ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Filière : Génie Energétique et Environnement ENSA3 GEE Responsable : Pr. S. CHABAA 1 Chapitre IV : Redresseur 2 Redresseur Introduction Les redresseurs sont des convertisseurs statiques de puissance permettent d’obtenir une tension de valeur moyenne non nulle à partir d’une tension alternative (monophasée ou triphasée) de valeur moyenne nulle. Les redresseurs commandés permettent de régler la valeur moyenne de la tension redressée. 3 Redresseur Introduction Les redresseurs sont utilisés: Comme étage intermédiaire dans les cartes électroniques, les fours, les électrolyses, le transport à courant continu, pour la variation de vitesse des moteurs à courant continu, Alimentation des moteurs à courant continu, Charge des batteries … 4 Redresseur Introduction On peut grouper les composants utilisés dans les convertisseurs statiques AC- DC en deux catégories : ● Les diodes ● Les thyristors (Silicon-Controlled Rectifier : SCR) 5 Redresseur Redressement sur circuits monophasés L’entrée est une tension alternative monophasée. Les circuits avec des diodes fournissent des tensions continues constantes, Les circuits avec les thyristors ou autre composant commandé donnent des tensions continues de valeurs moyennes variables. Redressement simple alternance non commandé (charge résistive) is La tension d’alimentation est: Ve(t) = Vm sin(ωt) ve(t) Vs(t) 6 Redresseur Redressement sur circuits monophasés Redressement simple alternance non commandé (charge résistive) Forme d’ondes des différentes grandeurs Vs t is t 7 Redresseur Redressement sur circuits monophasés Redressement simple alternance non commandé (charge inductive) La conduction discontinue est peu utilisée dans la pratique car les chutes de tension sont importantes. Toute-fois, pour obtenir ce résultat avec une alimentation monophasée, il faut un équipement assez complexe (transformateur à point milieu ou pont à quatre diodes).On peut éviter cet inconvénient en utilisant une diode de roue libre. is Montage simple alternance charge inductive avec DRL ve(t) Vs(t) 8 Redressement sur circuits monophasés Redressement simple alternance non commandé (charge inductive) Formes d’ondes des différentes grandeurs 9 Redressement sur circuits monophasés Ponts de redressement Un pont de redressement monophasé est représenté par le schéma global de la figure suivante où nous remplaçons les interrupteurs statiques par des interrupteurs mécaniques. Trois cas pratiques existent : 1. Tous les interrupteurs sont des diodes. 2. Tous les interrupteurs sont des thyristors. 3. Pont mixte symétrique (k1 et k3 sont des thyristors / k2 et k4 sont des diodes). is ve(t) Vs(t) 10 Redressement sur circuits monophasés Ponts de redressement Pont à diodes sur charge résistive is ve(t) Vs(t) 11 Redressement sur circuits monophasés Ponts de redressement Pont à diodes sur charge résistive is ve(t) Vs(t) 12 Redressement sur circuits monophasés Ponts de redressement Analyse du fonctionnement Alternance positive (𝒗𝒆 𝒕 >0 ) D1 et D2 sont passantes , D3 et D4 sont bloquées 𝑣𝑠 (𝑡) 𝑣𝑠 𝑡 = 𝑣𝑒 𝑡 = 𝑉𝑚 sin(𝜔𝑡) et 𝑖𝑠 𝑡 = = 𝑅 𝑉𝑚 sin(𝜔𝑡) 𝑅 𝑖𝑠 𝑡 et 𝑣𝑠 𝑡 ont la même forme Alternance positive (𝑣𝑒 𝑡 < 0 ) D1 et D2 sont bloquées , D3 et D4 sont passantes 𝑣𝑠 (𝑡) 𝑉𝑚 𝑣𝑠 𝑡 = −𝑣𝑒 𝑡 = −𝑉𝑚 sin(𝜔𝑡) et 𝑖𝑠 𝑡 = = − sin(𝜔𝑡) 𝑅 𝑖𝑠 𝑡 et 𝑣𝑠 𝑡 ont la même forme 𝑅 13 Redressement sur circuits monophasés Ponts de redressement Formes d’ondes des différentes grandeurs vs is vs 14 Redressement sur circuits monophasés Ponts de redressement Valeur moyenne < 𝑣𝑠 > = 1 𝑇 < 𝑖𝑠 > = 𝑇 𝑣𝑠 𝑑𝑡 = 0 1 𝑇 2 𝑇 2 0 𝑣𝑒 𝑑𝑡 = 2 𝑇 𝑇 2 𝑉𝑚 sin 𝜔𝑡 𝑑𝑡 = 0 2 𝑉𝑚 𝜋 < 𝑣𝑠 > 2 𝑉𝑚 = 𝑅 𝜋𝑅 Valeur efficace 𝑣𝑠𝑒𝑓𝑓 = 𝑣𝑠𝑒𝑓𝑓 = 𝑇 1 𝑇 0 𝑉𝑚 2 𝑣𝑠2 𝑡 𝑑𝑡 = 𝑣𝑒 𝑖𝑠𝑒𝑓𝑓 𝑣𝑠𝑒𝑓𝑓 𝑉𝑚 = = 𝑅 2𝑅 15 Redressement sur circuits monophasés Ponts de redressement Facteur de forme 𝑉𝑚 𝑣𝑠𝑒𝑓𝑓 𝜋 2 𝐹= = = 2 𝑣𝑒 𝑣𝑠𝑚𝑜𝑦 2 2 𝜋 𝐹 ≥ 1 , 𝑝𝑙𝑢𝑠 𝐹 𝑡𝑒𝑛𝑑 𝑣𝑒𝑟𝑠 1 𝑢𝑛 𝑏𝑜𝑛 𝑟𝑒𝑑𝑟𝑒𝑠𝑠𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 Taux d’ondulation 𝑉𝑠𝑚𝑎𝑥 − 𝑉𝑠𝑚𝑖𝑛 𝜂= 2 < 𝑣𝑠 > 𝜂 𝑡𝑒𝑛𝑑 𝑣𝑒𝑟𝑠 0 𝑢𝑛 𝑏𝑜𝑛 𝑟𝑒𝑑𝑟𝑒𝑠𝑠𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 16 Redressement sur circuits monophasés Ponts de redressement Conclusion On remarque que le taux d’ondulation s’améliore : le nombre d’alternance par période égale à deux alors qu’il était un dans le cas d’un redressement par une diode, donc: La tension est plus proche du continu on a 𝑣𝑠𝑚𝑜𝑦 = 2𝑉𝑚 𝜋 Pas de problème de discontinuité dans le cas des charges inductive (le courant est toujours continu) 17 Redressement sur circuits monophasés Redressement double alternance commandé Pont tous thyristors is ve ie vs T1 et T2 sont déclenchés à ψ avec ψ ∈ 0, π , T3 et T4 sont déclenchés à ψ + π avec ψ ∈ 0, π , Ce montage permet la récupération de l’énergie électrique en cas de fonctionnement de la machine en mode génératrice. le transfert de l’énergie s’effectue de la machine vers le réseau. Cette inductance encore appelée inductance de lissage n’est pas forcément nécessaire quand l’inductance de la charge est elle-même importante (commande 18 d’un moteur série à courant continu…) Redressement sur circuits monophasés Redressement double alternance commandé Pont tous thyristors : Analyse du fonctionnement Les thyristors sont parfaits et identiques; Le moteur à courant continu à une f.e.m. E et une résistance R ; Une bobine de résistance interne négligeable et L forte; L’étude est réalisée en régime permanant 𝑖𝑠 = < 𝑖𝑠 > Avec une inductance de lissage, le courant dans la charge est rigoureusement constant. 𝑣𝑒 𝑡 = 𝑉𝑒𝑓𝑓 2 𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 = 𝑉𝑚 𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 𝑃𝑜𝑢𝑟 𝜓 < 𝜃 < 𝜋 + 𝜓 ∶ 𝑇1 𝑒𝑡 𝑇2 𝑠𝑜𝑛𝑡 𝑝𝑎𝑠𝑠𝑎𝑛𝑡𝑠 à 𝑣𝑒 > 0 𝑒𝑡 𝑎𝑝𝑟è𝑠 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑖𝑜𝑛 à 𝑙𝑎 𝑔𝑎𝑐ℎ𝑒𝑡𝑡𝑒 𝑣𝑠 𝜔𝑡 = 𝑣𝑒 𝑡 = 𝑉𝑒𝑓𝑓 2 𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 = 𝑉𝑚 𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 on pose 𝜃 = 𝜔𝑡 19 Redressement sur circuits monophasés Redressement double alternance commandé Pont tous thyristors : Analyse du fonctionnement 1) 𝑷𝒐𝒖𝒓 𝝍 < 𝜽 < 𝝅 Courants Tensions 𝐼𝑇1 = 𝐼𝑇2 = 𝑖𝑠 = 𝑖𝑒 𝐼𝑇3 = 𝐼𝑇4 = 0A 𝑣𝑇3 𝑡 = 𝑣𝑇4 𝑡 = −𝑣𝑒 𝑡 𝑣𝑇1 = 𝑣𝑇2 = 0A 𝑣𝑠 (𝑡) = 𝑣𝑒 (𝑡) 2) 𝑷𝒐𝒖𝒓 𝝅 < 𝜽 < 𝝅 + 𝝍 𝑣𝑒 < 0 𝑇3 𝑒𝑡 𝑇4 𝑛′ 𝑜𝑛𝑡 𝑝𝑎𝑠 𝑟𝑒ç𝑢 𝑙 ′ 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑔𝑎𝑐ℎ𝑒𝑡𝑡𝑒 𝑇1 𝑒𝑡 𝑇2 𝑟𝑒𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡 𝑝𝑎𝑠𝑠𝑎𝑛𝑡 𝑣𝑠 𝑡 = 𝑣𝑒 𝑡 < 0 𝐼𝑇1 = 𝐼𝑇2 = 𝑖𝑠 = 𝑖𝑒 𝐼𝑇3 = 𝐼𝑇4 = 0A 20 Redressement sur circuits monophasés Redressement double alternance commandé Pont tous thyristors : Analyse du fonctionnement 3) 𝑷𝒐𝒖𝒓 𝝅 + 𝝍 < 𝜽 < 𝟐𝝅 𝑣𝑒 𝑡 < 0, 𝐴𝑝𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑙 ′ 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑔𝑢𝑎𝑐ℎ𝑒𝑡𝑡𝑒 𝑇3 𝑒𝑡 𝑇4 𝑠𝑜𝑛𝑡 𝑝𝑎𝑠𝑠𝑎𝑛𝑡𝑠 𝑇1 𝑒𝑡 𝑇2 𝑠𝑜𝑛𝑡 𝑏𝑙𝑜𝑞𝑢é𝑠 Courants 𝐼𝑇3 = 𝐼𝑇4 = 𝑖𝑠 = − 𝑖𝑒 𝐼𝑇1 = 𝐼𝑇2 = 0A Tensions 𝑣𝑇1 𝑡 = 𝑣𝑇2 𝑡 = 𝑣𝑒 𝑡 𝑣𝑇3 = 𝑣𝑇4 = 0A 𝑣𝑠 𝑡 = − 𝑣𝑒 (𝑡) 21 Redressement sur circuits monophasés Redressement double alternance commandé Pont tous thyristors : Valeur Moyenne 𝑣𝑠𝑚𝑜𝑦 = < 𝑣𝑠 > = 𝑣𝑠 1 𝑇 1 𝜋+𝜓 = 𝑣 𝑡 𝑑𝑡 = 𝑣𝑒 𝑡 𝑑𝑡 𝑇 0 𝑠 𝑇 𝜓 1 𝜋+𝜓 = 𝑉𝑚 𝑠𝑖𝑛 ω𝑡 𝑑𝑡 𝑇 𝜓 On pose: 𝜃 = 𝜔𝑡 ⇒ 𝑑𝜃 = 𝜔 𝑑𝑡 𝜋+𝜓 1 𝑣𝑠𝑚𝑜𝑦 = 𝑉𝑚 𝑠𝑖𝑛 𝜃 𝑑𝜃 or T = 𝜋 + 𝜓- 𝜓 = 𝜋 𝜓 𝑣𝑠𝑚𝑜𝑦 = 𝜔𝑇 𝑉𝑚 𝜔π 𝜋+𝜓 𝜓 𝑠𝑖𝑛 𝜃 𝑑𝜃 𝒗𝒔𝒎𝒐𝒚 = 𝟐 𝑽𝒎 𝝅 𝐜𝐨𝐬 𝝍 Nous remarquons que : 𝜋 Pour 0 < 𝜓 < ∶ 𝑣𝑠𝑚𝑜𝑦 est positive; 𝜋 Pour 2 2 < 𝜓 < 𝜋: 𝑣𝑠𝑚𝑜𝑦 est négative; La valeur moyenne dépend du retard à l’amorçage 𝜓 Redressement commandé 22 Redressement sur circuits monophasés Redressement double alternance commandé Pont tous thyristors : Valeur Moyenne Le courant moyen à la sortie du redresseur 𝑖𝑠 est toujours positif, donc si 𝑣𝑠𝑚𝑜𝑦 < 0, on obtient une puissance 𝑣𝑠𝑚𝑜𝑦 𝑖𝑠 < 0, ce qui veut dire que la puissnace passe de la machine à la source : inversion de l’opération. Ce mode est utilisé pour la récupération. Dans ce cas, il faut inverser la f.e.m E de la machine en inversant le courant d’excitation 𝑖𝑒𝑥 de telle sorte que la machine se comporte comme une génératrice. 23 Redressement sur circuits monophasés Redressement double alternance commandé Pont tous thyristors : Valeur Moyenne Donc pour ψ > π/2, la tension de sortie 𝑣𝑠𝑚𝑜𝑦 devient négative. On appelle le convertisseur dans ce cas par « Onduleur non autonome » car la fréquence de sortie de l’onduleur est fixée par le réseau. Et pour ψ < π/2, la tension de sortie 𝑣𝑠𝑚𝑜𝑦 devient positive. On appelle le convertisseur dans ce cas par « Redresseur ». 24 Redressement sur circuits monophasés Redressement double alternance commandé Pont tous thyristors : Formes d’ondes des différentes grandeurs 𝑣𝑠 𝐼𝑠 𝑖𝑠 −𝐼𝑠 25 Redressement sur circuits triphasés Redressement double alternance commandé Trois types de montages redresseurs On distingue trois types de montages : 1. Pq : montages avec source en étoile et un seul commutateur ou redresseur "simple alternance" ; 2. PDq : montages avec source en étoile et deux commutateurs ou redresseurs "en pont"; 3. Sq : montages avec source en polygone et deux commutateurs ou redresseurs "en pont" avec source polygonale. 26 Redressement sur circuits triphasés Redressement double alternance non commandé Redresseurs type parallèle P3 Partie primaire du transformateur Partie secondaire du transformateur Hypothèses: Les diodes sont supposées idéales et le courant à la sortie du montage redresseur continu (charge fortement inductive). On supposera également négligeable l'inductance ramenée au secondaire du transformateur. 27 Redressement sur circuits triphasés Redressement double alternance non commandé Redresseurs type parallèle P3 Les tensions d’entrée sont définis comme suit 𝑣1 = 𝑣 2 sin(𝜔𝑡) 2𝜋 𝑣2 = 𝑣 2 sin 𝜔𝑡 − 3 4𝜋 𝑣3 = 𝑣 2 sin 𝜔𝑡 − 3 A un instant donné, la diode qui est reliée au potentiel le plus élevée est passante (Seule la diode dont l'anode est au plus haut potentiel peut conduire), et les autres sont bloquées. 𝑣𝑑 On a donc: 𝑣𝑑 𝑣𝑑 𝑣𝑑 = sup 𝑣1 , 𝑣2 , 𝑣3 = 𝑣1 𝑠𝑖 𝑣1 > 𝑣2 𝑒𝑡𝑣3 = 𝑣2 𝑠𝑖 𝑣2 > 𝑣1 𝑒𝑡 𝑣3 = 𝑣3 𝑠𝑖 𝑣3 > 𝑣1 𝑒𝑡 𝑣2 28 Redressement sur circuits triphasés Redressement double alternance non commandé Redresseurs type parallèle P3 𝑫𝒆 𝟎 à 𝑻 𝟏𝟐 𝒗𝟑 > 𝒗𝟏 𝒆𝒕 𝒗𝟐 vd D3 est passante La tension au borne de la charge est donnée par: vd = v3 Les tensions inverses au bornes des diode D1, D2 et D3 sont données par: 𝑣𝑑1 = 𝑣1 − 𝑣3 = 𝑢13 𝑣𝑑2 = 𝑣2 − 𝑣3 = 𝑢23 𝑣𝑑3 = 0 29 Redressement sur circuits triphasés Redressement double alternance non commandé Redresseurs type parallèle P3 30 Redressement sur circuits triphasés Redressement double alternance non commandé Redresseurs type parallèle P3 De 𝑻 𝟏𝟐 à 𝟓𝑻 𝟏𝟐 𝒗𝟏 > 𝒗𝟐 𝒆𝒕 𝒗𝟑 D1 est passante La tension au borne de la charge est donnée par: vd = 𝑣1 Les tensions inverses au bornes des diode D1, D2 et D3 sont données par: vd 𝑣𝑑2 = 𝑣2 − 𝑣1 = 𝑢21 𝑣𝑑3 = 𝑣3 − 𝑣1 = 𝑢31 𝑣𝑑1 = 0 31 Redressement sur circuits triphasés Redressement double alternance non commandé Redresseurs type parallèle P3 vd 32 Redressement sur circuits triphasés Redressement double alternance non commandé Redresseurs type parallèle P3 De 𝟓𝑻 𝟏𝟐 à 𝟑𝑻 𝟒 𝒗𝟐 > 𝒗𝟏 𝒆𝒕 𝒗𝟑 D2 est passante La tension au borne de la charge est donnée par: vd = 𝑣2 vd Les tensions inverses au bornes des diode D1, D2 et D3 sont données par: 𝑣𝑑1 = 𝑣1 − 𝑣2 = 𝑢12 𝑣𝑑3 = 𝑣3 − 𝑣2 = 𝑢32 𝑣𝑑2 = 0 33 Redressement sur circuits triphasés Redressement double alternance non commandé Redresseurs type parallèle P3 vd 34 Redressement sur circuits triphasés Redressement double alternance non commandé Redresseurs type parallèle P3 De 𝟑𝑻 𝟒 à 𝟏𝟑𝑻 𝟏𝟐 𝒗𝟑 > 𝒗𝟏 𝒆𝒕 𝒗𝟐 D3 est passante La tension au borne de la charge est donnée par: vd = 𝑣3 vd Les tensions inverses au bornes des diode D1, D2 et D3 sont données par: 𝑣𝑑1 = 𝑣1 − 𝑣3 = 𝑢13 𝑣𝑑2 = 𝑣2 − 𝑣3 = 𝑢23 𝑣𝑑3 = 0 35 Redressement sur circuits triphasés Redressement double alternance non commandé Redresseurs type parallèle P3 vd 36 Redressement sur circuits triphasés Redressement double alternance non commandé 𝑹𝒆𝒅𝒓𝒆𝒔𝒔𝒆𝒖𝒓𝒔 𝒕𝒚𝒑𝒆 𝒑𝒂𝒓𝒂𝒍𝒍è𝒍𝒆 𝑷𝟑 : Valeurs moyennes Valeur de la tension moyenne v𝑑𝑚𝑜𝑦 1 = 𝑇 𝑇 v𝑑 𝑑𝑡 = 0 3 3𝑉𝑚 2𝜋 𝑎𝑣𝑒𝑐 𝑇 = 𝑇𝑒 3 Valeur moyenne du courant 𝑖𝐷1𝑚𝑜𝑦 = 𝐼𝑠 3 Valeur efficace du courant 𝑖𝐷1𝑒𝑓𝑓 = 𝑖𝐷2𝑒𝑓𝑓 = 𝑖𝐷3𝑒𝑓𝑓 = 𝐼𝑠 3 37 Fin Chapitre IV 38
