si v E : u E et i 0 . R ; (II-21) L’expression de la valeur moyenne I m de i t est : 1 Vm cos 1 cos 2 E 1 2 R 1 Im 2Vm cos 1 E R Im Avec : o 1 t1 Arc sin E ; Vm o 2 t 2 1 ; o 2 1 l’angle de conduction d’une diode par période de vt . 26 (II-22) Chapitre II Les redresseurs monophasés double alternance Fig.II.3. Oscillogrammes 2.4. Redressement commandé monophasé 2.4.1. Etude des ponts mixtes symétriques a) Montage Fig.II.4. Pont mixte symétrique On suppose que l’inductance L de la bobine de lissage est suffisante pour admettre que l’ondulation de i t est négligeable devant sa valeur moyenne : i I m cte b) Analyse La conduction étant ininterrompue, il y a en permanence deux composants qui conduisent. Quand un thyristor est amorcé, il impose une tension négative aux bornes de l’autre thyristor, lui introduisant de conduire. Un thyristor se bloquera seulement quand l’autre sera amorcé (l’intensité du courant i ne s’annulant jamais). Les diodes se mettent en conduction naturellement et pendant un demi période quelque soit l’angle d’amorçage des thyristors. 27 Chapitre II Les redresseurs monophasés double alternance On remarque que pendant une durée correspondant à l’angle d’amorçage , un thyristor et une diode de la même branche conduisent. La tension u aux bornes de la charge est nulle ainsi que l’intensité du courant ie dans la ligne. En conclusion : 0 : v 0; D2 et Th2 conduisent : u 0; i D 2 iTh 2 i I m ; ie 0; : Th1 est amorcé. : v 0; Th1 et D2 conduisent : u v; i D 2 iTh1 i ie I m ; : v 0; Th1 et D1 conduisent : u 0; ie i D 2 0; iTh1 i I m ; : Th2 est amorcé. 2 : v 0; Th2 et D1 conduisent : u v; i D1 iTh 2 ie I m . c) Oscillogrammes Fig.II.5. Oscillogrammes d) Grandeurs caractéristiques Comme précédemment, la tension moyenne U m aux bornes de la charge est égale à : U m R.I m E , U m Vm 1 cos (II-23) La tension efficace à pour expression : U eff Vm sin 2 4 2 (II-24) 28 Chapitre II Les redresseurs monophasés double alternance D’autre part : I Dm I Thm Im ; I em 0; I em I m 2 (II-25) e) Etude des puissances - la puissance moyenne absorbée par la charge est : Pm U m I m 2Vm I m 1 cos 2 (II-26) - la puissance absorbée par le montage est égale à celle fournie par le réseau (les diodes et les thyristors sont parfaits). Cette puissance est transportée par le fondamental ieF du courant ie Le fondamental ieF du courant ie est déphasé en arrière d’un angle égale à par rapport à 2 la tension d’alimentation v . L’intensité efficace du fondamental I eF a pour expression : I eF - Le facteur de puissance k du montage est : k 2 2 I m cos 2 2 2 cos 2 2 (II-27) (II-28) - Un pont mixte consomme toujours de la puissance réactive (c’est un inconvénient). Elle a pour expression : Q Vm I m sin (II-29) Remarque Elle est maximale pour ce qui correspond à un déphasage de arrière de ieF par 2 4 rapport à v . f) Empiétement anodique L’étude est identique quelque soit le pont étudié : pont à 4 diodes, mixte ou tout thyristors. On rappelle : - I l la durée de l’empiétement anodique : e Arc cos1 m S Vm - la chute de tension inductive : u e Vm 1 cos e 1 l S I m 29 (II-30) (II-31) Chapitre II Les redresseurs monophasés double alternance 2.4.2. Autre montages ponts mixtes a) montage avec diodes de roue libre Fig.II.6. Pont tout thyristors avec DRL En pratique très souvent on applique une diode de roue libre DRL pour plusieurs raisons : - c’est la diode de roue libre DRL qui assure les phases de roue libre ce qui permet de moins dimensionner les thyristors (facteur économique) ; - elle permet d’augmenter l’angle de retard à l’amorçage jusqu’à 170° environ ; - elle joue le rôle de protection pour le pont en cas de coupure du réseau ou de non amorçage d’un thyristor. Elle réduit aussi la consommation d’énergie réactive. Les graphes de la tension u aux bornes de la charge et du courant ie dans la ligne restent identiques au montage étudié en 2.4.1. Les grandeurs caractéristiques sont : Um Vm 1 cos I Dm I Thm (II-32) I m ; I em 0; I em I m 30 (II-33) Chapitre II Les redresseurs monophasés double alternance Fig.II.7. Oscillogrammes b) Montage asymétrique - Montage Fig.II.8. Pont asymétrique - Relevé de la tension u 31 Chapitre II Les redresseurs monophasés double alternance Fig.II.9. Oscillogrammes L’allure de la tension u reste identique. Les phases de roue libre sont assurées par la branche contenant les diodes D1 et D2 . Le temps de conduction des diodes est de ( ) alors que celui des thyristors est de ( ). Ce pont est donc plus économique (choix des composants). Um Les grandeurs caractéristiques sont : Vm 1 cos I Dm I Thm I m ; I em 0; I em I m (II-34) Remarque On peut placer une diode de roue libre aux bornes de la charge. Ce montage n’apporte rien de nouveau par rapport aux autres ponts mixtes. 2.5. Application des ponts mixtes Les ponts mixtes sont utilisés dans deux domaines essentiels : 32 Chapitre II - Les redresseurs monophasés double alternance En électronique de puissance : associés à des filtres ils permettent d’alimenter sous tension continue réglable des convertisseurs statiques comme des onduleurs autonomes par exemple ; - Dans le domaine de la traction électrique : pour faire varier la vitesse de rotation des moteurs à courant continu. - 2.6. Pont tout thyristors monophasés a) Montage Fig.II.10. Pont tout thyristors b) Analyse On appelle l’angle de retard à l’amorçage des thyristors. Les thyristors sont commandés deux par deux simultanément : Th1 et Th4 puis Th2 et Th3 . Comme pour le pont mixte, les thyristors Th1 et Th4 se bloquent à l’amorçage des thyristors Th2 et Th3 (et vice-versa). 0 : v 0; Th2 et Th3 conduisent : u v; uTh1 v; iTh 2 iTh 3 ie I m ; : Th1 et Th4 sont amorcés. : Th1 et Th4 conduisent : u v; uTh1 0; iTh1 iTh 4 ie I m ; : Th2 et Th3 sont amorcés. 2 : v 0; Th2 et Th3 conduisent : u v; uTh1 v; iTh 2 iTh 3 ie I m . c) Grandeurs caractéristiques La tension moyenne U m aux bornes de la charge est égale à : U m RI m E , Um 2Vm cos (II-35) 33 Chapitre II Les redresseurs monophasés double alternance o Pour 0 2Vm : U m 0 : U m 0, Pm U m I m 0 2 Le montage fonctionne en redresseur. o Pour 2Vm 2V : 0 U m m : U m 0, Pm U m I m 0 2 Le montage fonctionne en onduleur assisté par le réseau (la fréquence est imposée par le réseau). d) Oscillogrammes 2 Fig.II.11. Oscillogrammes e) Etude des puissances - La puissance moyenne absorbée par la charge est : Pm U m I m 2Vm I m cos (II.36) - La puissance absorbée par le montage est égale à celle fournis par le réseau (les diodes et les thyristors sont parfaits). Cette puissance est transportée par le fondamental ieF du courant ie Le fondamental ieF du courant ie est déphasé en arrière d’un angle égale à par rapport à la tension d’alimentation v . 34 Chapitre II Les redresseurs monophasés double alternance L’intensité efficace du fondamental I eFm a pour expression : I eFm - Le facteur de puissance k du montage est : k 2 2 Im 2 2 cos (II.37) (II-38) - Un pont mixte consomme toujours de la puissance réactive (c’est un inconvénient). Elle a pour expression : Q 2Vm I m sin (II-39) - La puissance déformante D est constante quelque soit : 2 2 2 S 2 0,44 S 2 . D 1 2 (II-40) f) Empiétement anodique L’étude est identique quelque soit le pont étudié : pont à 4 diodes, mixte ou tout thyristors. - I l La durée de l’empiétement anodique : e Arc cos1 m S Vm - la chute de tension inductive : u e Vm 1 cos e 1 l S I m (II-41) (II-42) g) conduction interrompue Fig.II.12. Oscillogrammes Sur une charge active (moteur à courant continu), la conduction est interrompue si le courant imposé par la charge est trop faible ou pour des grandes valeurs de . - pour i 0 : u E (f.é.m. du moteur) ; - pour i 0 : u v . L’allure de i est solution de l’équation différentielle suivante : u R.i L 35 di E. dt (II-43) Chapitre II Les redresseurs monophasés double alternance Dans le cas où R est négligeable, les abaques servent à déterminer la valeur de l’intensité moyenne critique au delà de laquelle la conduction devient ininterrompue. 2.7. Application du pont tout thyristors Il est capable de commander une machine à courant continu dans deux quadrant de fonctionnement puisque le pont est unidirectionnel en courant. Elle peut fonctionner : en lui fournissant de la puissance électrique. 2 - En moteur pour - En frein (génératrice) pour donc de lui demander de la puissance 2 électrique. Ce type de pont permet une commande dans deux quadrants : pour passer de la marche en moteur à celle en frein il faut inverser le sens de la f.é.m. E. Conclusion L’étude menée jusqu’ici nous a permis de découvrir la richesse des montages redresseurs monophasés de point de vue composants et charges. En effet plusieurs phénomènes surgissant le fonctionnement de ces montages a été étudier notamment le phénomène de commutation des composants dans le cas idéal et en cas d’empiètement. La nature de la charge ainsi que la présence de la roue libre modifie quelques grandeurs de sorties. Le prochain chapitre tentera d’élargir l’étude aux montages triphasés. 36 Chapitre III Les redresseurs triphasés Introduction L’objectif des montages redresseurs en triphasé est similaire à celui du cas monophasé. Il s'agit de réaliser, à partir d'un montage électronique, la transformation alternatif-continu, mais cette fois à partir d'un réseau triphasé. Cette transformation trouve son importance dans la possibilité qu'elle offre d'alimenter, à partir du même réseau de distribution électrique, à la fois des machines à courant continu et des machines à courant alternatif. Le principe de fonctionnement consiste en une modification périodique du circuit électrique entre les connections d'entrée (réseau) et de sortie (récepteur) du dispositif redresseur, de façon à recueillir en sortie des tensions et des courants d'ondulations suffisamment faibles pour être négligées. 3.1. Redresseur non commandé montage P3 [6] Les diodes sont supposées parfaites (interrupteurs parfaits) et le courant à la sortie du montage redresseur est supposé continu (charge fortement inductive). Dans le cas général, les q phases, sièges des q tensions alternatives à redresser, sont couplées en étoile. Grâce à q diodes formant par exemple un commutateur « plus positif », à chaque instant, la borne A est reliée à la plus positive des bornes 1, 2, ...., q. La tension redressée u est recueillie entre A et le point neutre B. Dans ce type de redresseur, les diodes effectuent un seul choix. Nous utilisons l'adjectif « parallèle » (P) pour ce type de montage car entre les deux bornes de sortie, on trouve en parallèle les q voies formées chacune par un enroulement et une diode. La figure (III.1) représente le montage P3, avec le commutateur à trois diodes. Fig.III.1. Montage P3 non commandé Seule la diode dont l'anode est au plus haut potentiel peut conduire. 37 Chapitre III Les redresseurs triphasés Supposons qu'à un instant donné, v1 est la tension la plus élevée. Si la diode D2 conduit u D 2 0, u v 2 , D1 se trouve sous la tension : u D1 v1 u v1 v 2 0 et devient passante. On a alors : u D1 0 et u D 2 v 2 v1 0 . Donc la diode D2 se bloque. On a donc : u v1 quand v1 v 2 et v3 u v 2 quand v 2 v1 et v3 u v3 quand v3 v1 et v 2 On obtient en définitive le graphe de la figure (III.2). Ainsi chaque diode conduit pendant un tiers de la période, les expressions des tensions u et u D1 sont : u D1 v1 u . Soit : u D1 0 lorsque D1 conduit, u D1 v1 v 2 lorsque D2 conduit, u D1 v1 v3 lorsque D3 conduit. Fig.III.2. Oscillogrammes La tension redressée u est périodique de période T/3 (T/p). Entre-T/6 (-T/2p) et +T/6 (+T/2p), cette tension s’exprime : u (t ) Vm cos t (III-1) Avec Vm U eff 2 , Ueff étant la valeur efficace des tensions simples. 38 Chapitre III Les redresseurs triphasés Valeur moyenne : On note U m la valeur moyenne de u (t). 1 sin( / 3) u.dt Vm 0.83Vm /3 T / 3 T / 6 T /6 On calcule : U m (III-2) T /2p 1 sin( / p ) Dans le cas général : U m u .dt Vm T / p T / 2 p /p (III-3) T / 6 Valeur efficace : U eff V 1 sin(2 / 3) u 2 .dt dm 1 0.84Vm T / 3 T / 6 2 / 3 2 (III-4) T / 2 p Dans le cas général : U eff Facteur de forme : F V 1 sin( 2 / p ) u 2 .dt m 1 T / p T / 2 p 2 / p 2 U eff Um Dans le cas général : F U eff Um sin(2 / 3) 2 / 3 1.02 sin( / 3) /3 1 1 2 1 2 sin( 2 / p ) 2 / p sin( / p ) /p (III-6) 1 3.2. Redresseur commandé montage P3 Les hypothèses pour l’étude sont les suivantes : (III-5) Sources supposées parfaites impédances des sources nulles ; Fig.III.3. Montage P3 commandé 39 (III-7) Chapitre III Les redresseurs triphasés Nous allons étudier le principe de fonctionnement d’un montage P3 dont les Thyristors sont commandés à la fermeture avec un retard angulaire (temps de retard t ) sur l’amorçage naturel (cas des diodes). Cette étude pourra être appliquée facilement à un montage PD3 ou autre. La figure (III.4) donne les différentes phases de fonctionnement pour un régime de fonctionnement discontinu: t0 t1 t2 Fig.III.4. Oscillogrammes Avant l’instant t 0 on suppose que le thyristor Th3 conduit. On a donc : u t v3 t . Après t 0 , v1 t devient supérieure à v 2 t et v3 t ; Th1 est polarisé en direct ; il est donc susceptible d’être enclenché par un signal de commande. Tant que Th1 ne reçoit pas d’impulsion de commande, Th3 reste conducteur et : u t v3 t ; iTh1 0; u Th1 t u13 t . La commande de la fermeture de Th1 arrive à l’instant t1 t 0 t . Le thyristor Th1 est alors polarisé sous tension directe positive si u13 0 . Cette condition impose 40 Chapitre III Les redresseurs triphasés t t1 t 0 T ou . Pour , il n’est plus possible d’amorcer les thyristors 2 car la différence de potentiel à leur borne devient négative. si : Th1 s’enclenche : u t v1 t ; uTh1 0 et Th3 se trouve polarisé en inverse uTh3 u13 0 et se bloque ; d’où iTh1 I m . Th1 reste enclenché tant que Th2 n’est pas commandé, soit jusqu’à l’instant t 2 t1 T (q = 3 dans le cas du montage P3) si l’on admet (c’est le cas en pratique) q que les signaux de commande des thyristors se succèdent avec le même décalage T q que les instants d’amorçage naturel (pour les diodes). pour t t 2 , on a : u v 2 ; uTh1 u12 ; iTh1 0 . D’où les courbes de u t , uTh1 t établies à la figure (III.4). On note que pour les montages parallèles simples (pq), de même que pour les montages à diodes, la tension u t est formée de p=q portions de sinusoïdes. La tension redressée u t est composée de p portions de sinusoïdes par périodes T des tensions alternatives de la source. La valeur moyenne peut donc être calculée entre t1 et t 2 : p 1 Um Vm sin tdt Vm sin cos t 2 t1 t 1 p t2 (III-8) On a représenté graphiquement l’évolution de U m en fonction de l’angle sur la figure (III.5). On en déduit les deux types de fonctionnement d’un tel montage : Fig.III.5. La tension moyenne en fonction de 41 Chapitre III Les redresseurs triphasés pour 0 : U m est positive et la puissance active fournie par le dispositif 2 redresseur à la charge dans laquelle circule un courant continu i vaut : P U m .I m 0 La charge absorbe donc de l’énergie. Le montage fonctionne alors en redresseur à tension de sortie U m réglable grâce à l’angle de retard à l’amorçage . Pour : U m est négative, donc : 2 Le montage ne peut fonctionner, dans ces conditions, que s’il est connecté, côté continu (charge), sur un dispositif susceptible de lui fournir de l’énergie, soit par exemple : génératrice courant continu, batterie d’accumulateurs. On a alors un fonctionnement en onduleur non autonome. C’est un onduleur car l’énergie passe de la charge à caractère d’énergie continue au réseau alternatif connecté ; il est non autonome car la valeur efficace et la fréquence des tensions alternatives sont fixées par le réseau alternatif. 3.3. Redresseur non commandé montage PD3 Dans le cas général, les q enroulements, sièges des q tensions alternatives v1 , v 2 ,...., v q , sont encore couplés en étoile, mais on utilise 2q diodes. Le premier groupe, D1 , D3 ,... forme un commutateur « plus positif » et réunit A à la plus positive des bornes 1, 3, ..., q. Le second groupe D4 , D2 ,... forme un commutateur « plus négatif » et relie B à la plus négative des bornes 2, 4, ..., q. Cet ensemble de 2q diodes est couramment appelé pont de diodes. La tension redressée u, recueillie entre A et B, est égale, à chaque instant, à la plus grande différence entre les tensions d'entrée. Le montage effectue donc un double choix, d'où le sigle PD (parallèle double) utilisé. La figure (III.6) représente le redresseur PD3. 42 Chapitre III Les redresseurs triphasés Fig.III.6. Montage PD3 non commandé Ce montage est à comparer au pont de Graëtz en monophasé et à ce titre il peut également être appelé triphasée double alternance. Deux groupes de diodes sont présentés : un commutateur à cathode commune (D1, D3, D5) et un commutateur à anode commune (D4, D2, D6). L'existence d'un courant continu dans la charge exige la conduction de deux diodes à tout instant. La règle pour déterminer les diodes passantes est la même que pour le montage P3 : pour le commutateur à cathode commune, la diode dont l'anode est au potentiel le plus élevé conduit, d’où la dénomination « plus positif » ; pour le commutateur à anode commune, la diode dont la cathode est au potentiel négatif le plus faible conduit, d’où la dénomination «plus négatif ». Donc : - lorsque v1 v3 v 2 , D1 et D6 conduisent : u v1 v 2 - lorsque v 2 v1 v3 , D3 et D2 conduisent : u v 2 v3 - lorsque v3 v 2 v1 , D5 et D4 conduisent : u v3 v1 . Chaque diode conduit ainsi pendant un tiers de période (on dira que l'indice de commutation de ce montage est q = 3) tandis que la tension redressée se compose de six portions de sinusoïdes par période T (on dira que l'indice de pulsation est p = 6). Sur la figure (III.7), on a représenté l'allure de la tension redressée u ainsi que la tension aux bornes de la diode D1 u D1 . 43 Chapitre III Les redresseurs triphasés Fig.III.7. Oscillogrammes La tension redressée u est périodique de période T/p (T/6). Entre 0 et T/p (T/6), cette tension a pour expression : u Vm cos t Avec : Vm U eff 2 1 sin / 6 u.dt Vm 0,95Vm /6 T / 6 T / 12 T / 12 Valeur moyenne : U m Valeur efficace : U eff Facteur de forme : F T / 12 V 1 1 sin 2 / 6 u D2 dt m 0,94.Vm T / 6 T / 12 2 / 6 2 U eff (III-9) (III-10) (III-11) Um Ce résultat montre clairement que la forme de la tension redressée est plus proche du continu que pour le montage P3 (F = 1,02). Pour étudier le phénomène d'empiétement, on prend le montage précédent, dans lequel on prend en compte les inductances parasites notées lS. 44 Chapitre III Les redresseurs triphasés Fig.III.8. Montage PD3 non commandé avec inductance parasite Lors de la commutation si on considère que le courant ne commute pas instantanément, il y aura un intervalle de temps pendant lequel deux diodes seront en conduction. La tension dans ce cas est représentée sur la figure suivante : Fig.III.9. Phénomène d’empiètement 45 Chapitre III Les redresseurs triphasés 3.4. Redresseur commandé montage PD3 [5] Ce type de redresseur est réalisé en utilisant un montage en pont de Graëtz avec des thyristors comme le montre le schéma suivant : Fig.III.10. Montage PD3 commandé Parmi les thyristors Th1, Th3 et Th5, celui qui a la tension sur son anode la plus positive conduit (plus le train d’impulsions sur la gâchette) Parmi les thyristors Th2, Th4 et Th6, celle qui a la tension sur sa cathode la plus négative conduit. Comme pour l’alimentation triphasé simple, on peut réaliser des retards par rapport au commutation naturelle qui a lieu pour 30 . Pour , on a : u v3 v 2 Vm 3 cos 6 6 La valeur moyenne de u représente la tension continue Um aux borne du réseau continu, soit : Um 1 2 / 6 6 V 6 m 3 cos .d 3Vm 3 cos (III-12) Les courbes obtenues sont les suivantes : 46 Chapitre III Les redresseurs triphasés Fig.III.11. Oscillogrammes On peut définir deux domaines de fonctionnement : Pour 0 90 , la tension est positive, l’appareil fonctionne en redresseur. Pour 90 180 , la tension Um change de signe, alors que le courant conserve le. même sens dans le récepteur, l’appareil fonctionne en onduleur assisté. 3.5. Les ponts mixtes [7] Les trois thyristors sont montés ici en cathode commune ; en les remplaçant par trois diodes, l'instant où chacune d'entre elles deviendrait passante s'appelle « instant d'amorçage naturel » du thyristor correspondant. 47 Chapitre III Les redresseurs triphasés Fig.III.12. Pont mixte Les courbes obtenues sont les suivants : Fig.III.13. Oscillogrammes La valeur moyenne de la tension est : U m v AN v BN 3Vm 3 1 cos 2 o Si 0 U m (III-13) 3Vm 3 2 48 Chapitre III Les redresseurs triphasés o Si U m 0 Donc : U m 0 0, La tension moyenne aux bornes de la charge est strictement positive, de même que le courant qui la traverse ; cela signifie que la puissance de la charge est toujours positive, ce qui correspond à un comportement uniquement récepteur. Conclusion Dans ce chapitre on a présenté par étude en simulation les redresseurs triphasés simple alternance et double alternance qui ont un vaste domaine d’application, mais malheureusement, leurs inconvénients majeurs c’est qu’ils envoient au réseau des courants non sinusoïdaux riches en harmoniques (représente une charge non linéaire pour le réseau triphasé), la solution pour éviter la déformation du signal est l’utilisation des filtres actifs. 49 Conclusion générale : Ce travail est consacré à l’étude des montages redresseurs qui assure la conversion de l’énergie électrique alternative en continue car la consommation de l'énergie électrique est très répondue en courant continu, pour cela les redresseurs sont les plus utilisés. Mais le besoin croissant induit automatiquement une multiplication de ces équipements, qui, à leurs tours provoquent des perturbations, de plus en plus présentes sur le réseau. Cependant, la pollution des réseaux est d'autant plus importante que le nombre de ces convertisseurs est plus élevé. Ce travail nous a permis de découvrir de prés la richesse des montages redresseurs en allant du simple montage monophasé mono alternance non commandé au montage triphasé double alternance entièrement commandé débitant sur différentes charges actives et passives avec prise en compte de quelques phénomènes surgissant leurs fonctionnement comme l’empiètement. La méthodologie présenté est simple, d’abord on donne le montage utilisé, ensuite une analyse s’impose pour clarifier le fonctionnement du montage, le tracé des courbes de quelques caractéristiques qui nous paraissent importantes comme le courant et la tension de la charge, ensuite le calcul de quelques grandeurs essentiels comme la valeur moyenne, la valeur efficace, le facteur de forme,… pour caractériser la qualité de l’énergie mise en jeu. Ces convertisseurs provoquent une dégradation du facteur de puissance du réseau et génèrent des courants très riches en harmoniques. Une des solutions les plus efficaces pour corriger ces inconvénients est l'utilisation d'un onduleur triphasé ayant pour but, de dépolluer le réseau et de compenser l'énergie réactive. Ce qui nous permet d'avoir un réseau plus stable. 62 Bibliographie : [1] G. Seguier, " L’électronique de puissance", livre, Ed. Dunod 1985. [2] V. Léger, A. Jameau, "Conversion d’énergie électrotechnique électronique de puissance", livre, Ed. ellipses, 2004. [3] J.P.Fanton, "Génie électrique", Cours, Ecole centrale Paris 2003/2004. [4] W. Shepherd, L. Zhang, "Power converter circuits”, Marcel Dekker, Inc. 2004. [5] F. Milsant, "électrotechnique-électronique de puissance, cours et problèmes", Ed ellipses 1993. [6] "Energie et convertisseurs d’énergie", Licence EEA Module U6, Université de Savoie. [7] "Redressement commandé", cours, Université de Savoie 2009. [8] Mohamed Muftah ABDUSALAM,’’Structures et stratégies de commande des filtres actifs parallèle et hybride avec validations expérimentales’’ thèse de Doctorat 2008, Université Henri Poincaré, Nancy I, France. 63
