Monage de spécialié : Gradaeur monophasé: Sraégies de commande. Harmoniques. Mesures de puissance. Foncionnemen sur diverses charges. Nicolas Dandrimon - Pierre-Éienne Levy Décembre 2009 Table des maières 1 Gradaeur Commercial. Commande par la phase 2 1.1 Disposiif d éclairage......................... 2 1.2 Srucure du gradaeur........................ 2 1.3 Foncionnemen sur charge résisive................ 3 1.3.1 Transfer de puissance.................... 3 1.3.2 Polluion du réseau...................... 3 1.4 Foncionnemen sur charge L.................... 4 2 Commande par rain d ondes 5 3 Gradaeur à découpage 6 3.1 Principe................................ 6 3.2 Réalisaion.............................. 6 3.2.1 Capaciés «parasies».................... 6 3.3 Transfer de puissance e polluion harmonique.......... 7 Résumé Le gradaeur es un disposiif indusriel de réglage du ransfer de puissance enre un réseau e une charge, qui peu êre résisive ou inducive. Ce disposiif es uilisé noammen pour le réglage de puissance lumineuse dans des disposiifs d éclairage, mais aussi pour le réglage du faceur de qualié d insallaions indusrielles, dans les saocompensaeurs. Ce monage s aèle à l éude de différenes srucures de gradaeur, permean de comprendre le foncionnemen e les principes liés. 1
1 Gradaeur Commercial. Commande par la phase 1.1 Disposiif d éclairage Le premier disposiif présené es un gradaeur pour éclairage à incandescence. Les formes d onde relevées son données en figure suivane. Figure 1 Gradaeur pour éclairage NB : l ampliude du couran varie puisque la résisance du filamen varie selon la empéraure. On consae que le couran dans la charge es découpé. Il es nul enre le passage à zéro de la ension e une phase donnée, appelée angle de commande. Ce angle de commande sera noé ϕ. Cee srucure de commande es appelée commande par la phase. 1.2 Srucure du gradaeur Le gradaeur es en fai consiué de deux hyrisors placés êe-bêche, ou d un riac, srucure équivalene. Un disposiif de commande perme d envoyer des impulsions sur les gâchees aux insans prévus. i() v() v ch () Charge Figure 2 Srucure du gradaeur Pour pouvoir éudier plus précisémen la commande du disposiif commercial, nous passons à une maquee de gradaeur riphasé, que l on uilise en gradaeur monophasé. La commande es effecuée en se synchronisan avec une phase du réseau. Ainsi, il es possible de faire varier l angle de commande enre 0 e 150. 2
En observan la ension enre la gâchee e la cahode, on consae que la commande n es pas une impulsion simple mais un rain d impulsions enre ϕ e 180. Cela impose que le hyrisor passe en conducion lors de la demi-période, e cela quelle que soi la charge, comme on le verra de nouveau plus ard. 1.3 Foncionnemen sur charge résisive 1.3.1 Transfer de puissance Le ransfer de puissance sur une charge résisive peu êre déerminée comme valan : ( P = P 0 1 ϕ π + 1 ) 2π sin(2ϕ) (1) avec P 0 = V 2 la puissance ransmise pour un angle de commande nul. R En effecuan le relevé (figure 3), on consae une rès bonne adéquaion avec la valeur héorique. Figure 3 Transfer de puissance du gradaeur sur charge résisive Le fondamenal du couran absorbé par la charge résisive n es plus en phase avec la ension du réseau, impliqun une consommaion de puissance réacive. 1.3.2 Polluion du réseau On consae que le couran absorbé au réseau n es plus sinusoïdal. De plus, la polluion de la ension du réseau es imporane. En effe, lors de l amorçage du hyrisor, un appel de couran imporan fai que la ension s annule à cause de l inducance du réseau. 3
1.4 Foncionnemen sur charge L On passe mainenan à l éude du gradaeur sur une charge inducive pure L. Les formes d onde son données à la figure 4. T2 v ch () ϕ i() Figure 4 Formes d onde pour le gradaeur sur charge inducive. On consae que les hyrisors se bloquen de manière décalée avec les passages à zéro de la ension. En effe, les maxima du couran son aux insans où la ension s annule. Si on augmene l angle de commande, l ampliude du couran va diminuer. Il es alors possible de régler le ransfer de puissance réacive à la charge. Vu que le déphasage enre le couran e la ension es oujours de π/2, le disposiif consomme uniquemen de la puissance réacive. Si les hyrisors éaien commandés en mono-impulsions, on devrai aussi pouvoir consaer un angle limie de commande, héoriquemen de π/2, en deçà duquel le gradaeur a un comporemen spécifique d un redresseur (figure 5). En effe, lors de l impulsion sur la gâchee du hyrisor T2, la ension à ses bornes es rop négaive pour qu il conduise. ϕ T2 v ch () i() Figure 5 Gradaeur sur charge inducive ; comporemen redresseur Il es ouefois impossible de le mere en évidence expérimenalemen, avec le disposiif proposé. En effe, en observan la ension enre la gâchee e la cahode d un hyrisor (figure 6), on consae que la commande envoie un rain d impulsions sur la gâchee enre φ e π. Ceci es un mécanisme de sécurié pour assurer la conducion d un hyrisor pour chaque demi-période. Le gradaeur sur charge inducive es uilisé dans les saocompensaeurs, permean de compenser la puissance réacive consommée par une insallaion. On dimensionne la capacié C pour compenser la puissance réacive consommée par l insallaion dans le pire des cas, puis l on règle l inducance L 4
ϕ T2 v ch () i() Figure 6 Commande d un hyrisor e forme d onde réelle Réseau L C Insallaion Figure 7 Saocompensaeur à l aide du gradaeur pour fournir la différence enre le réacif consommé par l insallaion e le réacif fourni par la capacié. 2 Commande par rain d ondes Pour les charges à grande inerie (ypiquemen sysèmes de chauffage), il es possible de miiger le problème des harmoniques e de la consommaion de puissance réacive sur le réseau en commandan nore gradaeur non plus par la phase, mais sur un rain d ondes. v ch () v() mt NT Figure 8 Formes d onde pour le gradaeur commandé en rain d ondes Comme racé en figure 8, on fai en sore d amorcer e bloquer les hyrisors à un passage à zéro de la ension. On fai passer le couran sur m périodes oues les N périodes. La puissance ransmise à la charge vau alors P = m N P 0 (2) 5
Sur une charge résisive (seul cas réel d applicaion du gradaeur à rain d ondes), e si les commuaions correspondan bien à des passages à zéro de la ension réseau, il n y a pas de puissance réacive consommée, ni d harmoniques. 3 Gradaeur à découpage La dernière srucure éudiée, le gradaeur à découpage, perme de rejeer les harmoniques problémaiques aux alenours d une fréquence de découpage qui es choisie élevée (auour du khz). 3.1 Principe i() v() v H1 () v ch () i ch () Charge i H2 () Figure 9 Srucure de principe du gradaeur à découpage La srucure du gradaeur à découpage es présenée en figure 9. Les inerrupeurs son commandés en complémenaire : { enre 0 e αt condui (3) enre αt e T T 2 condui On en dédui les formes d onde suivanes : Pour simplifier la représenaion, on choisi une fréquence de hachage f H = 6f Réseau, e un rappor cyclique α = 0.5. 3.2 Réalisaion Les courans e ensions obenus monren que le gradaeur es consiué de deux inerrupeurs foncionnan dans les quare quadrans, ce qui es difficilemen réalisable par un composan unique. Il es donc choisi d uiliser deux inerrupeurs deux quadrans en série pour obenir un inerrupeur quare quadrans. La srucure finale du gradaeur es donnée en figure 11. L inerrupeur T 1 du schéma de principe correspond aux cellules 1 e 3 en série, T 2 aux cellules 2 e 4. Ces deux inerrupeurs son alors commandés en complémenaire. Pour monrer que les inerrupeurs son bien à quare quadrans, il es possible de mesurer direcemen v H2 = v ch e i H2. On consae en mode x-y que le poin couran se déplace bien sur l inégralié des deux axes (figure 12). 3.2.1 Capaciés «parasies» Aux bornes de nos bras de hacheurs, une capacié es mise en parallèle. On peu monrer que lors du foncionnemen de nore disposiif, la capacié ne peu qu êre chargée. Ceci pose problème car le poeniel Φ H2 de la branche où l on 6
v ch () i H2 () v H1 () i H1 () Figure 10 Formes d onde du gradaeur à découpage v() 1 3 i ch () 2 v ch () i H2 () 4 Figure 11 Srucure réelle du gradaeur à découpage mesure i H2 es floan. Il fau donc bien faire aenion à ne pas dépasser les ensions nominales de nos capaciés, en plaçan un volmère aux bornes de celles-ci. 3.3 Transfer de puissance e polluion harmonique Si on se place dans le cas où f H f Réseau, alors on peu considérer que V cheff αv Réseau. Le ransfer de puissance peu alors êre réglé grâce au rap- 7
Figure 12 Gradaeur à découpage : Inerrupeur 4 quadrans por cyclique. La polluion harmonique es rejeée auour de la fréquence de découpage, e ne pose plus de problème pour nore réseau. 8