4. Redressement commandé (Thyristors)

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1 Université e Savoie Licence EEA Moule U6 Energie et convertisseurs 'énergie 4. Reressement commané (hyristors) On nomme «reresseur commané» un montage reresseur ont une partie es ioes a été remplacée par un ensemble équivalent e transistors. 4.1 Montages tout thyristors Nous nous intéressons ans ce paragraphe aux montages reresseurs ne comprenant que es thyristors. Seul sera aboré ans ce cours le principe e fonctionnement permettant obtenir l allure e la tension reressée et e calculer la valeur moyenne e la tension reressée Allure e la tension reressée : exemple u montage P3 Les hypothèses pour l étue sont les suivantes : hyristors supposés iéaux pas e chute e tension aux bornes lorsqu ils sont fermés ; commutation instantanée ; Source supposée parfaite impéance e source nulle ; Charge fortement inuctive courant ébité i (t) constant égal à I. Nous allons étuier le principe e fonctionnement un montage P3 ont les hyristors sont commanés à α la fermeture avec un retar angulaire α(temps e retar = = t ) sur l amorçage naturel (cas es ω ioes). Cette étue pourra être appliquée facilement à un montage PD3 ou autre. La figure 3-14 écrit le montage P3 tout thyristors. v 1 v 1 v i 1 1 v 3 u 3 Figure Montage P3 tout thyristor. La figure 3-15 onne les ifférentes phases e fonctionnement. Avant l instant t 0 on suppose que le thyristor 3 conuit. On a onc : u ( t ) = v ( t ) 3 Après t 0, v 1 (t) evient supérieure à v (t) et v 3 (t) ; 1 est polarisé en irect ; il est onc susceptible être enclenché par un signal e commane. ant que 1 ne reçoit pas impulsion e commane, 3 reste conucteur et : u ( t ) = v ( t ) 3 ;i 1 = 0; v1( t) = u13( t) La commane e la fermeture e 1 arrive à l instant t1 = t 0 + t. Le thyristor 1 est alors polarisé sous tension irecte positive si u 13 > 0. Cette conition impose t = t1 t0 < ou α < π. Pour Chp

2 Université e Savoie Licence EEA Moule U6 Energie et convertisseurs 'énergie α> π, il n est plus possible amorcer les thyristors car la ifférence e potentiel à leur borne evient négative. si α< π : 1 s enclenche : u ( t ) = v ( t ) 1 ; v 1 = 0 et 3 se trouve polarisé en inverse ( v3 = u31 < 0) et se bloque ; où i = 1 I. 1 reste enclenché tant que n est pas commané, soit jusqu à l instant t = t1 + (q = 3 ans le q cas u montage P3) si l on amet (c est le cas en pratique) que les signaux e commane es thyristors se succèent avec le même écalage que les instants amorçage naturel (pour les ioes). q pour t > t, on a : u = v ; v = u ; i = D où les courbes e u ( t ), v ( t) et i t 1 1 ( ) établies à la figure On note que pour les montages parallèles simples (Pq), e même que pour les montages à ioes, la tension u ( t)est formée e p=q portions e sinusoï es. Fig 3-16 cours manuscrit p33 Figure Fonctionnement u montage P3 tout thyristor Valeur moyenne e la tension reressée. Fonctionnement en reresseur ou onuleur autonome La tension reressée u ( t) est composée e p portions e sinusoï es par périoes es tensions alternatives e la source. La valeur moyenne peut onc être calculée entre t 1 et t : t 1 P π Ui0α = UM Cosωt t U M Cosα Ui0 Cosα t t =..sin. =. π P 1 t1 Chp

3 Université e Savoie Licence EEA Moule U6 Energie et convertisseurs 'énergie P avec: U = π i0 U M Sin (reresseur à ioes). π P On a représenté graphiquement l évolution e U i0α en fonction e l angle α sur la figure U i0a U i0 U i0 Cosα π/ π α -U i0 Figure Montage P3 tout thyristor. ension moyenne reressée. On en éuit les eux types e fonctionnement un tel montage : pour 0 α < π : U i 0α est positive et la puissance active fournie par le ispositif reresseur à la charge ans laquelle circule un courant continu I vaut : P = U I >. La charge absorbe onc e. i0α 0 l énergie. Le montage fonctionne alors en reresseur à tension e sortie U i0α réglable grâce à l angle e retar à l amorçage α. pour π < α< π : U 0α i est négative, onc : P<0. Le montage ne peut fonctionner, ans ces conitions, que s il est connecté, côté continu (charge), sur un ispositif susceptible e lui fournir e l énergie, soit par exemple : génératrice courant continu, pont reresseur, batterie accumulateurs. On a alors un fonctionnement en onuleur non autonome. C est un onuleur car l énergie passe e la source continue au réseau alternatif connecté au transformateur ; il est non autonome car la valeur efficace et la fréquence es tensions alternatives sont fixées par le réseau alternatif. Chp

4 Université e Savoie Licence EEA Moule U6 Energie et convertisseurs 'énergie Nous citons quelques exemples utilisation en fonctionnement en onuleur non autonome : batterie accumulateurs : figure (b) (a) E batterie accumulateurs pont reresseur (a) bornes e commutation Le reresseur, lorsque α Figure Reresseur en pont connecté à une batterie accumulateurs. π <, fournit e l énergie à la batterie (bornes en position (a)). Lorsque la batterie est chargée, elle peut fournir e l énergie au réseau (après inversion es bornes, position (b)) pour apporter un complément énergie. Interconnexion entre eux réseaux : figure f, V f, V pont reresseur pont reresseur Figure Interconnexion entre eux réseaux. Deux réseaux e fréquence f et f et e valeur efficaces V et V pouvant être ifférentes, sont connectés entre eux à l aie e ponts reresseurs, l un et l autre pouvant fonctionner en reresseur ou onuleur non autonome alternativement. Cette configuration permet e relier entre eux eux réseaux inépenants (exemple : liaison sous-marine France-Angleterre). Machine à courant continu : figure (a) (b) M pont reresseur (a) bornes e commutation Figure Machine à courant continu fonctionnant alternativement en moteur et en génératrice. Chp

5 Université e Savoie Licence EEA Moule U6 Energie et convertisseurs 'énergie Lorsque les bornes sont en position (a), la machine fonctionne en moteur. En position (b), avec α π >, la machine fonctionne en génératrice. On peut assurer ainsi le freinage u moteur par récupération énergie. 4. Montages mixtes en pont Un pont mixte est formé pour moitié avec es thyristors et pour moitié avec es ioes. Comparé au pont classique tout thyristors, il a comme avantage e emeurer commané tout en étant plus robuste, plus économique, (ioes plus robustes, commane plus simple car moins e thyristors) avec un meilleur renement et un meilleur facteur e puissance (la chute e tension est supérieure à l état on pour les thyristors). Il a l inconvénient e ne pas fonctionner en onuleur Fonctionnement. Exemple: montage monophasé PD Le pont mixte monophasé consiéré est écrit à la figure 3-0. On consière une charge fortement inuctive, soit un courant i (t) consiéré comme constant et égal à I. 1 est amorcé à t = α lorsque la tension v t v t v t ω ( ) = ( ) ( ) 1 est positive. Le potentiel en B étant inférieur au potentiel en A, D conuit. I v 1 v i s (t) v(t) 1 (A) i 1 u (B) D 1 D Figure 3-0. Pont PD mixte. Le système emeure ans cet état tant que v( t) > 0. On a onc : u ( t) = v( t) = V.sin ω t ; i ( t) = M Dès que t >, v( t)evient négatif. La ioe D se bloque et la ioe D 1 evient passante. Le thyristor est susceptible e conuire car il se trouve polarisé en irect, mais il ne conuit pas tant qu il n a pas été enclenché, soit jusqu au temps t = 1 t + α ω = +. Donc 1 continue à conuire le courant I. La charge est onc court-circuitée par 1 et D 1. On it que D 1 fonctionne en «ioe e roue libre». On a : u = 0 ; i = 0 ; i ( t) = I s Remarque : ans cette phase, la charge est court-circuitée par D 1 et 1. La circulation u courant I est assurée par l inuctance e la charge ont l impéance est consiérée comme très grane (Lω>>R) s I Chp

6 Université e Savoie Licence EEA Moule U6 Energie et convertisseurs 'énergie evant la résistance R totale e la maille constituée par 1, D 1 et la charge (résistance u thyristor, e la ioe et e la charge). Au temps t1 = + t corresponant à l angle α + π, une impulsion est envoyée sur la gâchette e qui se met à conuire. 1 se bloque.... L allure es courants et tensions v( t), u ( t), i 1 ( t) et is ( t) est onnée sur la figure 3-1. V M u (t) i 1 (t) 0 t t = t + i s (t) v(t) t - D (1) 1 - D () 1 - D 1 (3) - D 1 (3) Figure 3-1. Fonctionnement u pont PD mixte. Les phases (1) et (3) sont appelées «phases e roue libre». 4.. Valeur moyenne e la tension aux bornes e la charge PD : Dans le cas général on a : U = U / 1 VM U ' i0 α = VM. Sinωtt = (1 + Cosα) / π ' i0α i0 avec : U U = i0 M t 1+ Cosα π Sin q π / q Chp

7 Université e Savoie Licence EEA Moule U6 Energie et convertisseurs 'énergie Il s avère ainsi possible, comme pour le pont tout thyristors, e régler la valeur e la tension moyenne reressée U' i 0α en agissant sur l angle e retar à l amorçage α. Cepenant, à la ifférence u pont tout thyristors, cette tension ne peut evenir négative comme le montre la figure 3- qui onne U ' i 0α en fonction e α. U i0 U i0a U i0 U = U ' i0α i0 1+ Cosα π/ π α Figure 3-. Montage PD mixte. ension moyenne reressée. En conséquence, le pont mixte ne peut fonctionner en onuleur non autonome (le pont mixte est non réversible) Courant au seconaire u transformateur Le graphe u courant au seconaire u transformateur est onné sur la figure 3-1. Valeur moyenne : I' si α0 = 0 π α Valeur efficace : I' siαeff = I π 4.3 Exemple application es reresseurs commanés: alimentation es moteurs à courant continu Nous consiérons le cas simple une alimentation par un pont monophasé mixte PD (figure 3-3). Sur la figure 3-3, les eux ioes D 1 et D sont isposées en série contrairement au montage e la figure 3-0. Cela permet obtenir une phase e roue libre avec les ioes seulement, sachant qu au émarrage u moteur (premières périoes e fonctionnement), le courant i ( t) sera faible, et peut onc être insuffisant pour maintenir les thyristors passants en phase e roue libre (problème u courant e maintien, voir chapitre ). Chp-3-4 -

8 Université e Savoie Licence EEA Moule U6 Energie et convertisseurs 'énergie i v 1 1 D 1 l J v(t) u M excitation ransformateur D Figure 3-3. Moteur à courant continu alimenté par un pont reresseur mixte PD. L inuctance l sert à lisser le courant i (t). On istingue eux types e fonctionnements : Fonctionnement à courant interrompu pour les fortes valeurs e l angle e retar α (pour une charge onnée). En moélisant la charge par un circuit R,L,E série et en nommant Q = Lω le facteur e qualité e la R charge, on aura un fonctionnement interrompu, pour α onné, si Q est suffisamment faible. La tension et le courant reressés u ( t ) et i t ( ) sont onnés à la figure 3-4 pour un fonctionnement à courant interrompu. Pour t0 < t < t, le courant i ( t) est nul, onc : u ( t) = E aucun interrupteur ne conuit. A t = t, une impulsion e courant positive est envoyée sur la gâchette e 1 qui s enclenche car : v1( t) = v( t) u ( t) > 0 D et 1 se mettent à conuire Pour t < t <, D et 1 conuisent. On a onc : u t Ri t L i ( ) = ( ) + + E t A t =, v( t) evient négatif, onc D 1 se met à conuire et 1 se bloque. D continue à conuire car n est pas commané. Cette phase e roue libre ure tant que i ( t )>0. On a : L i t + E' + Ri ( t) = 0 Lorsque le courant i ( t) s annule, les ioes cessent e conuire. La charge n'est plus alimentée et : u ( t ) = E. A t = + t, le thyristor est commané... Chp

9 Université e Savoie Licence EEA Moule U6 Energie et convertisseurs 'énergie I M i (t) u (t) V M E t t 0 t / t 1 v(t)=v M Sinωt D 1 - D 1 - D D 1 - D - D 1 Figure 3-4. Fonctionnement à courant interrompu lors e l alimentation un moteur à courant continu par un pont PD mixte. Fonctionnement à courant ininterrompu pour les faibles valeurs e α (pour une charge onnée). Le fonctionnement est le même que pour le 4.. Les eux ioes D 1 et D servent à conuire le courant i ( t) urant la phase e roue libre. L expression e la valeur moyenne e la tension reressée u ( t ) s écrit : 1+ Cosα U' i0α = Ui0 = E + R I si I est la valeur moyenne e i ( t) et R la résistance e la maille (moteur + ioes). E La vitesse e rotation u moteur Ω = est onc réglée par action sur l angle e retar α. K Remarques : La valeur moyenne I u courant reressé i ( t) onnera la valeur moyenne u moment u couple moteur : M = K I On pourra réguler la vitesse u moteur en réglant l angle e retar α en fonction e l écart entre un signal e référence et une tension continue issue une ynamo tachymétrique placée sur l arbre u moteur (voir figure 3-5). Chp

10 Université e Savoie Licence EEA Moule U6 Energie et convertisseurs 'énergie 1 D 1 arbre vitesse Ω(t) Dynamo tachymétrique v(t) u M D k.ω(t) ransformateur D Circuit e commane e gâchette (CA785) A Ampli. iff. tension e consigne Figure 3-5. Régulation en vitesse un moteur à courant continu. Chp

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