Université d El Oued Cour Electronique Industriel 3 LMD-EM

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1 Chapitre 1 Introduction I- Présentation Les systèmes utilisés en électrotechnique (machines tournantes, éclairage, chauffage, climatisation, ) permettent de transformer la nature de l énergie électrique et de convertir cette énergie en une autre forme d énergie (mécanique, thermique, chimique, ) Ces systèmes ne peuvent pas toujours être reliés directement à une source électrique Il faut alors avoir recours à un dispositif, jouant le rôle d interface, permettant d adapter (de transformer) les caractéristiques de la source afin d assurer le bon fonctionnement (et d introduire des moyens de réglage de transfert d énergie) Ce dispositif est un convertisseur électrique Source électrique Convertisseur électrique Charge Lorsque l interface est réalisée par des moyens purement électroniques (semi-conducteurs), elle est alors appelée convertisseur statique Ces convertisseurs statiques peuvent se trouver aussi bien devant une charge consommant quelques watts, que quelques centaines de mégawatts La discipline technologique associée à ces réalisations est appelée Electronique de Puissance Elle permet : Une utilisation plus souple et plus adaptée de l énergie électrique, Une amélioration de la gestion, du transport et de la distribution de l énergie électrique, Une réduction des masses et des volumes, mais aussi du bruit Un convertisseur statique est un dispositif, à base de semi-conducteurs, qui transforme l énergie électrique disponible, en une forme appropriée pour alimenter une charge II- Fonctions de base et terminologie des convertisseurs statiques : L énergie électrique est disponible soit sous forme alternative (réseau de distribution électrique, alternateurs, ) soit sous forme continue (batterie d accumulateurs, génératrice à courant continu, ) La charge peut nécessiter une alimentation en alternatif ou en continu Il existe donc 4 fonctions de base des convertisseurs statiques Ces convertisseurs transformant directement l énergie électrique, sont appelés mono-étages A- Réversibilité des convertisseurs statiques : Un convertisseur statique est dit réversible lorsque l énergie, peut transiter (en général, être contrôlée) de manière bidirectionnelle, c est à dire aussi bien dans un sens que dans l autre Un convertisseur non-réversible transfère l énergie d une source vers une charge utilisatrice B- Conversion Alternatif Continu (AC/DC) : Le convertisseur jouant le rôle d interface entre une source alternative et une charge alimentée en continu, est appelé : Redresseur (Rectifier) La tension (ou le couran de sortie peut être, ou non, réglable par rapport à la grandeur d entrée (tension ou couran Lorsqu il n est composé que de diodes ou de diodes et de thyristors, il est non réversible Les redresseurs réversibles ne sont composés que de thyristors Montage redresseur - non commandé (à diodes) - commandé (à thyristors) - alimentation continue (pour circuits électroniques) - alimentation pour moteur à courant continu - chargeur de batteries Page 1

2 C- Conversion Continu Continu (DC/DC) : Le convertisseur jouant le rôle d interface entre une source continue et une charge alimentée en continu, est appelé : Hacheur (Chopper) Le hacheur règle la tension ou le courant appliqué à la charge Il peut être réversible ou non suivant sa topologie Montage hacheur - série (abaisseur de tension) - parallèle (élévateur de tension) - alimentation à découpage (ordinateur, mobile ) - alimentation pour moteur à courant continu D- Conversion Continu Alternatif (DC/AC) : Le convertisseur jouant le rôle d interface entre une source continue et une charge alimentée en alternatif, est appelé : Onduleur (Inverter) Suivant le type de charge, ce convertisseur est appelé onduleur autonome ou assisté Dans le dernier cas, le convertisseur est composé de thyristors, sa structure est la même que le redresseur réversible (AC-DC / DC-AC) Ces convertisseurs sont toujours réversibles - alimentation de secours (+ groupe électrogène) - variateur de vitesse pour moteur asynchrone Remarque : Ne pas confondre le terme onduleur (convertisseur DC / AC) avec le dispositif de sauvegarde informatique Ce dernier est appelé ASI pour Alimentation Statique Ininterruptible (UPS : Uninterruptible Power Supply) E- Conversion Alternatif Alternatif (AC/AC) : La conversion de l énergie électrique délivrée sous forme alternative pour alimenter une charge en alternatif peut se faire avec ou sans changement de fréquence Dans le premier cas, le terme employé est celui de cycloconvertisseur, dans le second, celui de gradateur Le schéma d un cycloconvertisseur triphasé-triphasé comprend 36 thyristors Il n est utilisé que pour des puissances très importantes (> 1 MVA) L une de ses applications est l alimentation de machines synchrones fonctionnant à faible vitesse et devant fournir un couple important dans les applications de propulsion marine (très grande puissance) Le gradateur est un convertisseur de structure extrêmement simple Il est principalement utilisé en éclairage et pour l alimentation des moteurs électriques utilisés dans le domaine de l électroménager (moteur universel) - variateur de lampe halogène - variateur de vitesse pour moteur universel Page 2

3 III- Associations de fonctions de base Cascade de convertisseurs : La transformation de l énergie électrique peut aussi se faire par une association en cascade de plusieurs convertisseurs monoétages L inconvénient est la présence de pertes dans chaque convertisseur (diminution du rendement par rapport aux structures précédentes), mais ces structures peuvent apporter plusieurs avantages Nous décrivons dans les paragraphes suivants deux cas typiques A- Alimentation à découpage (ordinateur, TV, ) : A partir du réseau de distribution, l alimentation doit assurer, pour une puissance de l ordre de quelques centaine de watts, les fonctions suivantes : redresser, abaisser, isoler, délivrer plusieurs sorties, filtrer, réguler les tensions de sortie La fonction isoler impose l utilisation d un transformateur Ce transformateur permet d assurer aussi la fonction "abaisser" et fournit aisément plusieurs sorties La solution ancienne (Figure 11), toujours utilisée pour quelques watts, utilise un transformateur 50 Hz Chaque secondaire est suivi d un redresseur et, éventuellement, d un régulateur linéaire La réalisation est alors lourde et d un rendement peu élevé Pour diminuer la taille du transformateur, il faut réussir à l alimenter à des fréquences plus hautes Il est alors nécessaire d utiliser la cascade redresseur-onduleur-redresseur La régulation se fait simplement par contrôle de l onduleur qui fonctionne en découpage et donc, avec un bon rendement Il est même possible de réaliser une absorption de courant sinusoïdale sur le réseau (facteur de puissance tendant vers 1), propriété impossible à obtenir avec une structure sans électronique de puissance B- Variateur de vitesse pour machine asynchrone : Pour pouvoir faire varier la vitesse d une machine asynchrone, il faut réaliser un système qui puisse l alimenter sous tension et fréquence variables A partir du réseau de distribution électrique à fréquence et tension fixes, une solution est d utiliser une cascade redresseur-onduleur Les signaux de commande des interrupteurs de l onduleur, sont générés en utilisant la technique de la modulation de largeur d impulsions (MLI -PWM-), pour permettre de contrôler la tension et la fréquence de sortie Page 3

4 Chapitre 2 Les semi conducteurs de puissance LES REDRESSEURS MONOPHASES I- Introduction : Les redresseurs sont conçus pour fournir une tension continue fixe ou variable Nous étudierons les redresseurs monophasés non commandés et commandés, constitués respectivement de diodes et de thyristors II- Redresseurs non commandés : A- Redresseurs Double Alternance (Pont de diodes) : Le schéma de la Figure ci-dessous représente un redresseur à diodes appelé aussi Pont de Graëtz ou PD2 Fonctionnement : Les diodes deviennent passantes quand la tension à leurs bornes devient positive (VA VK>0 V) Les diodes se bloquent lorsque le courant les traversant s annule ou est dévié dans une autre branche du circuit La charge ne comportant pas de source de tension, D1 et D4 sont passantes quand v( > 0 V La charge n étant constituée que d une résistance, le courant ich( a la même allure que la tension vch(, c est à dire qu à la fin de l alternance positive, ich(t=t/2) = 0A A cet instant, les diodes D1 et D4 se bloquent Lors de l alternance négative de v(, les diodes D2 et D3 sont passantes 1- Alternance positive : Durant cette alternance les diodes sont dans les positions: D1: "ON", D4: "ON", D2: "OFF", D3:"OFF" Si nous considérons que le signal d'entrée s'écrit sous la forme : v 2 Veff sin(, la maille active du circuit est composée de : la source v(, des diodes D1 et D4, et de la charge R, v vd1 vch vd4 Si nous considérons les diodes D1 et D4 parfaites (vd1=vd4 0V), nous retrouvons sur la charge la totalité du signal d'entrée vch( = v( vch v( le courant qui circule dans la charge: ich id1 i( R R 2- Alternance négative : Durant cette alternance les diodes sont dans les positions : D1 "OFF", D4 "OFF", D2 "ON", D3 "ON" la maille active du circuit est composée de : la source v(, des diodes D2 et D3, et de la charge R, v ( vd2 vch vd3( ) Si nous considérons les diodes D2 et D3 parfaites (vd2=vd3 0V), nous retrouvons sur la charge la totalité du signal d'entrée vch( = -v( au signe près vch v( le courant qui circule dans la charge : ich id2 i( R R Grandeurs caractéristiques : Calcul des tensions Calcul des courants Puissance absorbée par la charge Page 4

5 i D1( i ch( V D1 V ch( V D1 V ch( III- Redresseurs commandés : Schéma de fonctionnement pour le pont de diodes D 2 D 4 1 Objectif Le redressement commandé est la conversion d'une tension alternative en une tension continue de valeur moyenne réglable L intérêt du redressement commandé et qu il permette de faire varier la tension moyenne en sortie du pont et donc de faire varier par exemple la vitesse de rotation d un moteur à courant continu 2 Le thyristor Symbole En électrotechnique, le thyristor est équivalent à un interrupteur unidirectionnel commandé à la fermeture Pour amorcer un thyristor Il faut : - que la tension vak soit positive ; - un courant de gâchette suffisant le temps que iak s établisse Le thyristor se comporte comme un interrupteur fermé Aspect Il comporte 3 broches Il faut se référer à un catalogue pour connaître l ordre du brochage Pour bloquer le thyristor Il faut annuler le courant iak Le thyristor se comporte comme un interrupteur ouvert Page 5

6 3 Principe : redressement commandé mono-alternance Montage Oscillogrammes Commentaires Le thyristor est passant qu à partir du moment où l on envoie le signal de gâchette et à la condition que la tension vak soit positive l amorçage s effectue avec le retard t0 après chaque début de période T le signal de gâchette doit être synchronisé avec celui de la tension v l angle t 0 s appelle l angle de retard à l amorçage 4 Pont mixte Montage Oscillogrammes Lorsque u devient négatif, le courant i le devient aussi puisque la charge est résistive (u = Ri) Le thyristor se bloque L alternance négative est éliminée d où le nom de mono-alternance Pour amorcer le thyristor il faut : - une tension positive et - un courant de gâchette Si l on envoie un courant de gâchette alors que la tension est négative, le thyristor reste bloqué Commentaires Valeur moyenne de u V u ˆ (1 cos ) Malgré une conduction ininterrompue, la tension de sortie u s annule lorsque v devient négatif Cela est dû à la présence des diodes Durant les instants où la tension est nulle, la charge fonctionne en roue libre C est-à-dire qu elle n est pas reliée à l alimentation La bobine libère son énergie et assure la continuité du courant Phases de roue libre Les cathodes des deux thyristors sont au même potentiel On dit que le montage est à cathodes communes Page 6