Redressement commandé monophasé

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1 1- Le thyristor. Symbole : Redressement commandé monophasé Anode Propriétés électriqes : gâchette Vak cathode I Ig Vgk commande L état condcter o bloqé est en général déterminé par ne électroniqe de commande référencée à la cathode. I 3 1 Ih 2 Vrrm 0 Vdrm Vak Fonctionnement : - Si Vak<0, le thyristor est bloqé et I=0 (zone 1). - Si Vak>0 sans corant préalable dans la gâchette, le thyristor est bloqé (zone 2). - Si Vak>0 et q n corant Ig apparaît (eniron 100mA), la tension Vak s effondre et le thyristor s amorce (passage spontané de la zone 2 à la zone 3). nsite si I>Ih, le corant de gâchette Ig pet s annler, la condction entre anode et cathode persiste. Qand I<Ih, le thyristor se bloqe (passage en zone 1 o 2). Le thyristor pet s amorcer dans plsiers cas : - Si Vak>0 et Vak = Vrrm aec Ig = 0 le thyristor s amorce spontanément. - Si Vak>0 et dak/dt >(dak/dt)maxi donné par le constrcter, le thyristor s amorce spontanément. - Si Vak>0 et Ig>100mA, le thyristor s amorce spontanément. C est le fonctionnement normal por l tilisater car il pet maîtriser l amorçage par ne commande électroniqe. Condition de blocage d n thyristor : Si I<Ih le thyristor se bloqe mais il fat appliqer ne tension Vak négatie pendant le temps de recorement (tq) d thyristor por qe Vak pisse redeenir positie sans prooqer la remise en condction. Pendant tq le thyristor pet condire en inerse. Limites électriqes : L application de Vak<Vrrm détrit le composant. n condction le thyristor dissipe ne pissance qi tend à éleer la températre de jonction. A partir de 180 C le thyristor est détrit. A l amorçage si le di/dt et excessif, le thyristor est détrit Redressement-commandé.doc

2 Ordre de grander des paramètres por les thyristors d commerce: Vrrm = Vak de 50V à 2000V. I de 100mA à 2000A. Corant de gâchette permettant l amorçage de 10mA por les thyristors sensibles à 500mA por les thyristors standards. (dak/dt) maxi = 100V/µs. (di/dt) maxi = 100A/µs. Le temps de recorement tq = 100µs por les thyristors de redressement à 2µs por les thyristors ltra-rapides. 2- Redressement commandé mono-alternance. Hypothèses : thyristor parfait (ak = 0 en condction, ih = 0). Vak i = sinwt ig L = ak + = +Ldi/dt L amorçage ne pet se prodire qe si ak>. Si ak>0 et ig = 10mA le thyristor s amorce et sinwt = +Ldi/dt. i ig ak -- De 0 à ϕ le thyristor est bloqé et i = 0, =. A ϕ, ak>0 (car >), l implsion sr la gâchette amorce le thyristor. sinwt = +Ldi/dt et i agmente. Il fat qe l implsion de commande persiste jsq à ce qe i>ih. Qand i = 0 le thyristor se bloqe et =. A π+ϕ le thyristor ne s amorce pas malgré l implsion de commande car ak<0. La commande de l angle ϕ permet de régler la tension moyenne appliqée sr la charge Redressement-commandé.doc

3 3- Redresser commandé à dex sorces. Hypothèses : - thyristors parfaits (ak = 0 en condction, ih = 0). - L indctance L est forte, l ondlation d corant i est négligeable. i = I0. - La condction est contine et le régime est établi. Vak1 i1 T1 ig1 L i Vak2 i2 T2 ig2 i1 ig1=ig2 ak1 2-2 qations d circit : 2 = ak1 - ak2 = ak1 + = -ak2 - i = i1 + i2 = + Ldi/dt Redressement-commandé.doc

4 Jstification des tracés : Soit à wt=0 T2 condcter. Alors = -, i2 = I0, ak2 = 0, ak1 = 2. A wt = ϕ, ak1>0 aec ne implsion sr sa gâchette T1 s amorce. Alors T1 et T2 condisent simltanément et cort-circitent les sorces. Mais le corant de cort-circit tend à bloqer T2. De ϕ à (π+ϕ) T1 est condcter et T2 est bloqé. Donc = -, i1 = I0, i2 = 0, ak1 = 0, ak2 = -2. A wt = (π+ϕ), ak2>0 aec ne implsion sr sa gâchette T2 s amorce. Alors T1 et T2 condisent simltanément et cort-circitent les sorces. Mais le corant de cort-circit tend à bloqer T1. tc. Obserations : - Le corant appelé sr les sorces sinsoïdales a ne forme d onde carrée. - Tension moyenne en sortie <> = (1/π) ϕ π+ϕ dt = (2/π)cosϕ. - Réersibilité d conertisser : - Si 0<ϕ<π/2, <> >0 et la pissance sr la charge est positie. La pissance transite des sorces ers la sorce de la charge. La strctre fonctionne en redresser. - Si π/2<ϕ<π, <> <0 et la pissance sr la charge est négatie. La pissance transite de la sorce de la charge ers les sorces. La strctre fonctionne en ondler assisté. -Le montage est réersible dex qadrants. - Limite d fonctionnement en ondler : Cas où ϕ tend ers π. ak2 Fonctionnement normal Raté à l amorçage de T2 Les implsions sont appliqées sr les thyristors à ϕ, π+ϕ, 2π+ϕ, 3π+ϕ,.., mais par exemple à partir de 2π+ϕ la tension ak2 est insffisante por amorcer T2. Alors T1 demere condcter. La tension de sortie deient sinsoïdale! C est la perte de contrôle de l ondler. Il s en sit ne brtale agmentation d corant i et la destrction d n élément. n effet <> passe d ne aler proche de 2/π à zéro donc di/dt agmente et le corant i croît. Por éiter ce risqe de perte de contrôle il fat créer ne btée électroniqe dans l élaboration des implsions de commande et faire arier ϕ de 0 à 5π/6 par exemple Redressement-commandé.doc

5 - Condition d amorçage a démarrage et en condction discontine : Por pooir amorcer les thyristors qand i = 0 il fat qe ak soit positif et donc qe soit inférier à = sinϕ. L application d n train d implsions (tel qe ci-dessos) a lie d ne sele permet de résodre ce problème. ig 0 ϕ 2π+ϕ wt - n condction discontine les formes d ondes deiennent : i ig1=ig2 Remarqes à propos de la condction discontine : n régime établi <Ldi/dt> = 0, donc = <>. Pls l angle de condction est faible, pls la aler de et de <> s élèent. Aec > <> > (2/π)cosϕ. L implsion de commande ne prodit l amorçage qe si cosϕ >. - Caractéristiqes électriqes en sortie d redresser : <> ϕ < π/2 0 Im I0 ϕ > π/2 condction discontine condction contine Por n corant moyen pls faible qe Im, la condction est interrompe. La tension de sortie ne dépend pls de la sele ariable de commande ϕ. Dans n système asseri ceci pose soent des problèmes d instabilité. On pet rédire Im en agmentant l indctance de la charge L Redressement-commandé.doc

6 4- Redresser commandé en pont de graëtz tot thyristor. Hypothèses : - Thyristors parfaits (ak = 0 en condction, ih = 0). - L indctance L est forte, l ondlation d corant i est négligeable. i = I0. - La condction est contine et le régime est établi. I0 is i1 i2 T1 1 T2 2 L T3 3 T4 4 i3 i4 i1=i4 I0 is I0 -I0 1 = 4 - qations d circit : Is = i1 i3 = i4 i2 = 1 2 = 4 3 = -1 3 = -2 4 i = i1 + i2 = i3 + i4 = + Ldi/dt Redressement-commandé.doc

7 Jstification des tracés : Soit à wt=0 T2 et T3 condcters. Alors = -, i2 = I3 = I0, 2 = 3 = 0, 1 = 4 =. A wt = ϕ, 1 et 4>0 aec ne implsion sr ler gâchette T1 et T4 s amorcent. Alors T1, T4 et T2, T3 condisent simltanément et cort-circitent la sorce. Mais le corant de cort-circit tend à bloqer T2 et T3. De ϕ à (π+ϕ) T1 T4 sont condcters et T2 T3 sont bloqés. Donc = -, i1 = i4 = I0, i2 = 0 i3 = 0, 1 = 4 = 0, 2 = 3 = -. A wt = (π+ϕ), 2 et 3>0 aec ne implsion sr ler gâchette T2 et T3 s amorcent. Alors T1, T3 et T2, T4 condisent simltanément et cort-circitent la sorce. Mais le corant de cort-circit tend à bloqer T1 et T4. tc. Obserations : - Le corant appelé sr la sorce sinsoïdale a ne forme d onde carrée de aler moyenne nlle. - Tension moyenne en sortie <> = (1/π) ϕ π+ϕ dt = (2/π)cosϕ. - Réersibilité d conertisser : - Si 0<ϕ<π/2, <> >0 et la pissance sr la charge est positie. La pissance transite de la sorce ers la sorce de la charge. La strctre fonctionne en redresser. - Si π/2<ϕ<π, <> <0 et la pissance sr la charge est négatie. La pissance transite de la sorce de la charge ers la sorce. La strctre fonctionne en ondler assisté. -Le montage est réersible dex qadrants. - Limite d fonctionnement en ondler : Cas où ϕ tend ers π. 2 = 3 Fonctionnement normal Raté à l amorçage de T2 et T3 Les implsions sont appliqées sr les thyristors à ϕ, π+ϕ, 2π+ϕ, 3π+ϕ,.., mais par exemple à partir de 2π+ϕ les tensions 2 et 3 sont insffisantes por amorcer T2 et T3. Alors T1 et T4 demerent condcters. La tension de sortie deient sinsoïdale! C est la perte de contrôle de l ondler. Il s en sit ne brtale agmentation d corant i et la destrction d n élément. n effet <> passe d ne aler proche de 2/π à zéro donc di/dt agmente et le corant i croît. Por éiter ce risqe de perte de contrôle il fat créer ne btée électroniqe dans l élaboration des implsions de commande et faire arier ϕ de 0 à 5π/6 par exemple Redressement-commandé.doc

8 - Condition d amorçage a démarrage et en condction discontine : Por pooir amorcer les thyristors qand i = 0 il fat qe ak soit positif et donc qe soit inférier à = sinϕ. L application d n train d implsions (tel qe ci-dessos) a lie d ne sele permet de résodre ce problème. ig 0 ϕ 2π+ϕ wt - n condction discontine les formes d ondes deiennent : i Remarqes à propos de la condction discontine : n régime établi <Ldi/dt> = 0, donc = <>. Pls l angle de condction est faible, pls la aler de et de <> s élèent. Aec > <> > (2/π)cosϕ. L implsion de commande ne prodit l amorçage qe si cosϕ >. - Caractéristiqes électriqes en sortie d redresser : <> ϕ < π/2 0 Im I0 ϕ > π/2 condction discontine condction contine Por n corant moyen pls faible qe Im, la condction est interrompe. La tension de sortie ne dépend pls de la sele ariable de commande ϕ. Dans n système asseri ceci pose soent des problèmes d instabilité. On pet rédire Im en agmentant l indctance de la charge L Redressement-commandé.doc

9 - Comparaison d redresser à dex sorces et d montage en pont : L aantage d redresser à dex sorces est d engendrer dex fois moins de pertes en condction qe le montage en pont (n sel seil a lie de dex). Mais il fat n transformater à dex enrolements secondaires por créer les dex sorces. Lorsqe la tension redressée est très basse le redresser à dex sorces est donc très intéressant. xemple alimentation por ces à électrolyse où il fat 10V et 10000A! Dans le cas de tensions éleées, ce qi est très fréqent, le pont est très tilisé. n particlier qand n transformater n est pas indispensable. 5- Pertes dans les redressers. Un thyristor en condction se modélise comme ne diode : Anode r i V0 cathode = V0 + ri Les pertes dans le composant s expriment : T P = (1/T) 0.i.dt = V0.<i> + r.ieff 2 Dès qe les pertes par composant dépasse 1 Watt n refroidisser est nécessaire. Ce refroidisser est caractérisé par sa résistance thermiqe Rth exprimée en W/ C. Par exemple si P = 10W, ne ambiance à 85 C et ne limite à 180 C por la jonction, on prendra ne marge de 35 C et le radiater sera de Rth < ( )/10 soit Rth < 6 C/W. 6- Protection des redressers contre les srintensités. xaminons sr n exemple les pertes dans n composant en cas de forte srintensité. Soit n thyristor donné por n corant moyen de 10A aec V0 = 0,8V et r = 0,1Ω qi est somis pendant n cort instant à n corant de 100A. Les pertes sont P = 0, , = Watts. C est le terme r.ieff 2 qi est prépondérant. Le composant qi sbit ce choc thermiqe ne pet pas éacer ses calories ers le radiater si le phénomène est bref (moins d ne milli-seconde). La températre θj de la jonction a donc s éleer en fonction de sa masse m, de sa chaler massiqe c et de l énergie dissipée dans cette jonction. Si la drée d défat est σ, la températre de la jonction s élèe de Δθj = (P.σ)/(m.c). Le constrcter connaît les paramètres r, m, c, Δθjmaxi, il fornit donc n paramètre qi fait la synthèse des précédents. C est la contrainte thermiqe maximale qe pet spporter le composant sans se détrire. Cette contrainte thermiqe maximale est notée «Ieff 2 t maxi»et éalée por ne températre de jonction initiale de 110 C. On pet obserer q n fsible se détrit dans les mêmes conditions. Por choisir le fsible capable de protéger les composants d redresser, il sffit de prendre des fsibles dotés d ne contrainte thermiqe spériere à celle des composants à protéger et d n corant nominal compatible. Sels les fsibles à fsion ltra rapide coniennent. 7- Protection des redressers commandés contre les d/dt. Les condensaters permettent de rédire le d/dt sr les thyristors et les résistances limitent le corant de décharge de ces condensaters dans les thyristors à l amorçage Redressement-commandé.doc

10 8- Association de redressers por obtenir ne réersibilité 4 qadrants. Dex redressers tot thyristor tête bêche apportent ne réersibilité 4 qadrants. Mais il existe dex soltions por commander les ponts : A logiqe d inersion. Qand n pont est actif l atre n est pas commandé. Por changer le pont actif, la commande impose l annlation d corant dans la charge pis lorsqe le capter de corant de charge décèle ne aler très faible, la commande des dex ponts est stoppée pendant eniron 30ms por garantir le blocage complet des thyristors amorcés. Après cette temporisation l atre pont reçoit ses implsions. détection i = 0 A circlation de corant. Les dex ponts sont pilotés en permanence de telle sorte qe la tension q ils délirent soient les mêmes en aler moyenne mais de signe contraire. Le pont 1 est commandé aec ϕ1 et le pont 2 aec ϕ2 = π-ϕ1. Cependant les tensions instantanées fornies par les dex ponts sont différentes, les indctances l limitent le corant de circlation entre les ponts. l l Pont 1 Pont 2 La strctre à circlation de corant est pls onérese mais elle permet ne inersion d corant dans la charge pls rapide et sans discontinité Redressement-commandé.doc

11 8- Redresser commandé en pont de graëtz mixte. Hypothèses : - Thyristors parfaits (ak = 0 en condction, ih = 0). - Les diodes sont idéales. - L indctance L est forte, l ondlation d corant i est négligeable. i = I0. - La condction est contine et le régime est établi. I0 is i1 id1 T1 1 D1 d1 L T2 3 D2 d2 i2 id2 id1 i1 I0 is I0 -I0 qations d circit : Is = i1 id1 = id2 i2 = 1 d1 = d2 2 = -1 2 = -d1 d2 i = i1 + id1 = i2 + id2 = + Ldi/dt Redressement-commandé.doc

12 Jstification des tracés : Soit à wt=0 D1 et D2 condctrices. Alors = 0, id1 = id2 = I0, d1 = d2 = 0, 1 = 2 =. A wt = ϕ, 1 >0 aec ne implsion sr sa gâchette T1 s amorce. Alors T1 et D1 condisent simltanément et cort-circitent la sorce. Mais le corant de cort-circit tend à bloqer D1. De ϕ à π T1 et D2 sont condcters et T2 D1 sont bloqés. Donc =, i1 = id2 = I0, i2 = 0 id1 = 0, 1 = d2 = 0, 2 = d1 = -. A π la tension change de signe et les diodes D1 et D2 condisent. Alors T1 et D1 condisent simltanément et cort-circitent la sorce. Mais le corant de cort-circit tend à bloqer T1. De π à π+ϕ il y a roe libre par D1 et D2. Donc Vd1= d2= = 0, id1= id2 =I0, i1= i2= is =0. A wt = (π+ϕ), 2 >0 aec ne implsion sr sa gâchette T2 s amorce. Alors T2 et D2 condisent simltanément et cort-circitent la sorce. Mais le corant de cort-circit tend à bloqer D2. tc. Obserations : - Tension moyenne en sortie <> = (1/π) ϕ π+ϕ dt = (2/π)(1+cosϕ). - Réersibilité d conertisser : Qelqe soit ϕ, <> >0 et la pissance sr la charge est positie. La pissance transite de la sorce ers la sorce de la charge. La strctre fonctionne tojors en redresser. Le montage est non réersible. - Il n y a pas de risqe de perte de contrôle si ϕ tend ers π. - Le corant efficace dans la sorce est d atant pls faible qe la tension redressée est faible. C est n aantage sr le pont tot thyristor dans l exploitation de la sorce et de la ligne Redressement-commandé.doc