Le convertisseur continu - alternatif : Le convertisseur alternatif- alternatif

Ce dispositif ( Figure 1) permet de convertir une tension alternative à fréquence
fixe en une tension alternative à tension variable (gradateur) ou à fréquence variable
(cycloconvertisseur).

FIGURE 1 CONVERTISSEUR ALTERNATIF-ALTERNATIF

1. Le gradateur

Un gradateur est un dispositif qui permet de contrôler la puissance alternative fournie
à des charges résistives (fours électriques, système d’éclairage et des charges inductives
(moteur universel, moteurs asynchrones,etc.)

Ce convertisseur est réalisé à partir de triacs pour des charges de faible puissance ou
des thyristors pour des charges plus élevées. On le retrouve pour des alimentations
monophasées et triphasées.

1.1. Le gradateur monophasé

En utilisant deux thyristors montés en parallèle inverse, nous pouvons contrôler la
puissance dans une charge résistive de zéro à sapleine puissance (Figure 2). Pour obtenir
des angles d’amorçage égaux , il faut appliquer à chaque thyristor des signaux de gachette
isolés et déphasés de 180°. Le sigal de commande peut varier de 0°à 180°.

FIGURE 2 GRADATEUR MONOPHASÉ

La valeur efficace de la tension aux bornes d’une charge résistive est donnée par l’équation

α: angle d’amorçage compris entre 0°et 180°

Exemple

Un gradateur monophasé est alimenté par une source de 220 volts à 50hz. Calculez la tension
efficace et la puissance débitée dans une charge de 10Ω, pour un angle de 90°.

Solution

1.2.Le gradateur triphasé

Le gradateur triphasé est constitué de trois groupes de deux thiristors montés en
parallèle-inverse (Figure 3). Ces groupes de thyristors peuvent alimenter des charges
branchées en étoile ou en triangle. Pour permettre au courant de circuler dans les charges,
deux thyristors doivent-être simultanément à l’état passant soit : Th1 avec Th5 ou Th3 avec
Th2. Afin d’avoir un bon fonctionnement, chaque thyristor doit recevoir une deuxième
impulsion déphasée de 60°après la première impulsion. Les formes d’ondes pour un signal
d’amorçage de 100°sont illustrées à la Figure 4.

FIGURE 3

FIGURE 4 FORME D’ONDE POUR UN GRADATEUR TRIPHASÉ

1.3. Application des gradateurs

On retrouve des gradateurs pour les systèmesà vitesse variable dans des installations
telles que les engins de levage où le rendement n’est pas une contrainte, étant donné la
fréquence et la durée de leur utilisation.
Notons que le démarrage se fait facilement à tension croissante et n’entraîne donc pas
de surintensité dans le moteur. Cette propriété des gradateurs est aussi utilisée dans des
systèmes de démarrage et de freinage de moteurs de grande puissance (>30kw).On le
retrouve dans l’industrie sous le nom de démarreur ralentisseur ou <softstart>tel que
l’Altistart de la compagnie Télémécanique .

On utilise aussi les gradateurs pour l’alimentation des moteurs monophasés universels
qu’on utilise dans plusieurs appareils ménagers ou de bricolage à vitesse variable.

2. Le cycloconvertisseur

Le cycloconvertisseur est un système de conversion statique qui, à partir d’un réseau
alternatif d’une fréquence donnée, fournit à une charge du courant alternatif à une fréquence
plus basse et variable. On retrouve des cyclovonertisseurs monophasés et triphasés.

Le principe de fonctionnement est expliquéà partir du montage de la Figure 5. Le
cycloconvertisseur est constitué par six thyristors montés en parallèle inverse et alimentés par
un transformateur à prise médiane. Les thyristors Th1 et Th3 forment le groupe convertisseur
positif alors que Th2 et Th4 constituent le groupe négatif.

Les thyristors Th1 et Th3 sont amorcés à chaque alternance, pour un total de septs
impulsions (Figure 6). Par la suite, les thyristors Th2 et Th4 du groupe négatif sont amorcés
le même nombre de fois et avec le même retard. La tension de sortie est ainsi formée de la
juxtaposition de fractions de sinusoïdes successives qui proviennent de la tension d’entrée.

 La fréquence de la tension à la charge est égale à 1/7 de la fréquence d’entrée. Le même principe
de fonctionnement s’applique pour les cycloconvertisseurs triphasés.

FIGURE 5 CYCLOCONVERTISSEUR MONOPHASÉ

FIGURE 6 FORME D’ONDE D’UN CYCLOCONVERTISEUR MONOPHASÉ

2.1. Les application des cycloconvertisseurs

On retrouve les cycloconvertisseurs comme variateurs de vitesse pour les moteurs
synchrones et asynchrones de forte puisance (de 1,5Mw et plus) et tournant à des vitesses très
lentes. Les fréquences utilisées se situent entre 0HZ et 20HZ.

Citons, à titre d’exemple, les moteurs des machines d’extraction minière, les moteurs
d’entraînement des broyeurs à ciment, les moteurs à propultion de navires, etc.

Le convertisseur continu - alternatif : Application d’un variateur à fréquence variable

L’application qui suit donne l’avantage d’utiliser un variateur de vitesse dans une station de
pompage.

1 Station de pompage avec réducteur de pression, sans variateur

Afin de conserver une pression du réseau (Pr) constante ( Figure 1), le réducteur
de pression s’ajuste en fonction de la demande des usagers et la pompe fonctionne à
plein régime tout le temps. L’excès d’eau est renvoyé au réservoir d’origine, d’où il en
résulte une perte d’énergie.

FIGURE 1 STATION DE POMPAGE SANS VARIATEUR

 

2 Station de pompage avec variateur

Dans ce cas, la régulation de la pression du réseause fait à l’aide du capteur de pression et du
variateur de vitesse(Figure 2). Celui-ci délivre au moteur la puissance nécessaire afin de
s’ajuster à la demande, d’où il en résulte une économie d’énergie. 

FIGURE 2 STATION DE POMPAGE AVEC VARIATEUR

Le convertisseur continu - alternatif : Variateur de vitesse ALTIVAR

Le variateur de vitesse ALTIVAR de Télémécanique (Figure 1) est un convertisseur
 de fréquence destiné à l’alimentation des moteurs asynchrones triphasés à cage,
dans une gamme de puissance de 500w à 100Kw selon le modèle. Ils fonctionnent suivant le
principe MLI. Cette technique assure une rotation des moteurs régulière et sans à coup à basse
vitesse.

L’Altivar 16 est munis d’un microprocesseur 16 bits qui est l’organe de contrôle, et l’onduleur
est un IPM. La programmation des paramètres de réglage et de configuration est réalisée à
partir d’un logiciel qui chargée dans le variateur à l’aide d’une interface. RS232

FIGURE 1 VARIATEUR DE VITESSE ALTIVAR 16

Les paramètres de réglage standard sont :
•  l’accélération ;
•  la décélération ;
•  la vitesse minimum ;
•  la vitesse maximum ;
•  le rapport tension/fréquence ;
•  la protection thermique ( Ith).

1 Caractéristiques électriques

La Figure 2 donne les caractéristiques du variateur pour différentes puissances de
moteurs.

FIGURE 2 CARACTÉRISTIQUES ÉLECTRIQUES 

2 Raccordement du variateur

Le variateur peut être alimenté à partir d’un réseau triphasé de 380V ou 220V
monophasé selon la puissance (Figure 3).

La consigne de vitesse peut être donnée à partir d’un potentiomètre de 2KΩou d’un
signal de procédé (4-20) mA.

Le sens de marche est établi par des contacts extérieurs pouvant être des interrupteurs,
des relais ou un automate programmable. Des contacts de relais (internes aux variateurs)
donnent l’état de celui-ci (ils sont utilisés pour signaler à distance l’état du variateur).

Un module de freinage et une résistance peuvent être rajoutés aux variateurs dans le
cas de freinage excessif (charge à forte inertie). Ceci empêche que l’énergie soit absorbée par
le variateur durant la période de freinage. Enfin, il est recommandé d’utiliser un filtre entre
l’alimentation et le variateur, et un autre entre le variateur et le moteur pour éliminer le bruit
et les harmoniques qui sont engendrés par le découpage à haute fréquence du signal de sortie.

FIGURE 3 RACCORDEMENT DU VARIATEUR

3 Loi tension- fréquence

En plus des réglages de base, il est possible de programmer trois types différents de
lois tension-fréquence, soit : n, p, l (Figure 4).
n : Applications courantes à couple constant (machines moyennement chargées à
p : Applications à couple variable (pompes, ventilateurs)
l : Machines fortement chargées à basse vitesse

FIGURE 4 COURBE TENSION-FRÉQUENCE

4 Maintenance du variateur de vitesse ALTIVAR 16

Le variateur de vitesse ALTIVAR 16 nécessite un minimum de maintenance. Le
variateur est muni d’une protection contre les courts-circuits, les surcharges, les surtensions et
les sous-tensions. Il est possible, en utilisant un module de visualisation (en option) ou le
logiciel, de voire les codes de défaut indiquant les différentes pannes. En cas de pannes, le
variateur se vérrouille et un indicateur lumineux sur le devant du variateur s’actionne. Le
tableau 5-2 indique les codes de défaut possibles avec les causes probables et les procédures
de dépannage.

Le convertisseur continu - alternatif : L’onduleur à fréquence variable

La méthode la plus utilisée pour varier la vitesse d’un moteur triphase est sans aucun
doute celle utilisée par l’onduleur autonome à fréquence variable.

Dans ce type de variateurs, différents montages sont utilisés, et chacun d’eux présente
des avantages et des inconvénients selon le domaine d’application. On retrouve :

•  l’onduleur autonome à source de tension ;
•  l’onduleur à modulation de largeur d’impulsion (M LI) .

1 L’onduleur autonome à source de tension

Ce variateur de vitesse est constitué d’un redresseur triphasé à thyristors complétement
commandés, suivi d’un filtre de tension (inductance et condensateur) et d’un onduleur
autonome à thyristors ou à transistors (Figure 1).

FIGURE 1 ONDULEUR À TENSION VARIABLE

Afin de maintenir un couple constant à la charge, le redresseur fournit à l’onduleur une
tension qui est proportionnelle à la fréquence.  Le rapport entre la tension et la fréquence est
un paramètre qu’il est possible d’ajuster selon l’application..

La Figure 2 montre la courbe tension-fréquence pour un fonctionnement normal, la
tension augmente de façon linéaire jusqu’à la fréquence nominale (50H) et reste constante au-
dessus de 50Hz. De 0 à 50Hz, on a un fonctionnement en couple constant et lorsque la
fréquence est supérieure à 50Hz, le couple diminue mais la puissance reste constante.

FIGURE 2 COURBE TENSION-FRÉQUENCE

La commutation de l’onduleur autonome produit aux bornes du moteur une tension alternative de 

forme rectangulaire. La durée de chaque alternance est de 120°, et l’amplitude augmente

avec la fréquence.

La Figure 3 représente la forme d’onde entre deux phases du moteur.

FIGURE 3 FORME D’ONDE DE SORTIE D’UN ONDULEUR À TENSION VARIABLE

L’action de l’onduleur peut être simulé par trois interrupteurs de la Figure 4. La
séquence d’ouverture et de fermeture qui est réglée par l’unité de commande est donné au
Tableau 5.1. La séquence de commutation se fait en6 étapes (intervalle de 60°), après quoi le
cycle recommence. Les tensions alternatives qui en résultent sont montrées à la Figure 5.

FIGURE 4 CIRCUIT ÉQUIVALENT DE L’ONDULEUR

FIGURE 5 TENSION AUX BORNES DU MOTEUR 

Ce système d’entraînement permet de faire varier simultanément la vitesse de
plusieurs moteurs. Il peut alimenter des moteurs asynchrones et synchrones. Dans ce dernier
cas, on peut faire varier la vitesse d’un groupe de moteurs avec grande précision.

En pratique, la vitesse est variable dans un rapport de 1 à 10. Les moteurs ont une
capacité typique comprise entre 15Kw et 230Kw.

2 L’onduleur autonome à modulation de largeur d’impulsion (MLI)

Les onduleurs à source de tension génèrentdes tensions et des courants dont la
composante harmonique est relativement élevée. Ces harmoniques produisent des couples
pulsatifs. Quand le moteur tourne à une vitesse relativement élevée, ces pulsations sont
amorties par l’inertie mécanique. Cependant, à basse vitesse, elles peuvent produire une
vibration considérable. Dans certaines applications, comme les machines outils, ces vibrations
sont inacceptables si la haute précision  est recommandée. Dans ce cas, un système
d’entraînement utilisant un onduleur à modulation de largeur d’impulsion (MLI) est la
solution.
Ce type de variateur est composé (Figure 6) d’un pont redresseur qui produit une
tension constante, d’un filtre et d‘un onduleur à thyristor ou à transistor. Grâce aux signaux
émis par l’unité de commande d’allumage, l’onduleur génère une série d’impulsions de
tension positives d’amplitude constante, suivies par une série d’impulsions semblables mais
de signe contraire (Figure 7). La largeur de ces impulsions et les intervalles les séparant
sont ajustés de sorte que la forme d’onde se rapproche d’une sinusoïde. À basse fréquence, les
impulsions sont moins larges ce qui donne une tension efficace moins grande permettant de
garder le rapport tension fréquence constant.

FIGURE 6 ONDULEUR MLI

FIGURE 7 FORME D’ONDE DE SORTIE D’UN ONDULEUR MLI

La commande de l’onduleur MLI est effectuée par ordinateur. Le logiciel tient
compte de l’amplitude et de la fréquence désirées, et ajuste la largeur et le nombre
d’impulsions en conséquence, de façon à optimiser la performance du moteur. La fréquence
de découpage ou porteuse peut être supérieure à 10 Khz dans certain variateur. On utilise ce
type d’entraînement pour commander les moteurs d’induction dont la puissance est comprise
entre 500w et 500Kw. Le rapport des vitesses peut être aussi élevé que 100 à 1.
Les variateurs à MLI de basse puissance utilisent des transistors IGBT « Insulated
Gate Bipolar Transistor ».  Leur circuit équivalent correspond à un transistor bipolaire
combiné à un transistor MOS (Figure 8). Ce transistor permet une réponse en fréquence
jusqu’à 20Khz. et peut supporter des courantspouvant atteindre 600A. Il existe des ponts
onduleurs à six transistors de puissance IGBT. Ces ponts sont appelés IPM « Intelligent
Power Module » (Figure 9).

FIGURE 8 SYMBOLE D’UN TRANSISTOR IGBT

FIGURE 9 MODULE IPM

Remarque: Il est important de souligner qu’un onduleur autonome peut fournir une puissance
active et une puissance réactive à la charge. Par contre, un onduleur non autonome absorbe
toujours de la puissance réactive du réseau auquel il est connecté.

Le convertisseur continu - alternatif : Application des onduleurs autonomes

Les onduleurs autonomes à fréquence fixe sont surtout utilisés dans les alimentations
de sécurité qui se subtituent automatiquement au réseau alternatif en cas de panne de courant.
Ces alimentations de secours sont appellées UPS (Uninterruptible Power Supplies).
La Figure 1 donne le schéma de principe d’un UPS.

FIGURE 1 ALIMENTATION DE SECOURS (UPS)

Le système comprend :

•  Un redresseur chargeur régulé qui charge la batterie d’accumulateurs, tout en fournissant le
courant nécessaire à l’onduleur.
•  Une batterie d’accumulateurs qui assure le fonctionnement autonome de l’onduleur lorsque
le réseau alternatif est interrompu.
•  Un onduleur autonome qui fournit une tension de sortie alternative sinusoïdale régulée à la
fréquence de 50 Hz avec un taux d’harmoniques qui est inférieur à 5%.
•  Des commutateurs électromécaniques qui permettent de relier le réseau ou l’onduleur à la
charge.
•  Un générateur diesel qui démarre après un court délai lors de la panne de courant et qui
s’arrête lorsque le courant est rétabli.

Les alimentations de secours sont surtout utilisés pour alimenter des équipements qui
requièrent un fonctionnement permanent. Les applications les plus courantes sont :

•  l’alimentation d’ordinateurs ;
•  les systèmes de guidage d’avion (radio, radar). ;
•  le fonctionnement des blocs opératoires dans les hôpitaux ;
•  l’éclairage de sécurité de salle de conférence ;
•  les circuits d’alarme contre les incendies.

Les onduleurs à fréquence variable sont surtout utilisés dans :

•  La commande de vitesse des moteurs alternatifs généralement asynchrones.
•  l’alimentation d’ozoneurs, de générateurs à ultra son et de fours à induction.

Le convertisseur continu - alternatif : Onduleurs triphasés autonomes

La Figure 1 représente le montage de principe (sans les circuits de commande des
thyristors) d’un onduleur triphasé autonome qui peut alimenter des charges triphasées
équilibrées qui sont groupées en étoile ou en triangle. Dans ce montage, trois thyristors sont
en conduction à chaque instant. Deux thyristors d’un même bras Th1 et Th4 sont amorcés à
180° de décalage. Les thyristors des bras voisins sont amorcés à 120° de décalage des autres
bras. La tension de sortie résultante est en forme de créneaux et déphasée de 120°.

FIGURE 1 ONDULEUR AUTOMOME TRIPHASÉ AVEC THYRISTORS

Pour des puissances plus petites, on peut remplacer les six thyristors par des transistors
(Figure 2) qui ne nécessitent pas de circuits d’extinction utilisés avec les thyristors.

FIGURE 2 ONDULEUR AUTOMOME TRIPHASÉ AVEC TRANSISTORS

Le convertisseur continu - alternatif : L’onduleur monophasé

1 : L’onduleur monophasé à thyristors et transformateur

L’onduleur de la Figure 1 comprend deux thyristors, un transformateur à point
milieu, un condensateur de commutation C et une inductance série L. Les deux thyristors,
Th1 et Th2, sont à l’état passant à tour de rôle, ce qui produit des impulsions de courant de
sens inverse, I1 et I2, dans les deux moitiés du primaire du transformateur. On obtient, au
secondaire du transformateur, une tension alternative de forme rectangulaire (Figure 2).

 Le condensateur de commutation C empêche les deux thyristors de laisser passer le courant
en même temps, de sorte qu’il provoque le blocage d’un thyristor lorsque l’autre s’amorce.

L’inductance de lissage L tend à garder un courant constant dans le circuit.

Il en résulte que les courants I1 et I2 sont égaux et de forme rectangulaire.
Pour faire varier la fréquence de l’onduleur, il suffit de changer la fréquence des signaux
appliqués sur les gachettes. On peut obtenir une fréquence comprise entre quelques
hertz et 5 Khz, selon les caractéristiques du transformateur et des thyristors.

 

FIGURE 1 ONDULEUR AU TONOME MONOPHAS É

 FIGURE 2 FORME D’ONDE D’UN ONDULEUR MONOPHASÉ

2 : L’onduleur monophasé en pont

L’onduleur monophasé en pont de la Figure 3 comprend quatre thyristors ou quatre
transistors utilisés comme interrupteurs électroniques ainsi que quatre diodes de récupération
montées en parallele inverse aux bornes des thyristors. Les circuits de blocage des thyristors
ne sont pas représentés sur la figure..

 

 FIGURE 3 ONDULEUR MONOPHASÉ EN PONT

Commande symétrique

Dans le cas d’une commande symétrique (Figure 4), l’amorçage des thyristors Th1 et Th4 a
lieu en même temps, et il en est de même pour Th2 et Th3. La tension de sortie est
rectangulaire, et sa valeur efficace est égale à E.

FIGURE 4 FORME D’ONDE POR UNE COMMANDE SYMÉTRIQUE

Commande décalée

Dans le cas d’une commande décalée, les quatre thyristors sont amorcés et bloqués selon la
séquence indiquée à la Figure 5. La tension de sortie est égale à E lorsque Th1 et Th4
laissent passer le courant en même temps, et elle est égale à -E quand Th3 et Th2 sont à l’état
passant en même temps. Il y a deux intervalles durant lesquels la tension de sortie est nulle.
La tension de sortie a la forme de créneaux séparés par des intervalles dont la largeur est
ajustable. En variant l’angle de décalage, on fait varier la valeur efficace.

FIGURE 5 FORME D’ONDE POR UNE COMMANDE DÉCALÉE

Le convertisseur continu - alternatif : Classification des onduleurs autonomes

Les onduleurs autonomes se classent en deux groupes :

•  Onduleurs à fréquence fixe :ceux-ci sont utilisés comme alimentation de sécurité dans les
centre hospitaliers, les centrales téléphoniques, les ordinateurs, etc. Ces onduleurs sont
alimentés à partir d’une batterie d’accumulateurs.

•  Onduleurs à fréquence variable : ceux-ci sont alimentés en courant continu à partir du
réseau alternatif par l’intermédiaire d’un redresseur. Ils fournissent des tensions de
fréquence et d’amplitude variables utilisées pour contrôler la vitesse de moteurs à courant
alternatif.

Les onduleurs autonomes se classent aussi d’après la forme d’onde de leur tension de sortie :

•  Onduleurs à onde rectangulaire(Figure 1) : L’onde de sortie est rectangulaire.

L’amplitude de l’onde de sortie dépend de la valeur de la tension d’entrée.

FIGURE 1 FORME D’ONDE RECTAN GULAIRE

•  Onduleurs en créneaux de largeur variable(Figure 2) : L’onde de sortie est
constituée par des créneaux rectangulaires alternatifs et séparés par une zone morte à
tension nulle. La tension de sortie varie si on agit sur la durée des créneaux.

FIGURE 2 FORME D’ONDE EN CRÉNEAUX

•  Onduleurs à modulation d’impulsion (PWM) (Figure 3). L’onde de sortie est formée
de trains d’impulsions positifs et négatifs, de largeur et d’espacement variable. La résultante
de la forme de sortie se rapproche d’une sinusoïde.

FIGURE 3 FORME D’ONDE À MODULATION DE LARGEUR D’IMPULSION

Le convertisseur continu - alternatif (l’onduleur)

Un onduleur est un convertisseur statique capable de transformer l’énergie d’une
source de tension continue en une tension alternative. Il s’agit d’un dispositif électronique
qui accomplit la fonction inverse du redresseur (Figure 1). Nous distinguons deux grandes
catégories d’onduleurs : les onduleurs autonomes et les onduleurs non autonomes.

Les onduleurs autonomes(ou oscillateurs) sont capables de générer leur propre fréquence et
leur propre tension alternative.Dans ces ondulers la commutation des tyristors est forcée.

Les onduleurs non autonome sont la particularité que la fréquence et la tension alternative
sont imposées par le réseau qu’ils alimentent.Dans ces onduleurs la commutation est
naturelle(dans le sens que ce sont les tensions alternatives du réseau qui effectuent le transfert
du courant d’un thyristor à l’autre).

On traitera dans ce chapitre uniquement des onduleurs autonomes.

FIGURE 1 REDRESSSEUR CONTINU-ALTERNATIF

Le convertisseur continu - continu : Les applications des hacheurs

Les hacheurs sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles, surtout dans
le domaine de la traction électrique. Ils alimentent et contrôlent la vitesse des moteurs à
courant continu qui équipent les locomotives électriques, les métros et les véhicules à batterie
d’accumulateurs (charriots élévateurs, voitures électriques et locomotives de mines).

Les hacheurs de petite puissance ( 0 à 100KW) sont généralement employés dans les
véhicules électriques à batteries. Les hacheurs de puissance > 100KW sont utilisés dans les
locomotives électriques qui fonctionnenet à partir d’un réseau à courant continu (circuit
redresseur).

Le convertisseur continu - continu : Le hacheur survolteur

Le schéma de principe d’un hacheur survolteur est illustré à la Figure 1. Le thyristor
qui joue le rôle de commutateur statique est placé en parallèle avec la charge. Lorsque th1 est
à l’état passant, la bobine se charge à travers l’alimentation. Lorsque th1 bloque, la tension
appliquée à la charge devient la somme de la tension de la bobine et de la source. La tension
de sortie nous est donnée par l’équation .
On retrouve ce hacheur dans certaines commande de moteurs qui permettent la récupération
d’énergie sur le réseau, pendant la période de freinage du moteur.

FIGURE 1 HACHEUR SURVOLTEUR

l’équation

Le convertisseur continu - continu : Le hacheur dévolteur

  La figure 1 représente le schéma de principe d’un hacheur dévolteur muni d’un filtre
de sortie LC, qui débite un courant dans une charge résistive. L’ouverture et la fermeture
périodique de l’interrupteur S permet de hacherla tension continue d’entrée pour produire une
tension de sortie variable. L’inductance réduit l’ondulation du courant de charge et le
condensateur C maintient la tension de sortie sensiblement continue. La diode assure la
continuité du courant dans la charge lorsque l’interrupteur est ouvert. La forme d’onde à la
sortie du hacheur est montrée à la Figure 2

FIGURE 1 LE HACHEUR DÉVOLTEUR

 FIGURE 2 FORME D’ONDE À LA SORTIE D’UN HACHEUR DÉVOLTEUR

La tension de sortie est donnée par l’équation :

L’amorçage des thyristors alimentés en courant continu ne présente pas de difficulté
particulière. Par contre, leur désamorçage nécessite des circuits supplémentaires de blocage.
Il existe de nombreux dispositifs hacheurs qui se différencient les uns des autres par
leur circuit de blocage. Le rôle de ce circuit est de forcer l’extinction du thyristor principal à
la fin du temps de conduction. La Figure 3 représente un hacheur dévolteur dont le
thyristor principal (Th1) est bloqué à l’aide d’un thyristor auxiliaire (Th2) et d’un circuit LC.

FIGURE 3 HACHEUR DÉVOLTEUR AVEC SON CIRCUIT DE DÉSAMORÇAGE

Pour pemettre au condensateur de se charger M(+) et N(-), le thyristor Th2 doit être
amorcé le premier, alors Th1 est à l’état bloqué. Lorsque le condensateur est chargé, le
thyristor Th2 se bloque. Quand Th1 est amorcé, le courant circule dans la charge, et le
condensateur se charge dans l’autre polarité à travers L et D. Lorsque le thyristor Th2 est
amorcé, une tension négative est appliquée sur Th1 par le condensateur, et Th1 se bloque. Et
ensuite le cycle recommence.

Le convertisseur continu-continu (le hacheur)

Le convertisseur continu - continu (le hacheur)

Le hacheur est un commutateur statique constitué de thyristors ou de transistors qui
permet de transformer une tension continue fixe en une autre tension continue variable.

FIGURE  1 CONVERTISSEUR CONTINU-CONTINU

On distingue deux types de hacheurs couramment utilisés :
•  les hacheurs dévolteurs : ceux-ci fournissent, avec un excellent rendement, une tension
continue de sortie dont la valeur est inférieure à celle de la tension continue d’entrée.
•  les hacheurs survolteurs : ceux-ci permettent d’obtenir une tension de sortie supérieure à la
tension d’entrée.

Le convertisseur alternatif-continu

Le convertisseur C.A à C.C nous donne, à partir d’une source de tension alternative
monophasée ou polyphasée, une tension continue quipeut être fixe ou variable (Figure 1).

FIGURE 1 CONVERTISSEUR ALTERNATIF-CONTINU

1. Le redresseur à tension fixe en commutation naturelle à base de diodes

1.1. Le redresseur fixe monophasé

Le redresseur fixe ou non commandé contient seulement des diodes produisant ainsi
une tension continue fixe à sa sortie.

On retrouve deux types de redresseurs monophasés, soit:
A) le redresseur simple alternance ou demi-onde;
B) le redresseur double alternance ou pleine-onde.

A) Le redresseur simple alternance

Le redresseur simple alternance est composé d’une seule diode ( Figure 2) et la tension
moyenne à la charge nous est donnée par l’équation 2.1 : D

FIGURE 2 REDRESSEUR MONOPHASÉ SIMPLE ALTERNANCE

                Vo moy = Emax /π


B) Le redresseur double alternance en pont

Ce redresseur est réalisé à partir de quatre diodes montés en pont (Figure 3) et la tension
moyenne à la charge est donnée par l’équation 2.2 :

FIGURE 3 REDRESSEUR MONOPHASÉ DOUBLE ALTERNANCE

                     Vo moy = 2Emax/π

1.2. Le redresseur fixe triphasé

Le redresseur monophasé est limité à des puissances pouvant atteindre 10Kw. Pour
alimenter des puissamces supérieures à cette valeur, on utilise des redresseurs triphasés, comme :

A) Le redresseur en étoile à simple alternance;
B) Le redresseur en pont.

A) Le redresseur triphasé à simple alternance

Le redresseur triphasé en montage étoile, représentée à la Figure 4, comprend un
transformateur triphasé dont les enroulements primaires sont branchés en triangle et les
enroulements secondaires sont branchés en étoile. Une diode est placée sur chaque phase et la
charge résistive est branchée entre le point commun des cathodes des diodes D1, D2, D3 et le
point neutre. Chaque diode conduit sur un intervalle de 120°. Elle laisse passer le courant
dans l’intervalle de temps où la tension de sa phase est supérieure aux deux autres (Figure
5). Le courant moyen dans chaque diode équivaut au tiers du courant de charge et la
fréquence du signal de sortie est égale à trois fois le signal d’entrée.
Ce redresseur est employé que pour des montages industriels de petites puissances.

FIGURE 4 REDRESSEUR TRIPHASÉ SIMPLE ALTERNANCE

 FIGURE 5 FORME D’ONDE D’UN REDRESSEUR TRIPHASÉ SIMPLE ALTERNANCE

Valeurs caractéristiques des tensions et courants:

La valeur moyenne de tension à la charge est donnée par l’équation 2.3 :

B) Le redresseur triphasé en pont

Le redresseur triphasé en pont (Figure 6) est un des circuits redresseurs industriels
les plus efficaces, il peut être considéré comme redresseur simple alternance à anode
commune et cathode commune montés en « tête-bêche ».

FIGURE 6 REDRESSEUR TRIPHASÉ EN PONT

Considérons la représentation graphique des tensions triphasés d’alimentation (Figure
7). Quand la tension de phase e1est supérieure aux tensions e2et e3, la diode D1 conduit,
et les diodes D2 et D3 sont à l’état bloqué. De même la diode D6 conduit, et les diodes D5 et
D6 sont bloquées.

Le même raisonnement s’applique lorsque la tension e2est supérieure aux deux (2) autres.
Chaque diode conduit pendant un intervalle de 120°. À titre d’exemple, la diode D1 conduit
60°avec D4 et 60°avec D5. Le courant moyen dans chaque diode est égale au tiers du
courant de charge. La fréquence du signal à la sortie équivaut à six fois la fréquence
d’entrée.

Une bobine peut être rajoutée en série avec la charge pour diminuer le taux d’ondulation.

 

FIGURE 7 FORME D’ONDE D’UN REDRESSEUR TRIPHASÉ EN PONT

Valeurs caractéristiques des tensions et des courants:
La valeur moyenne de tension à la charge est donnée par l’équation 2.4 :

Vo moy = 1,65 E max (2.4)
E : tension de phase

2. Le redresseur à tension variable en commutation contrôlée à base de thyristors
(redresseur commandé)

Les redresseurs commandés permettent de contrôler la tension moyenne à la charge.
On les utilise surtout dans la commande des moteurs à courant continu pour varier la vitesse.
On retrouve les redresseurs commandés à simple et double alternance pour des tensions
monophasées et triphasées.

2.1. Le redresseur commandé monophasé

A) Le redresseur commandé monophasé à simple alternance

Pour varier la tension moyenne à la charge, on utilise un thyristor qui est déclenché à
partir d’un circuit de commande synchronisé sur le secteur (Figure 8). On utilise en général
la commande par rampe synchrone.

FIGURE 8 REDRESEUR COMMANDÉ SIMPLE ALTERNANCE

En l’absence de signal sur la gachette, le thyristor est à l’état bloqué. Si l’on applique une impulsion
sur la gachette durant le cycle positif, le thyristor conduit.Il bloque lorsque la tension passe à zéro
et durant le cycle négatif .

Tension moyenne à la charge

La valeur moyenne de tension est donnée par l’équation 2.5 :

B) Le redresseur monophasé en pont semi-commandé

Dans le cas du redresseur en pont mixte avec deux thyristors et deux diodes
(Figure 9), les deux alternances sont contrôlées et le circuit nécessite des signaux de gachette
déphasés de 180°. On utilise un transformateur d’impulsion avec deux secondaires pour
réaliser l’amorçage.

La diode D5 est utilisée pour assurer le blocage des thyristors dans le cas d’une charge
fortement inductive (moteur électrique). Cette diode est aussi appelée (diode de roue libre.

FIGURE 9 REDRESSEUR EN PONT SEMI-COMMANDÉ

Tension moyenne à la charge:
La valeur de tension à la charge est donnée par l’équation 2.6 :

C) Le redresseur monophasé en pont complètement commandé

On peut réaliser un redresseur en pont enutilisant quatre thyristors (Figure 10). Ce
circuit nécessite l’utilisation de deux transformateurs d’impulsions avec chacun, deux
enroulements au secondaire.

À l’aide de ce redresseur, il est possible de fournir de l’énergie au réseau par l’intermédiaire du transformateur, à condition que l’angle d’amorçage soit supérieur à 90°et que la charge soit
fortement inductive comme dans le cas d’un moteur à courant continu en période de freinage.

FIGURE 10 REDRESSEUR EN PONT COMPLETEMENT COMMANDE

2.2. Le redresseur commandé triphasé

A) Redresseur commandé triphasé à simple alternance

Ce type de montage correspond à trois circuits redresseurs commandés monophasés à
simple alternance qui fontionnent les uns après les autres (Figure 11).

Le circuit de commande du redresseur doit envoyer, sur la gachette des thyristors des
impulsions décalés de 120°.

FIGURE 11 REDRESSEUR COMMANDÉ TRIPHASÉ À SIMPLE ALTERNANCE

Tension moyenne à la charge:

Lorsque l’angle d’amorçage est compris entre 0
°
et 30°, la tension à la charge n’est pas
interrompue. La tension moyenne à la charge est donnée par l’équation 2.7 :

Quand l’angle d’amorçage devient supérieur à 30°, la valeur moyenne est donnée par
l’équation 2.8 :

Dans le cas d’une charge fortement inductive, le circuit peut agir comme redresseur (Figure
12) pour un angle situé entre 0°et 90°, et comme onduleur (générateur )pour un angle au
dessus de 90°. Dans ce cas-ci, le circuit fournit de l’énergie au réseau (Figure 13).

Ce fonctionnement est utilisé en traction électrique lors du freinage des trains ;durant la
période de freinage , les moteurs à courant continu deviennent temporairement des
génératrices.

B) Redresseur triphasé en pont complètement commandé

Le redresseur en pont de la Figure 14 est constitué de six thyristors qui sont
déclenchés à tour de rôle. On observe (Figure 15) que le thyristor Th1 est amorcé quand la
phase e1est durant la période maximum; ensuite ,c’est au tour de Th2 d’être amorcé 60°plus
tard. Le même scénario se répète avec les thyristors Th3 et Th4. Dans le cas de charge inductive
 (moteur à courant continu, on branche une diode de roue libre en parallèle avec la charge.

Ce circuit est plus utilisé en industrie que le circuit précédent car il offre un meilleur
rendement

FIGURE  14 REDRESSEUR TRIPHASÉ EN PONT COMPLETEMENT COMMANDE

FIGURE 15 FORME D’ONDE POUR UN REDRESSEUR TRIPHASÉ EN PONT COMPLETEMENT COMMANDE

Tension moyenne à la charge
La tension moyenne à la charge est donnée par l’équation 2.9 :