chapitre-3-montages-redresseurs-commandes

Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
LES REDRESSEURS COMMANDES: AC/DC
Objectifs :
Savoir le fonctionnement d’un montage redresseur commandé,
Calculer et dimensionner un montage redresseur dans une installation électrique.
Cours d’électronique de puissance
45
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
1. Introduction
On effectue une modification importante dans le commutateur : le remplacement des diodes
par des thyristors (remplacement d’interrupteurs 2 segments par des interrupteurs 3 segments
à fermeture commandée) permet de moduler le transfert d’énergie de la source alternative vers
le récepteur continu. Cette modification de commande du système apporte non seulement une
souplesse complémentaire, mais elle permet aussi, sous certaines conditions, un transfert
d’énergie en sens inverse.
Source de
tension 3~
ou 1~
Actionneur
électrique
Redresseur
commandé
Réducteur
mécanique
Charge

Calculateur
Fig.3.1: Schéma synoptique d’une commande d’une MCC
2.Redressement simple alternance
2.1. Débit sur une charge résistivité
Th
G
i ch
v Th
v
u ch
R
Fig.3.2: Montage redresseur commandé P1R
 Analyse de fonctionnement :
 Pour 0 < <, on a v>0, pas d’impulsion sur la gâchette, donc Th est bloqué, alors
ich=0, uch=0 et vth= v.
 Pour  < <, on a v>0, on envoie une impulsion de commande (courant
d’amorçage), donc Th devient conducteur, alors uch = v = Rich et vth = 0.
Cours d’électronique de puissance
46
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
 Diagrammes de tensions:
400
v uch
200
0

-200
-400
0
2
4
6
0
2
4
6
8
10
12
14
8
10
12
14
2
iG
1.5
1
0.5
0
 (rad)
Fig.3.3: Allures de v, uch et iG
 Valeurs caractéristiques :
 Tensions moyenne et efficace : (uch)moy=
(uch)eff=
Vm
[1+cos(α)] ;
π
Vm
α sin(2α)
1- +
2
π
2π
Conclusion :
L’intérêt d’un tel dispositif, c’est d’obtenir une tension et un courant de charge et par
conséquent une puissance réglable.
2.2.Débit sur une charge inductive (R, L)
Considérons le montage de la figure suivante
Th
G
v Th
i ch
R
v
u ch
L
Fig.3.4: Montage redresseur commandé P1RL
Cours d’électronique de puissance
47
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
 Analyse de fonctionnement :
 Pour 0 < <, on a ich = 0, u ch = 0 et vth = v.
 Pour < <, amorçage de Th, on a vth = 0 et u ch =v=Ri ch +L
est ich(θ)=
di ch
, dont la solution
dt
θ-α
-(
)
Vm 
Lw
Q
sin(θ-φ)+sin(φ-α)e
et Z= R 2 +(Lw) 2 .

 . Avec Q=
Z 
R

On vérifie bien que ich( )>0, donc le courant de charge continue à circuler à travers le
thyristor ( th ) mal grés que le potentiel de l’anode devient négatif ( pas de discontinuité de
courant dans une charge inductive ).
 Pour ’c< < 2, le thyristor Th se bloque à ( = 'c), on aura lors ich = 0, u ch = 0 et
vth = v.
 Diagrammes de tensions :
400
v uch
200
0

-200
-400
0
2
4
6
0
2
4
6
8
10
12
14
8
10
12
14
2
iG
1.5
1
0.5
0
 (rad)
Fig.3.5: Allures de v, uch et iG
 Valeurs caractéristiques:
 Tension moyenne : (uch)moy=
 Courant moyen : (ich)moy=
Cours d’électronique de puissance
Vm
[cos(α)-cos(θc)]
2.π
Vm
[cos(α)-cos(θc)]
2πR
48
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
3.Redressement double alternance en monophasé (P2T)
3.1. Débit sur une charge résistivité
Le montage redresseur P2 à thyristors est constitué de deux thyristors connectés en sorties d'un
transformateur à point milieu :
v Th1
v1
i'1
v2
v'1
n1
2
n1
i1
Th 1
i2
Th 2
i ch
u ch
R
Fig.3.6: Montage redresseur commandé P2R
Hypothèses :
On suppose que, les éléments (transformateurs, redresseurs) sont parfaits, le courant de charge
est parfaitement lissé. Les thyristors sont débloqués avec un retard d’angle (), c'est à dire que
les impulsions de déblocage sont envoyées sur les gâchettes des thyristors respectivement aux
angles : Pour Th1, on a θ1 =α+2kπ et pour Th2, on a θ2 =α+π+2kπ
 Etude du fonctionnement :
A partir du réseau monophasé (v’1) on obtient par l'intermédiaire du transformateur à point
milieu deux tensions sinusoïdales v1 et v2 de même amplitude et déphasées entre elles de :
 v1 =Vm.sin(θ)

 v2=Vm.sin(θ+π)
Les différentes phases de fonctionnement :
Intervalle
Thyristor Tension Tension aux bornes
de conduction
passant
 <  < + 
Th1
u ch = v1
VTh2= v2-v1
 +  <  < +2
Th2
u ch = v2
VTh1 = v1-v2
Cours d’électronique de puissance
redressée du thyristor bloqué
49
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
 Diagrammes de tensions et courants:
400
v1 v2 uch
200
0
-200
-400
0
2
4
6
0
2
4
6
8
10
12
14
8
10
12
14
20
i1
15
10
5
0
 (rad)
Fig.3.7: Chronogrammes des tensions et courant
 Valeur moyenne de la tension redressée : (uch)moy=
2Vm
[1+cos(α)] .
π
3.2. Débit sur une charge inductive (RL)
v Th1
v1
i'1
v2
v'1
n1
n1
2
i1
Th 1
i2
Th 2
i ch
u ch
R
L
Fig.3.8: Montage redresseur commandé P2RL
 Principe de fonctionnement :
Le thyristor Th1 est conducteur pour <<+, lorsque la tension v1>0,
Le thyristor Th2 est conducteur pour +<<2+ , lorsque la tension v2>0.
Cours d’électronique de puissance
50
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
 Diagrammes de tensions et courants :
P2-KC à thyristors
v1 v2 uch
100
0
-100
0
2
4
6
8
10
12
14
0
2
4
6
8
10
12
14
0
2
4
6
8
10
12
14
vTH1
200
0
-200
i1
10
5
0
 (rad)
Fig.3.9: Chronogrammes des tensions et courant
 Valeurs caractéristiques :
 Valeur moyenne de la tension redressée : (uch)moy=
2Vm
cos(α)
π
Remarques:
 Pour α 
π
, la valeur moyenne de la tension redressée est positive, il en est donc de
2
même pour la puissance active fournie par le réseau au récepteur P  (u ch ) moy .I , le
transfert de puissance se fait du coté alternatif vers le coté continu, le système
fonctionne en redresseur.
 Pour α 
π
, la valeur moyenne de la tension redressée est négative ainsi donc que la
2
puissance active; le transfert de puissance se fait du coté continu vers le coté alternatif,
le système fonctionne en onduleur ou redresseur inversé. Le réseau continu néanmoins
à imposer la fréquence et à fournir de la puissance réactive.
Cours d’électronique de puissance
51
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
4.Redressement double alternance en monophasé (PD2T)
Le montage redresseur PD2T à thyristors est constitué de quatre thyristors connectés en sorties
d'un transformateur à point milieu :
i'
Th 1
i
Th 2
i ch
v
v'
u ch
Th 3
Th 4
Fig.3.10: Montage redresseur commandé PD2
 Valeurs caractéristiques :
 Tension moyenne : (uch)moy=
2Vm
cos(α)
π
On en déduit alors les valeurs caractéristiques (ich) max, (ich) moy et (ich) eff, respectivement les
valeurs maximale, moyenne et efficace de ces courants:
(ich)moy 
I
I
, (ich)eff 
et (ich)max  I
2
2
 Courants et facteur de puissance au secondaire du transformateur :
Dans les secondaires du transformateur deux valeurs relatives aux courants nous intéressent,
la valeur efficace qui sert à dimensionner les enroulements et la valeur moyenne qui sera utile
pour la détermination du courant au primaire.
Le facteur de puissance est par définition le rapport de la puissance active sur la puissance
apparente. Les thyristors étant supposés parfaits ils ne dissipent pas de la puissance, par
conséquent la puissance fournie par le secondaire du transformateur est aussi la puissance
reçue par la charge est donnée par : (Pch )moy =(u ch ) moy .I
La puissance apparente au secondaire est donnée par : Ss =2(v1 ) eff .(i1 ) eff =Vm I
Les calculs de la puissance apparente et du facteur de puissance au secondaire sont importants
dans la conception des montages redresseurs.
Cours d’électronique de puissance
52
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
La puissance apparente détermine le dimensionnement du transformateur car « Vm » fixe le
nombre de spires par phase et « ieff » la section des conducteurs.
A puissance active égale la réalisation du secondaire est d'autant plus coûteuse que le facteur
de puissance est plus faible ce qui constitue une limitation d'emploi des montages redresseurs
à commutation parallèle simple.
 Facteur de puissance secondaire : fs =
(Pch ) moy
Ss
2
= cos(α) .
π
5.Redressement simple alternance en triphasé
5.1.Montage redresseur à cathodes communes P3TKC
Afin de simplifier l’étude, on se place dans les mêmes conditions que celles rencontrées pour
les redresseurs non commandés. Le courant débité est continu et parfaitement lissé, quel que
soit le régime de fonctionnement, les éléments (transformateur et thyristors) sont supposés
idéaux. Considérons le montage de la figure 3.11.
v'1
i'1
v'2
v1
i1
v2
v'3
v3
n1
n2
i2
i3
Th 1
i ch
Th 2
R
Th 3
u ch
L
Fig.3.11: Montage redresseur commandé P3TKC
 Analyse élémentaire de fonctionnement :
On commande les thyristors à la fermeture de façon séquentielle, et avec une période du
réseau (2). Les intervalles de temps (respectivement angulaires) qui séparent deux
commandes successives sont donc de (
2π
).
3
Pour analyser le fonctionnement on suppose que l’impulsion envoyée sur le thyristor (Th1)
avec un retard de «  » par rapport à l’amorçage naturel (0 =30° pour le cas des diodes),
l’impulsion de commande du thyristor Th2 sera décalée de 120° par rapport à Th1.
Cours d’électronique de puissance
53
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
 Diagrammes de tensions:
uch vTH1
100
50
0
-50
-100
0
2
4
6
8
10
12
14
0
2
4
6
8
10
12
14
6
i1
4
2
0
 (rad)
Fig.3.12: Allures de uch et vTh1 et i1 pour un angle d’amorçage (α= 30°)
uch vTH1
100
50
0
-50
-100
0
2
4
6
8
10
12
14
0
2
4
6
8
10
12
14
6
i1
4
2
0
 (rad)
Fig.3.13: Allures de u ch et vTh1 et i1 pour un angle d’amorçage (α= 60°)
Cours d’électronique de puissance
54
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
 Diagrammes de tensions:
uch vTH1
100
50
0
-50
-100
0
2
4
6
8
10
12
14
0
2
4
6
8
10
12
14
6
i1
4
2
0
 (rad)
Fig.3.14: Allures de u ch et vTh1 et i1 pour un angle d’amorçage (α= 90°)
Conclusion :
On remarque que la tension est formée par des portions de sinusoïde et périodique de période
de (
2π
).
3
 Valeurs caractéristiques :
 Valeurs moyenne et efficace de la tension de charge:
(uch)moy=
3 3
Vm cos(α) et
2π
(uch)eff=Vm
1 3
2π
+ sin( )cos(α)
2 4π
3
 Contraintes en courant et en tension sur les thyristors:
I
I
et. (i1 ) max =I
(i1 ) moy = , (i1 ) eff =
3
3
 Développement en série de Fourier du courant i1 :
I +  2.I
π
π
i1 (θ)= + sin(n )cos[n(θ- -α)]
3 n=1 nπ
3
2
Cours d’électronique de puissance
55
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
5.2. Montage redresseur à anodes communes P3TAC
On garde les mêmes hypothèses que le montage P3, l’étude est presque identique que
précédemment.
v'1
v1
i'1
v'2
i1
v2
v'3
v3
n1
n2
i2
i3
Th 1
i ch
Th 2
R
u ch
Th 3
L
Fig.3.15: Montage redresseur commandé P3TAC
 Diagrammes de tensions :
100
uch vTH1
50
0
-50
-100
0
2
4
6
0
2
4
6
8
10
12
14
8
10
12
14
6
i1
4
2
0
 (rad)
Fig.3.16: Allures de uch et vTh1, pour un angle d’amorçage (α= 30°)
Cours d’électronique de puissance
56
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
uch vTH1
100
50
0
-50
-100
0
2
4
6
0
2
4
6
8
10
12
14
8
10
12
14
6
i1
4
2
0
 (rad)
Fig.3.17: Allures de uch et vTh1, pour un angle d’amorçage (α= 60°)
6.Redressement double alternance en triphasé
6.1. Montage redresseur PD3T
M
i ch
v'1
v1
i'1
v'2
v2
v'3
v3
n1
n2
O
i1
Th 2
Th 1
Th 3
R
v MO
i2
O
i3
u ch
L
v NO
Th'1
Th' 2
Th'3
N
Fig.3.18: Montage redresseur commandé PD3
 Analyse de fonctionnement:
Le retard à l’amorçage est «  », on détermine la tension vMO pour cet angle d’amorçage en
suivant la même démarche qu’au montage P3, ensuite on détermine la tension vNO pour le
même angle d’amorçage (mais quand la tension devient négative).
Il est possible de construire graphiquement la tension de charge par intervalle, d’après
l’expression suivante ( u ch =v MO -v NO ).
Cours d’électronique de puissance
57
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
 Diagrammes de tensions et courants :
Tensions
100
0
-100
0
2
4
6
8
10
0
2
4
6
8
10
0
2
4
6
8
10
iTh1
10
5
0
i1
10
0
-10
 (rad)
Fig.3.19: Allures des tensions et courants pour un angle d’amorçage (α= 30°)
Tensions
100
0
-100
0
2
4
6
8
10
0
2
4
6
8
10
0
2
4
6
8
10
iTh1
10
5
0
i1
10
0
-10
 (rad)
Fig.3.20: Allures des tensions et courants pour un angle d’amorçage (α= 60°)
Conclusion : On remarque que la tension est formée des portions de sinusoïde et périodique
π
3
de période ( ) .
Cours d’électronique de puissance
58
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
 Valeurs caractéristiques :
 Valeurs moyennes et efficaces de la tension de charge :
(u ch ) m oy=
3 3
1 3
π
V m cos(α) , (uch)eff= 3.Vm
+ sin( )cos(α)
π
2 2π
3
 Contraintes sur les thyristors en tension et en courant:
(ith)moy 
I
I
; (ith)eff 
; (ith)max  I ; (vth)max   Vm 3
3
3
 Courants efficaces du secondaire et du primaire pour une phase du transformateur :
(i1 ) eff 
2
2
I , (i'1 ) eff  m. .I
3
3
 Développement en série de Fourier du courant i1 :
+
4I
nπ
nπ
sin( )sin( )sin  n(θ-α) 
2
3
n=1 nπ
i1 (θ)= 
Remarques:
L’allure de la tension aux bornes de l’un des thyristors, permet la détermination expérimentale
de l’angle d’amorçage () :
π
2
 Si l’angle d’amorçage est compris entre 0 et , sa valeur est mesurable après le passage
à zéro de la tension; et le transfert d’énergie se fait lieu du coté alternatif vers le coté
continu ; voir figure ci-dessous :
 Si l’angle d’amorçage est compris entre
π
et (-), avec (): angle de garde, la partie
2
correspondante à la polarisation inverse est égale à (-), voir figure ci-dessous :
 Facteurs de puissance du primaire et du secondaire
L’observation de la figure suivante, montre que le courant is1est tel que son fondamental est
déphasé de () par rapport à la tension secondaire correspondante.
La puissance mise en jeu du coté alternatif est donnée par : P=3VI1cos(φ1 )=3VI1cos(α1 )
Puisqu’il n’y a aucune perte d’énergie dans le commutateur, on a P  (uchich)moy .
Si on tient compte de la relation précédente ceci montre que I1 =I
6
(que l’on peut établir
π
directement par décomposition en série de Fourier du courant du courant is1) et que les
3
π
facteurs de puissance primaires et secondaires sont donnés par: fs=fp= cos(α) .
Cours d’électronique de puissance
59
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
7.Les ponts redresseurs mixtes
7.1.Montage PD2 mixte symétrique
Th 1
i
i'
i ch
Th 2
v
v'
u ch
D1
D2
Fig.3.21: Montage redresseur mixte PD2MS
 Diagrammes de tensions:
PD2-M-TH-CC
1000
uch
500
0
-500
0
2
4
6
8
10
12
14
0
2
4
6
8
10
12
14
0
2
4
6
8
10
12
14
500
vTh1
0
-500
-1000
i1
20
0
-20
(rad)
Fig.3.22: Allures de uch e tvTh1 pour (α= 30°)
On remarque que la tension est formée des portions de sinusoïde et périodique de période ().
 Valeurs caractéristiques :
 Valeur moyenne de la tension de charge : (u ch )moy=
 Valeur efficace du courant secondaire (i): (i)eff=I
2Vm
π
 1+cos(α) 


2


π-α
π
 Valeur efficace de fondamental du courant de (i) : (if)eff=
Cours d’électronique de puissance
60
2 2
α 2 2
I.cos( )=
I.cos(φ) .
π
2
π
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
 Facteur de puissance secondaire: fs=
(if) eff
2
cos(φ)=
(i)eff
π
2π  1+cos(α) 
.
.
π-α 
2

7.2.Montage PD2 mixte asymétrique (dissymétrique)
i
i'
D1
Th 1
v
v'
i ch
u ch
Th 2
D2
Fig.3.23: Montage redresseur mixte PD2d
 Diagrammes de tensions:
400
uch
300
200
100
0
-100
-200
-300
vTH1
-400
0
0.01
0.02
0.03
Temps(s)
0.04
0.05
0.06
Fig.3.24: Allures de uch et vTh1 pour un angle d’amorçage (α= 30°)
Cours d’électronique de puissance
61
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
10
iTH1
0
-10
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.04
0.05
0.06
0.04
0.05
0.06
10
iD1
5
0
0
0.01
0.02
0.03
10
iD2
5
0
0
0.01
0.02
0.03
Temps(s)
Fig.3.25: Allures de iTh1, iD1 et iD2 pour ( = 30°)
7.3. Montage PD3 mixte
M
i ch
v'1
v1
i1
i'1
v'2
v2
v'3
v3
n1
n2
O
Th 2
Th 1
Th 3
R
v MO
i2
O
i3
u ch
L
v NO
D2
D1
D3
N
Fig.3.26: Montage redresseur mixte PD3
Cette structure est celle du pont complet, seulement on a remplacé les thyristors (Th’1, Th’2,
Th’3) par les diodes (D1, D2, D3). La détermination de la forme d’onde et de la tension de
charge se fait comme pour le montage en pont complet.
Cours d’électronique de puissance
62
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
 Diagrammes de tensions:
uch vTH1
100
50
0
-50
-100
0
2
4
6
0
2
4
6
8
10
12
14
8
10
12
14
10
i1
5
0
-5
-10
 (rad)
Fig.3.27: Allures de u ch, vTh1 et iD1 pour un angle d’amorçage ( = 30°)
uch vTH1
100
50
0
-50
-100
0
2
4
6
0
2
4
6
8
10
12
14
8
10
12
14
10
i1
5
0
-5
-10
 (rad)
Fig.3.28: Allures de u ch, vTh1 et iD1 pour un angle d’amorçage ( = 60°)
Conclusion :
On remarque que la tension est formée par des portions de sinusoïde et périodique de période
(2/3).
Cours d’électronique de puissance
63
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
 Valeurs caractéristiques:
 Valeurs moyenne et efficace de la tension de charge : (uch)moy=
3 3
Vm [1+cos(α)]
2π
 Développement en série de Fourier du courant i1

4.I
n.π
n.α
n.α
.sin(
).cos( ).sin[n.θ 
]
3
2
2
n 1 n.π
i1  
 Notions de puissances :
Le montage en pont mixte est considéré comme une association en série de deux redresseurs.
Ce dispositif a des propriétés intéressantes sur le plan de la puissance active et réactive.
La puissance moyenne est (P) moy =(u ch .i ch ) moy =IU ch0 cos(α)+IU ch0 ; Avec U ch0 =
3 6
V
2π
Pour la puissance réactive, on peut décomposer soit le courant is1 en série de Fourier et on
raisonne sur le fondamental, soit on applique le théorème de Boucherot et on sépare les
puissances actives et réactives pour chaque demi pont, et on aura donc : P=P1+P2 et Q=Q1+Q2 .
Avec P1 =
3 6
3 6
3 6
VIcos(α) ; P2 =
VI et Q1 =
VIsin(α) et Q2=0 .
2π
2π
2π
Il vient que : P=
Si on pose S0 =
3 6
1+cos(α)
3 6
VI(
) et Q=
VIsin(α) .
π
2
2π
P 1+cos(α)
Q 1
3 6
et y= = sin(α) .
VI , il vient que x= =
S0 2
π
S0
2
L’élimination de  entre les relations précédentes conduit à : (2x – 1) 2 + 4y 2 = 1 , qui est
l’équation d’un cercle centré au point
 x c =0.5 ; yc =0  et de rayon R= 0.5, en outre le
fondamental du courant dans une phase secondaire est de la forme : is1 =Is1.sin(wt-φ1) avec
vs1 =V 6.sin(wt) , pris comme origine de phase.
On déduit que tan(φ1 )=
Q
α
I 6
α
 φ1 = ; d’où I s1 =
cos( ) .
P
2
π
2
Cours d’électronique de puissance
64
Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
Chapitre 3 : Les montages redresseurs commandés
 Diagramme de puissances :
Q
M
Q
S0
0
Redresseur
α
2
P
P
S0
Fig.3.29: Diagramme de puissances
Cours d’électronique de puissance
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Proposé par Mr: SOYED-Abdessami