Interrupteurs de puissances

Interrupteurs de puissances
L’électronique de puissance permet de faire une conversion d’énergie entre deux sources électriques
continues ou alternatives ; nous sommes donc à la frontière entre électrotechnique, où la notion de
rendement est primordiale, et électronique, où l’on va surtout s’intéresser à la forme du signal.
1 Différents types de convertisseurs
On distingue plusieurs type de convertisseur :
- les redresseurs, commandés ou non, qui réalisent une conversion d’une source alternative
vers une source continue (alimentation d’une MCC par exemple à partir du réseau de
distribution électrique) ;
- les onduleurs autonomes qui fournissent une tension alternative à partir d’une source continue
(alimentation d’un moteur synchrone à partir d’une batterie par exemple )
- les onduleurs assistés qui renvoient de l’énergie d’une source continue (une MCC
fonctionnant temporairement en génératrice par exemple) vers le secteur de distribution
d’énergie ;
- les onduleurs à résonance qui utilisent les propriétés d’un circuit résonant pour créer une
source sinusoïdale de fréquence fixe à partir d’une source continue (utilisé en chauffage
industriel par exemple) ;
- les gradateurs qui réalisent une conversion d’une source alternative vers une source
alternative sans changement de fréquence (commande d’éclairage par exemple) ;
- les cyclo-convertisseurs qui réalisent une conversion directe d’une source alternative vers une
autre source alternative de fréquence différente, en vue d’alimenter par exemple un moteur
asynchrone en vitesse variable ;
- les hacheurs qui font une conversion d’une source continue vers une autre (alimentation à
découpage par exemple).
La notion de rendement énergétique étant primordiale en électronique de puissance, on évitera tout
composant dissipatif dans la partie puissance du circuit, qui sera donc composé :
- de dipôles réactifs, inductance ou condensateur ;
- de composants actifs (diodes et transistors divers) fonctionnant en commutation.
Le principe de la conversion consiste à emmagasiner de l’énergie dans le circuit magnétique d’une
inductance ou dans le circuit diélectrique d’un condensateur, et de restituer cette énergie à une source
en changeant la topologie du circuit ; le changement de topologie est réalisé par la commutation des
composants actifs.
Le type de composants actifs dépend de la puissance mise en jeu ; d’une manière générale, plus
cette puissance est élevée, plus la fréquence de découpage est faible, le tandem « puissance
fréquence » constituant une limite technologique. Afin de caractériser les composants, on préfère
parler de pouvoir de coupure en V.A plutôt que de puissance (en W), ceux-ci étant en effet :
- soit bloqués, le courant les traversant étant alors nul,
- soit saturés, la tension à leurs bornes étant alors très faible,
le but étant d’avoir toujours la puissance dissipée dans le composant la plus faible possible.
La figure suivante donne une idée des composants utilisés suivant la gamme d’utilisation ; les diodes
employées systématiquement n’apparaissent pas sur ce graphique.
Denis Rabasté
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conversion continu-continu et alimentation à découpage
pouvoir de
coupure (kVA)
10 5
10 3
10
thyristor
1
GTO thyristor
IGBT
transistor
MOS
10 0
10 2
fréquence
de
commutation
(kHz)
10 4
2 Exemples d’applications sur hacheur abaisseur
2.1.1
Hacheur à transistor MOS (faible puissance, fréquence élevée)
L
T
Ve
C
D
commande
R
Vs
La commande est de type MLI (Modulation de largeur d’impulsion ou PWM : ¨Pulse Width
Modulation).
2.1.2
Hacheur à transistor IGBT (puissance moyenne, fréquence moyenne)
L
Ve
Vs
commande
Denis Rabasté
D
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conversion continu-continu et alimentation à découpage
La commande est de type MLI.
Exemple d’application : commande de moteur à courant continu de quelques kW.
2.1.3
Hacheur à thyristor (puissance moyenne, fréquence moyenne)
Th1
Ve
L
commande amorçage
(par gachette)
et blocage
(par Vak)
Vs
D
2.1.3.1 Le thyristor
Le thyristor est amorcé par une impulsion de courant, d’amplitude et durée suffisante, envoyée de la
gâchette vers la cathode, lorsque sa tension anode cathode est positive.
Le thyristor se bloque lorsque le courant d’anode s’annule
Dans cet exemple, le blocage se fait par l’application d’une tension Vak négative, ce qui provoque le
passage par 0 du courant.
Exemples d’applications : commande des moteurs à courant continu des premières générations de
T.G.V.
3 Redresseurs monophasés commandés
2
Q2
R
3
Q1
3
alimentation
alternative
2
1
Redresseur mixte (diodes thyristors)
1
3.1
2
2
L
1
D4
1
D3
La charge est ici un circuit RL série afin de simplifier. Dans la pratique, il s’agit généralement d’un
moteur à courant continu.
La tension de sortie du pont est une tension unidirectionnelle positive, dont l’amplitude (donc la
vitesse du moteur) est réglée par le temps de retard à l’amorçage des thyristors.
Denis Rabasté
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conversion continu-continu et alimentation à découpage
1
Redresseurs tout thyristor
1
3.2
2
3
Q2
R
3
Q1
alimentation
alternative
2
1
1
L
2
3
Q4
3
Q3
2
La charge est ici un circuit RL série afin de simplifier. Dans la pratique, il s’agit généralement d’un
moteur à courant continu.
La tension de sortie du pont peut être positive ou négative. L’amplitude (donc la vitesse du moteur) est
réglée par le temps de retard à l’amorçage des thyristors.
Le courant étant toujours de même signe ; lorsque la tension est négative, la machine à courant
continu fonctionne en génératrice et fourni de l’énergie au réseau. Ce fonctionnement peut être utilisé
pour freiner un moteur.
4 Redresseurs triphasés commandés
L’utilisation d’une alimentation triphasée permet de réduire l’ondulation de tension et de courant en
sortie.
1
D3
1
alimentation
triphasée
D2
1
D1
2
2
2
Dans le cas d’un pont mixte, la tension de sortie ne peut être que positive, la machine à courant
continu (modélisé ici par une force électromotrice en série avec une inductance) ne peut fournir
d’énergie à l’alimentation (pas de freinage possible).
L
1
D6
1
D5
1
D4
2
2
2
.
2
2
.
Q6
3
3
3
L
3
2
Q5
4/4
2
Q2
1
3
1
3
Q2
Q4
Denis Rabasté
2
1
2
Q1
1
alimentation
triphasée
1
1
Dans le cas d’un pont tout thyristor, la tension de sortie peut être négative
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conversion continu-continu et alimentation à découpage
5 Gradateur (convertisseur alternatif – alternatif)
CHARGE
R1
1
TRIAC
3
1
2
2
DIAC
alimentation
alternative
C1
5.1
Le triac
5.2
La diac
5.3
Fonctionnement du gradateur
Pour amorcer les triac, il faut envoyer une impulsion de courant, d’amplitude suffisante (voir
documentation constructeur) de la gâchette vers la cathode. Cette impulsion peut être positive ou
négative, de même que la tension anode cathode.
Le triac s’amorce cependant mieux si courant de gâchette et tension anode cathode sont de même
signe. Le triac se bloque lorsque son courant d’anode s’annule.
La Diac (diode for alternative current) devient passant lorsque la tension à ses bornes dépasse 32 V,
dans un sens ou l’autre. Une fois la diac passante, la tension à ses bornes chute alors à 22 V. La diac
se bloque lorsque le courant la tranversant s’annule.
Le circuit R1.C1 retarde la conduction de la diac d’un temps réglable par R1. La conduction de la diac
provoque le passage du courant dans la gachette du triac, qui s’amorce.
Sa tension anode cathode chute alors à 0 (ou presque) et la tension apparaît aux bornes de la charge.
Lorsque ce courant s’annule, le triac se bloque.
Remarque : la résistance R1 peut être connectée directement à l’alimentation.
Application : commande d’éclairage, de chauffage, vitesse variable sur petits moteurs asynchrones
(P<1 kW).
Denis Rabasté
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