École National d Ingénieurs de Sousse ENISO. Électronique de puissance Chapitre 3: Les Redresseurs commandés

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1 Introduction: On nomme «redresseur commandé» un montage redresseur dont une partie des diodes a été remplacée par un ensemble équivalent de tyristors. 1. Etude des montages redresseurs P3 et PD3: Hypothèses: Les thyristors sont supposés parfaits (interrupteurs parfaits) et le courant à la sortie du montage redresseur continu (charge fortement inductive). On supposera également négligeable l'inductance ramenée au secondaire du transformateur. 1.1 Etude du montage redresseur parallèle simple P3: On considère le montage parallèle P3 suivant. Les thyristors sont commandés à la fermeture après un retard angulaire α sur l amorcage naturel instant t0 (cas des diodes) ENISO

2 I d v = v Sin( wt) 1 π v = v Sin wt 3 4π v3 = v Sin wt 3 ENISO

3 u d v 1 On suppose qu avant l instant t0, le thyristor 3 conduit. On a donc ud = v3 Après t0 v1 > v et v3 1 est polarisé en direct et il est succeptible d être amorcé par un signal de commande. ant que 1 ne reçoit pas une commande 3 reste passant et ud = v3; i1 = 0; v1 = u13 La commande à la fermeture de 1 arrive à t1. Le thyristor 1 est polarisé sous tension directe positive si u13 0 pour satisfaire cette condition il faut que t = t1 t0 ou α π Pour α πla différence de potentielle devient négative et il devient impossible d amorcer le thyristor 1. 1 t0 t1 t t3 Pour α π 1 s enclenche 3 se trouve polarisé en inverse et il se bloque v = u 0; u = v ; v = 0 et i = I 3 31 d d 3 1 reste enclenché tan que n est pas amorcé soit jusqu à l instant t = t1 + où q = 3 q Pour on a t t u = v ; v = u ; i = 0 et i = I d d ENISO

4 1.1. Etude du courant: Courant dans la charge: Ce courant est constant par hypothèse (charge fortement inductive). Courant dans un thyristor: Le courant dans les thyristors est égal à Id lorsque le thyristor est passant. Il est égal à 0 si le thyristor est bloqué. Chaque thyristor est donc parcouru par un courant d'intensité Id pendant une fraction 1/3 de la période des tensions d'alimentation. L'intensité i1 du courant traversant 1 évolue donc comme l'indique la figure suivante. 1 i1 i1 i t1 t1+/3 ENISO

5 1.1.3 Etude de la tension redressée: La tension redressée ud est périodique de période /3 (/p p: indice de pulsation). Entre /1 +α et +5/1 +α, cette tension s exprime par: u = v = v Sin( wt) d 1 avec : v est la valeur efficace des tensions simples. Valeur de la tension moyenne: v 1 π udmoy = v Sin( wt) dt Cos( wt) avec w = = w 1 3v π 5 π udmoy = Cos + Cos π 1 π 1 3v π 5π a + b a b = Cos Cos avec Cos ( a) Cos () b = Sin Sin π 3v udmoy = Cos ( α) π ENISO

6 Valeur de la tension efficace: a b a + b u ( ( )) avec Sin( ) deff = v Sin wt dt a Sin () b Sin Cos = udeff = V + Sin /3 Cos 4π ( π ) ( α) Valeur du courant dans un thyristor: La valeur moyenne et efficace du courant traversant un thyristor sont les mêmes que pour une diode dans le montage parallèle simple et ils sont données par: i 1moy = Iddt = Id 3 1 1eff ( d) Rque: Le courant dans un enroulement secondaire est identique au courant passant dans le thyristor qui lui est connecté. ENISO i = I dt = 1 Id 3

7 1.1.4 ension inverse imale aux bornes d un thyristor: Le choix des composants d'un montage redresseur nécessite la connaissance de la valeur imale de la tension inverse appliquée à chaque thyristor. La valeur imale de la tension inverse supportée par 1 vaut : ension imale inverse aux bornes d un thyristor bloqué: ( ) ( ) v 1 = Max v1 v = Max v1 v3 = u1 = v 3 = v ension imale directe aux bornes d un thyristor bloqué: ( ) ( ) v 1 = Max v1 v = Max v1 v3 = u1 = v 3 = v u 1 étant la valeur efficace des tensions composées secondaires ENISO

8 1.1.5 Fonctionnement en Redresseur ou Onduleur : La tension redressée est composée de 3 arc de sinusoïdes par période. On peut exprimer la tension redressée par celle obtenu par 3 diodes et Cos(α) comme suit: 3 π umoy = umoydiodecos α = V Sin Cos π 3 ( ) ( ) On représente sur le graphe suivant l évolution de la tension redressée en fonction de α α u moydiode u moy 0 u moydiode ENISO

9 On distingue deux types de fonctionnements : Pour 0<α<90 : La tension redressée est positives, et la puissance active (Pa=umoyId >0)fournie par le redresseur à la charge est positive. La charge absorbe donc de l énergie et le montage fonctionne en tant que redresseurs à tension redressée variable en fonction du retard d amorçage α. Pour 90 <α<180 : La tension redressée est négative, et la puissance active (Pa=umoyId <0) est négative. La charge n est plus un récepteur mais un générateur. L énergie passe du coté contenu au coté alternatif. Le montage fonctionne en onduleur. Le montage ne peut fonctionner, dans ces conditions, que s il est connecté, côté continu (charge), sur un dispositif susceptible de lui fournir de l énergie, soit par exemple : génératrice courant continu, pont redresseur, batterie d accumulateurs. On a alors un fonctionnement en onduleur non autonome. C est un onduleur car l énergie passe de la source continue au réseau alternatif connecté au transformateur; il est non autonome car la valeur efficace et la fréquence des tensions alternatives sont fixées par le réseau alternatif. ENISO

10 1. Etude du montage redresseur Parallèle Double PD3 (pont complet): Le pont PD3 à thyristors ci-dessous est alimenté par une ligne triphasée alternative sinusoïde équilibrée de sens direct. Il est chargé par une charge RLE. Les thyristors fonctionnent avec un retard d amorçage de 30 parapport à l amorçage naturel (la conduction est continue par hypothèse, il y a en permanance un et un seul thyristor conducteur parmis h1, h et h3, et un seul thyristor conducteur parmis h 1, h et h 3. ENISO

11 1- Indiquer sur la pages des graphes suivante les intervalles de conduction qu aurait les composants s il s'agissait des diodes et non pas de thyristors. En déduire sur la même page les intervalles de conduction des thyristors. - Connaissant les intervalles de conduction des thyristors (a) déterminer les tensions VA, VB et Uc (b) Les courants i1 et ih1. ENISO

12 Réponse: 1- et - ENISO

13 3- a) Calculer en VAmoy et VBmoy en fonction de V et α sachant que (0<α <180 ). En déduire l expression de Ucmoy sachant que (Uc= VAmoy -VBmoy ). b) Déterminer l expression de Uceff 4- Supposons que la charge est fortement inductive (ic=i0=cte). Exprimer I0 en fonction de E, R, V et α. En déduire que si E>0 la conduction continu n est pas possible si 90 < α< Calculer la puissance active reçue par la charge en conduction continu en fonction de I0, V et α. En déduire le facteur de puissance de la ligne qui alimente ce montage. - Représenter Vh1 et ih1 sur la pages des graphes pour α=30. ENISO

14 Réponse: 3- a) 5π 3 3V 1 VAmoy = π VSin ωt dt Cos ωt = ω D après la courbe on constate que VBmoy=-VAmoy. 3- b) École National d Ingénieurs de Sousse ENISO VAmoy Cos Cos ( ) ( ) 3V 5π π π = + avec ω = = 1 π 3V 5π π a + b a b = π os () b = Sin Sin 3 3V = Cos( α) π V avec ( ) Amoy Cos α Cos α Cos a C V Amoy ENISO V 5π π Bmoy π π ω ω π ( ) = ( ( ) ( /3)) u V Sin t V Sin t dt ceff 3 9 π uceff = V + Sin Cos( α) π 3 3 3V = π 3 3V π Cos α ( ) u ( ) cmoy = VAmoy VBmoy = Cos α

15 4- ucmoy E uc () t = Ric () t + E ucmoy = RIcmoy + E Icmoy = Icmoy = R Pour α>180, Umoy<0 et I0<0 et la conduction n est pas continu. 5- la puissance active reçue par la charge est 3 3V π 0 P = u ( ) cmoyi 0 = Cos α I la puissance apparente au secondaire du transformateur est donnée par 3V S = 3 VeffIeff = Ieff avec Ieff = I0 3 Le facteur de puissance de la ligne a pour expression: 3 3V ICos ( ) 0 α P 3 F = = π = Cos α = 0.955Cos α S 3V π I 0 3 ( ) ( ) ENISO

16 On distingue deux types de fonctionnements : Pour 0<α<90 : Le montage fonctionne en redresseur P>0. Il reçoit l énergie de la ligne triphasée et la transmètre à la charge RLE. Pour 90 <α<180 : Le montage fonctionne en onduleur P<0. Il renvoie de l énergie dans la ligne triphasée. ENISO

17 - ENISO

18 1.3 Cas d une charge purement résistive: 1.4 Etude du montage redresseur Parallèle Double PD3 (pont mixte): On reprendre le montage du montage PD3 (pont complet tout thyristors) et on remplace les thyristors h 1, h et h 3 par des diodes. Les thyristors fonctionnent avec un retard d amorçage de 30 parapport à l amorçage naturel (la conduction est continue par hypothèse). D1 D D3 ENISO

19 1- Indiquer sur le graphe des courbes triphasées l intervalle de conduction des thyristors et des diodes, en déduire les graphes des tensions VA et VB ainsi que de la tension de la charge Uc. - Déterminer l expression de École National d Ingénieurs de Sousse ENISO a- la tension moyenne au borne de la charge. b- la tension efficace au borne de la charge. 3- Représenter les graphes de tensions VD1 au borne de la diode D1 et Vh1 au borne du thyristor h1.déduire la tension imale directe et inverse au borne du thyristor ainsi que la tension inverse imale au borne de la diode. 4- Déterminer les valeurs moyenne et efficaces des courants traversant les interrupteurs. 5- Déterminer les valeurs moyenne et efficaces des courants traversant un enroulements secondaires du transformateur. - Déduire alors le facteur de puissance. ENISO

20 Repense 1- ENISO

21 Réponse: - a- π 5π 3 ucmoy = π ( VSin ( ωt) VSin ( ωt π/3) ) dt + π ( VSin ( ωt) VSin ( ωt 4 π/3) ) dt π ( ( ) ( )) ( ( ) ( )) 5 π 3V u cmoy Cos t Cos t /3 Cos t Cos t /3 = ω + ω π π + ω + ω π π ω u cmoy π π π π Cos Cos π/3 Cos α Cos α π/3 3V = ω 5π 5π π π + Cos + Cos π/3 Cos + Cos π/3 3V π π π 5π π 5π = ω ucmoy Cos α Cos Cos α Cos α Cos α Cos a + b a b avec Cos ( a) Cos () b = Sin Sin et ω = π u cmoy 3 3V = + π ( 1 Cos( α) ) ENISO

22 Réponse: - b- π 5π 3 ( uceff ) = π ( VSin ( ωt) VSin ( ωt π/3) ) dt + π ( VSin ( ωt) VSin ( ωt 4 π/3) ) dt π ( ) ( ) π ( Sin ωt Sin ωt Sin ( ωt π/3) + Sin ( ωt π/3) ) dt 3( V ) ( uceff ) = 5 π + π ( Sin ( ωt) Sin ( ωt) Sin ( ωt 4 π/3) Sin ( ωt 4 π/3) ) dt π 1 Cos ( ωt) 1 Cos ( ωt 4 π/3) π Cos ( ωt π/3) Cos ( ωt π/3) dt 3( V ) α + uceff = 5π 1 Cos ( ωt) 1 Cos ( ωt 8 π/3) + π + Cos( ωt 4 π/3) Cos( ωt + 4 π/3) + dt ( ) uceff = V + Cos( α) Sin π ENISO

23 3- La valeur imale inverse de la tension inverse supportée par D1 vaut : ( ) ( ) vd1 = Max v1 v = Max v1 v3 = u1 = v 3 = v La valeur imale directe et inverse de la tension inverse supportée par h1 vaut : ( ) ( ) vh1 = Max v1 v = Max v1 v3 = u1 = v 3 = v ENISO

24 4- La Diode D1 et le thyristor h1 conduisent pendant /3 et le courant moyen et efficace qui les traverse vaut : I0 I0 id1 moy= ih1 moy= et id1 eff = ih1 eff = Si on examine l enroulement 1 du secondaire du transformateur On trouve qu il est parcouru par I0 pendant [/1 5/1 ] à travers h1. et par I0 pendant [7/1 11/1] à travers D1. ( I ) α ( I ) [] 5 5 = et ( 1 ) = + S moy S eff ( 0) = α = i i I dt t i = I S1eff 0 3 ENISO

25 - La puissance active consommée par la charge vaut 3 3V P = I ( ( ) 0ucmoy = I0 1 + Cos α ) Pour α=30 la puissance vaut π P = I u = I 0 cmoy 0 3 3V π ( 1.8) La puissance apparente dévellopée par le secondaire est donnée par Et le facteur de puissance est S = i 3v = 3IV Seff 0 3 3V I 0 ( 1.8) P 3( 1.8) = π = = S I 3V π 0 ENISO