LE REDRESSEMENT COMMANDE
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1 Généralités .................... ............................. ................... .................... .................... ................... ................... .................... .................... ................... ................... .................. ........ 33 2 Montages mixtes ................... ............................. .................... .................... .................... ................... ................... .................... .................... ................... .................. ......... 33 2.1 Généralités .................... ............................. ................... .................... .................... .................... ................... ................... .................... .................... .................... .......... 33 2.2 Etude du montage PD2 ................... ............................. .................... .................... .................... .................... .................... .................... .................... .......... 34 2.3 Etude du montage PD3 ................... ............................. .................... .................... .................... .................... .................... .................... .................... .......... 36 3 Montage tout thyristors .................... ............................. ................... .................... .................... .................... ................... ................... .................... .................. ........ 40 3.1 Etude du montage PD2 ................... ............................. .................... .................... .................... .................... .................... .................... .................... .......... 40 3.2 Etude du montage P3 ................... ............................. .................... .................... ................... ................... .................... .................... .................... .............. .... 41 3.3 Etude du montage PD3 ................... ............................. .................... .................... .................... .................... .................... .................... .................... .......... 43 3.4 Réversibilité des montages tout thyristors............................. thyristors....................................... ................... ................... .................... ............ .. 44 4 Groupement des redresseurs commandés commandés .................... .............................. .................... .................... .................... .................... .................. ........ 47 4.1 Généralités .................... ............................. ................... .................... .................... .................... ................... ................... .................... .................... .................... .......... 47 4.2 Etude d'un cas particulier de groupement série ................... ............................. ..................... ..................... .................... ............ .. 48 4.3 Groupement en antiparallèle antiparallèle des montages montages tout thyristors............ thyristors....................... ..................... .................... ............ .. 49 5 Utilisation des redresseurs commandés − Problèmes Problèmes posés par les systèmes réels ........ ............ ...... .. 50 5.1 Dimensionnement de l'inductance de lissage lissage ................... ............................. .................... ..................... ..................... ............... ..... 50 5.2 Choix et couplage du transformateur − Dimensionnem Dimensionnement ent des redresseurs ........ ............ ........ ...... .. 51 5.3 Chutes de tension − Rendement................. Rendement........................... .................... .................... .................... .................... .................... ................... ......... 51 5.4 Comportement vis à vis du réseau d'alimentation .................... .............................. .................... ..................... .................. ....... 51 5.5 Conclusion − Critère de choix ................... ............................. .................... .................... .................... ................... ................... .................... .......... 53 5.6 Remarque au sujet de la commande des thyristors....................... thyristors................................. .................... .................... .............. .... 54
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B Redressement commandé
1 Généralités La méthode d'étude est analogue à celle utilisée pour le redressement non commandé. Après avoir, dans un premier temps, fait une étude théorique d'un certain nombre de montages, on s'intéresse à quelques points particuliers liés à l'utilisation des redresseurs réels. Par contre, nous n'envisagerons pratiquement aucune application ici, car les montages redresseurs commandés sont essentiellement employés dans les variateurs de vitesse, auxquels nous consacrerons un chapitre particulier. Les montages peuvent, de même, se classer en parallèle, parallèle double et série. Les caractéristiques de chaque type de montage étant similaires à celles obtenues en redressement non commandé, nous ne ferons donc plus leur étude systématique. Par contre, on distinguera les montages tout thyristors, qui ne contiennent que des redresseurs commandés, des montages mixtes, qui comportent également des diodes, car, comme on le verra plus loin, il existe des différences assez sensibles entre les deux types de montages redresseurs. En ce qui concerne les notations utilisées, nous désignerons par α l'angle de retard à l'amorçage des thyristors, compté à partir du moment où une diode, placée au même endroit que le thyristor, s'amorcerait ( certains auteurs parlent de "commutation naturelle" pour désigner cet instant ). D'autre part, on affecte d'un indice "prime" les valeurs moyennes des tensions, ce qui permettra de les distinguer des valeurs moyennes en redressement non commandé et de les ex primer en fonction de ces dernières. De même, on notera f's et f' p p les facteurs de puissance et on les exprimera en fonction des facteurs f s et f p correspondants. 2 Montages mixtes 2.1 Généralités Ces dispositifs comportant des diodes et des thyristors, il existe diverses structures possi bles, même pour un type donné de montage. Les résultats obtenus étant similaires, nous n'étudierons de façon systématique que le cas des montages parallèle double symétriques, constitués par l'association d'un montage parallèle à diodes et d'un montage parallèle à thyristors. Dans ce qui suit, nous supposerons que c'est le montage à cathode commune qui est constitué de thyristors ( Cf. figure 1 ), mais ceci n'est pas impératif, les résultats sont identiques avec un dispositif comportant des thyristors à anode commune. Seuls des impératifs technologiques, comme par exemple l'utilisation possible d'une commande de gâchette non isolée pour les thyristors, peuvent faire préférer la première solution.
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L'étude de ces montages ( comme celle des montages tout thyristors ) commence, de même, par la détermination des intervalles D'1 T1 e2 de conduction des semi-conducteurs. Le courant débité étant ininterrompu, les deux montages parallèle fonctionnent de façon D'2 T2 indépendante. En particulier, les intervalles de conduction des eq u diodes sont les mêmes qu'en redressement non commandé. En ce D'q Tq qui concerne les thyristors, leur déblocage est retardé de l'angle α. Comme leur blocage est consécutif au déblocage de l'élément suivant, également retardé du même angle, les intervalles de congure 1 duction s'obtiennent simplement en décalant de l'angle α les intervalles de conduction qu'on aurait en redressement non commandé, c'est à dire, ici, ceux qu'on aurait obtenus en appliquant la règle de fonctionnement des montages parallèle à cathode commune. e1
Remarque 1: Cette méthode très rapide de recherche des intervalles de conduction ne s'applique qu'aux montages symétriques car il faut que tous les éléments d'un même montage parallèle soient identiques. Pour les montages dissymétriques, où ce n'est pas le cas, il faudra effectuer une étude plus détaillée du fonctionnement de chaque partie. Remarque 2: Tout ce qui vient d'être dit reste valable pour les montages série, qui ne diffèrent des montages parallèle double que par le type de couplage des tensions d'alimentations. 2.2 Etude du montage PD2 2.2.1 Allure des tensions et des courants Posons comme habituellement e = E 2 sinθ. Ainsi que nous l'avons dit au paragraphe précédent, D'1 iD'1 T1 iT1 I C u p e les intervalles de conduction de D'1 et de D'2 sont invT1 changés, ceux de T1 et de T2 sont décalés de l'angle u D'2 T2 α. On obtient ensuite les allures des différentes grandeurs par des raisonnements analogues à ceux effectuées en redressement non commandé ( Cf. figure figure 2 3 ). Signalons simplement que, comme les facteurs de puissance au primaire et au secondaire sont égaux pour les montages PD, nous ne ferons plus l'étude systématique au primaire pour ce type de montage. p
s
Remarque 1: Entre 0 et α ( de même qu'entre π et π + α, 2π et 2π + α, ... ), il y a conduction de deux redresseurs d'une même branche du pont, ce qui entraîne l'annulation de la tension de sortie. La charge ne recevant aucune énergie pendant ces instants, on appelle ce fonctionnement "phase de conduction en roue libre".
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u vT1 ----
α T2
T1
T2
D'2 e
D'1 −e
α
π
D'2
π +α
π
θ
2
iT1 IC
θ
D'1
IC
θ
is IC
α
π π +α
−IC
2
π
θ
figure 3
figure 4
Remarque 2: En examinant l'allure de vT1, on constate que la réapplication d'une tension positive sur les thyristors bloqués se produit d'autant plus rapidement que α est plus grand, ce qui peut entraîner des défauts de blocage si l'angle de retard est très proche de π. Pour éviter d'avoir à limiter cet angle, on modifie le montage, soit en ajoutant une diode supplémentaire dite "diode de roue libre", qui assure la conduction pendant les phases de roue libre ( Cf. figure 4 ), soit en permutant une diode et un thyristor comme indiqué sur la figure 5. Dans les deux cas, la d.d.p. aux bornes des thyristors est maintenue inférieure à leur tension de seuil pendant une demi-période quel que soit α, ceci éliminant les possibilités de défaut de blocage. On peut cependant noter que ces modifications dissymétrisent le montage, ce qui entraîne que la méthode de détermination des intervalles de conduction décrite plus haut ne s'applique plus ici. Par contre, l'étude montre que les allures de u et de i s restent les mêmes que pour le montage symétrique.
figure 5
2.2.2 Calcul des grandeurs caractéristiques 2.2.2.1 Valeur moyenne de u
U'C
=
1 π
π∫
En remarquant que
udθ =
0
E 2
1 π
π ∫ α
E 2 sin θdθ =
π
π
[ − cosθ]α =
UC
E 2
π
(1 + cosα )
( U C étant la valeur moyenne en redressement non 2 commandé ), on peut écrire le résultat sous la forme
π
est égal à
E 2
U'C
= UC
(1 + cosα ) 2
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2.2.2.2 Valeurs moyennes et efficaces des courants a) Courant dans une diode et dans un thyristor Les allures sont identiques au décalage près. On obtient immédiatement I DC
= ITC =
IC 2
ID
= IT =
IC 2
b) Courant dans le transformateur Comme pour tous les montages PD, il est à valeur moyenne nulle. Sa valeur efficace est π 2 1 1 π 2 I C2 α 2 donnée par I s = 2 i s dθ = I C dθ = ( π − α ) , soit Is = 1 − IC 2π 0 π α π π
∫
∫
2.2.2.3 Facteur de puissance Notons f' la valeur commune du facteur de puissance au primaire et au secondaire. De E 2 (1 + cosα ) I C E 2 α f' = P/S = U'CIC/EIs, avec U'C = , (1 + cosα ) et Is = 1 − IC , on tire f ' = π
π
π
E 1−
αI π C
1 + cos α f '= f
soit
2 1− en notant f =
2 2
π
α π
la valeur correspondante en redressement non commandé.
2.2.2.4 Remarque On constate que, pour un débit IC donné, le courant efficace au secondaire du transformateur diminue lorsque α augmente ( il en est d'ailleurs de même pour les courants dans les redresseurs du pont lorsque le montage est équipé d'une diode de roue libre ). On pourra tenir compte de ceci pour dimensionner les éléments du montage si celui-ci n'est pas destiné à fonctionner à "pleine ouverture". Par contre, si α peut varier entre 0 et π ( ce qui est généralement le cas ), les composants seront calculés comme pour un redresseur non commandé. 2.3 Etude du montage PD3 2.3.1 Allure des tensions et des courants Posons e1 = E 2 sinθ, e 2 = E 2 sin(θ −
2π 3
) et e3 = E 2 sin(θ −
4π 3
). L'étude des intervalles
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is1 e1 e2
D'1 iD'1
T1 iT1 IC
D'2
vT1 T2 u
D'3
e3
T3
de conduction montre qu'il faut distinguer deux cas, suivant que α est inférieur ou supérieur à π/3. Nous avons donc représenté sur les figures 7 et 7 bis les allures correspondant à α = π/6 et à α = 2π/3.
figure 6
α
u vT1
T3 u32
T1
D'2
u12
u13
T2 D'3
u23
e1
π π+α π 6 6 2
u21 e2
T3 D'1
u31
u32
T1 D'2
u12
e3
π +α
θ
5 6
iT1 IC
θ
iD'1 IC
θ
is1 IC
π+α −IC
6
π +α
θ
5 6
figure 7: α = π/6
En comparant cette figure avec la suivante, on voit que le phénomène de roue libre n'apparaît que pour α supérieur à π/3. D'autre part, comme pour le montage PD2, le problème du défaut de blocage peut se poser aux valeurs élevées de α. Ici, seule la solution de la diode de roue libre est possible. Là encore, la présence de cette diode ne modifie pas les allures de u et de i s1.
