1

REDRESSEMENT COMMANDE

I. INTRODUCTION.

1.Dfinition. Un montage redresseur command permet dobtenir une tension continue rglable (de valeur moyenne non nulle) partir dune tension alterna-tive sinusodale (de valeur moyenne nulle). Lutilisation de commutateurs commandables tels que les thyristors permet de raliser des redresseurs dont la tension moyenne de sortie peut varier en fonction de langle damorage d des commuta-teurs. Il existe de nombreuses applications industrielles mettant en oeuvre ce type de redressement : variateur de vitesse de moteur courant continu; commande de puissance (chauffage, ...) ; etc. 2. Composant utilis. Le thyristor

Symbole :

Un thyristor peut tre considr comme une diode comportant une lectrode de commande G (gchette). Pour tre amorc, le thyristor doit recevoir une impulsion sur la gchette alors que la tension vAK est positive. Un thyristor se bloque naturellement lorsque le courant qui le traverse sannule. On peut galement le bloquer en lui appliquant une tension vAK ngative. Caractristique :

TH i

vAK

A K

G

i

vAK 0

i ITHMAX

VRRM

=

ie

ve

iS

vS

COMMANDE

2

II. REDRESSEMENT MONOALTERNANCE COMMANDE SUR CHARGE RESISTIVE.

On considre le thyristor TH parfait. ve(t) = $Ve.sin(w.t). d est appel angle de retard lamorage. Il est syn-chronis sur le rseau. Il correspond un temps de re-

tard lamorage td tel que td = dp2 .T.

1.Chronogrammes.

2.Analyse du fonctionnement. Quelque soit ltat de TH on a : ve = vAK + vS. ve(t) > 0 vAK > 0 : le thyristor peut tre amorc.

- si iG = 0 A : TH reste bloqu et iS = 0 , vS = 0 et vAK = ve ; - si une impulsion de courant iG suffisante apparat sur sa gchette alors TH devient passant

et vAK = 0 , vS = ve et iS = vRe .

R

TH iS

ve vS vAK

iG

q = w.t

ve

q = w.t

iG

vS

q = w.t

TH passant

TH bloqu

TH passant TH bloqu

d

d

d+p

d+2p

d+3p

d+2p

3

ve(t) = 0 iS = 0 A : le thyristor se bloque naturellement. ve(t) < 0 vAK > 0 : le thyristor ne peut pas tre amorc. Il reste bloqu mme si une impulsion

apparat de courant apparat sur sa gchette. etc. Remarques :

vS, iS et vAK ont la mme priode que ve T = 2.p rad. le thyristor doit supporter en inverse $Ve. le courant iS =

vRS sannule priodiquement, nous sommes en rgime de conduction

discontinu : iS 0. en pratique (industrie) pour sassurer que les thyristors samorcent, on envoie sur leur gchette

un train dimpulsions (une dizaine la suite). mauvais rendement du dispositif, lalternance ngative est limine.

3. Valeur moyenne de la tension redresse.

Calculons la valeur moyenne V S de vS(t) :

T + t

tSS

0

0

(t).dtvT1

= V = [ ]pdp

d

p

qp

qqp

qqp

)cos( -2V

= ).dsin(2V

= ).d.sin(V21 ee

0e .

2

[ ] [ ] eeeS V.)cos( +

= )cos( + V

= )cos( + )cos( -V

= V 2

11.

2

.

2

p

dd

pdp

p

Remarques :

la valeur moyenne de la tension vS peut tre ajuste en fonction de la valeur de langle de retard lamorage d.

IS = eS V.R2)cos( + 1

= RV

.pd

.

Traons lallure de V S = f( d ) pour 0 d 2.p rad. Donc 0 V S Vep

0 p

d(rad)

(V)VS

2p

peV

4

III. REDRESSEMENT DOUBLE-ALTERNANCE COMMANDE.

1. Pont P2 sur charge rsistive.

Les thyristors, le transformateur point milieu sont par-faits.

v1(t) = $V .sin(w.t) = -v2(t), f = 50 Hz. La commande des thyristors est synchronise sur le r-seau, avec un retard lamorage td, la mise en conduc-

tion de TH2 tant retarde de T2 par rapport celle de TH1.

a) Chronogrammes.

T

u

TH1 R iS

vS

v1

v2 TH2

iTH1

iTH2

vTH1

vTH2

q = w.t

v1, v2(V)

q = w.t

iG1, iG2(mA)

vS(V)

q = w.t

TH1 passant

TH1 passant

d

d

d+p d+2p d+3p

d+2p

iS(mA)

q = w.t d d+2p

iTH1(mA)

q = w.t d d+2p

v1

v2

v1

v2

TH2 passant

TH2 passant

iG1

iG2

eV

GI

5

b) Analyse du fonctionnement.

pour 0 q < p : v1(t) > 0 et v2(t) < 0 : Par consquent : vTH1 > 0 TH1 peut tre amorc ; vTH2 < 0 TH2 ne peut tre amorc. tant que q < d, TH1 et TH2 sont bloqus :

iS = iTH1 = iTH2 = 0 ; vS = 0 ; vTH1 = v1 > 0 ; vTH2 = v2 < 0.

q = d < p , on amorce TH1, alors : vTH1 = 0 ; vS = v1 > 0 ;

iTH1 = iS = vR1 ;

iTH2 = 0 ; vTH2 = v2 - v1 = -2.v1 < 0.

pour q = p : v1 = v2 = 0 : iS = iTH1 = 0 TH1 se bloque naturellement.

pour p q < 2p : v1(t) < 0 et v2(t) > 0 :

Par consquent : vTH1 < 0 TH1 ne peut tre amorc ; vTH2 > 0 TH2 peut tre amorc.

tant que p q < d + p, TH1 et TH2 sont bloqus : iS = iTH1 = iTH2 = 0 ; vS = 0 ; vTH1 = v1 < 0 ; vTH2 = v2 > 0.

q = p + d < 2p , on amorce TH2, alors : vTH2 = 0 ; vS = v2 > 0 ;

iTH2 = iS = vR2 ;

iTH1 = 0 ; vTH1 = v1 - v2 = -2.v2 < 0.

pour q = 2p : v1 = v2 = 0 : iS = iTH2 = 0 TH2 se bloque naturellement.

Remarques :

la priode de la tension redresse vS est T = T2 ; sa frquence f est donc le double de celle du

rseau : f = 100 Hz. le courant iS sannule : rgime de conduction interrompu. chaque thyristor doit supporter en inverse une tension qui dpend de d mais 2. $V . fonctionne seulement si d p.

c) Valeur moyenne de la tension redresse.

6

Calculons la valeur moyenne V S de vS(t) :

T + t

tSS

0

0

(t).dtvT1

= V = V.)cos( +

= ).dsin(V

= ).d.sin(V1

0

1

p

dqq

pqq

p

p

d

p

Evident, elle est double par rapport au monoalternance Remarques :

IS = V.R)cos( + 1

= RVS

.pd

;

I = ITH TH1 1 = V.R)cos( + 1

= 2IS

..2 pd

Pour d = 0 rad,

on retrouve la relation tablie dans le cas du redressement non command : V S = p

V. 2.

Traons lallure de V S = f(d) pour 0 d p rad.

2. Pont P2 sur charge inductive.

Les thyristors, le transformateur point milieu sont parfaits.

v1(t) = $V .sin(w.t) = -v2(t) La commande des thyristors est synchronise sur le r-seau, avec un retard lamorage td, la mise en

conduction de TH2 tant retarde de T2 par rapport

celle de TH1.

T

u

TH1 R iS

vS

v1

v2 TH2

iTH1

iTH2

vTH1

vTH2

L

0 V V S p

eV.2

0 p d(rad)

(V)VS

2p

peV.2

7

a) Chronogrammes.

b) Analyse du fonctionnement. Linductance L est suffisamment grande pour que le courant iS ne sannule pas : conduction ininter-rompue.

V

GI

SI

q = w.t

v1, v2(V)

iG1, iG2(mA)

vS(V)

q = w.t d

q = w.t d d+p d+2p d+3p

d+2p

iS(A)

q = w.t d d+2p iTH1(A)

q = w.t d d+2p

v1

v2

v1

v2

iG1

iG2

TH1 passant TH1 passant

TH2 passant TH2 passant

DiS

8

pour d q < p + d : v1(t) > 0, v2(t) < 0 et iS > 0 : q = d, on amorce TH1, alors :

vTH1 = 0 ; vS = v1 > 0 ; iTH1 = iS ; iTH2 = 0 ; vTH2 = v2 - v1 = -2.v1 < 0.

pour q = p : v1 = v2 = 0 or iS = iTH1 0 TH1 ne peut pas se bloquer naturellement et conti-nue dassurer la conduction.

pour p < q < p + d : v1(t) < 0 et v2(t) > 0 : vTH2 = v2 - v1 > 0 TH2 peut tre amorc mais on ne le fait pas. tant que p q < p + d, TH1 continue dassurer la conduction puisque iS > 0.

iS = iTH1 ; vS = v1 ; vTH1 = 0 ; vTH2 = v2 - v1 > 0.

pour p + d q < 2p + d : v1(t) < 0, v2(t) > 0 et iS > 0 :

q = p + d, on amorce TH2, alors : vTH2 = 0 ; vS = v1 > 0 ; iTH2 = iS ; iTH1 = 0 ; vTH1 = v1 - v2 = -2.v2 < 0.

pour q = 2p : v1 = v2 = 0 or iS = iTH2 0 TH2 ne peut pas se bloquer naturellement et continue dassurer la conduction.

pour 2p < q < 2p + d : v1(t) > 0 et v2(t) < 0 et iS > 0 : vTH1 = v1 - v2 > 0 TH1 peut tre amorc mais on ne le fait pas. tant que 2p q < 2p + d, TH2 continue dassurer la conduction puisque iS > 0.

iS = iTH2 ; vS = v2 ; vTH2 = 0 ; vTH1 = v1 - v2 > 0.

Remarques :

la tension redresse vS est bidirectionnelle et iS > 0 : vS > 0 p = vS.iS > 0, la charge reoit de la puissance ; vS < 0 p = vS.iS < 0, la charge fournie de la puissance (L restitue de lnergie).

Or, la charge nest pas active, donc impossible que la puissance quelle fournie soit suprieure

celle quelle reoit sur une priode la puissance moyenne reue par la charge est forcment

positive d p2 rad.

londulation du courant dans la charge DiS dpend de L. Souvent on considre que le courant dans la charge est parfaitement liss, cest--dire que L est infiniment grande. Dans ce cas, on suppose que DiS = 0 et iS est constant et gal I S (courant moyen). Transformation tension al-ternative courant continu.

le courant moyen traversant un thyristor est 2I

= I STH

9

c) Valeur moyenne de la tension redresse. Calculons la valeur moyenne V S de vS(t) :

T + t

tSS

0

0

(t).dtvT1

= V = [ ] )cos( -.V = ).dsin(V = ).d.sin(V1 +0

dpd

dp

d

p

qp

qqp

qqp

+

Do : [ ] ).cos(V2. = )cos( + ) + cos( -.V = VS dpddp

p

Traons lallure de V S = f(d) pour 0 d p2 rad.

d) Valeur moyenne du courant dans la charge. Calculons la valeur moyenne IS de iS(t).

On a la relation suivante : V S = R.IS + dtdi

L. S .

Or, dtdi

L. S = 0 donc : ).cos(R.

V2. =

RV

= I SS dp

e) Puissance change. Si on suppose le courant dans la charge parfaitement liss et gal sa valeur moyenne alors :

P = SS .iv = V S. SI = )(.cosR.V. 2

2

2

dp

4 avec d

2p

rad.

3. Pont mixte symtrique sur charge active.

Les thyristors et les diodes sont parfaits. ve(t) = $Ve.sin(w.t) avec f = 50 Hz.

La commande des thyristors est synchronise sur v(t), avec un retard lamorage td, la mise en conduction

de TH2 tant retarde de T2 par rapport celle de TH1.

On suppose L suffisamment grande pour considrer le courant dans la charge comme constant et ininterrom-pu iS = IS.

ve ie

TH1

vS

TH2 iTH2

iS

iD1

D1 D2

iD2

vTH1 vTH2 L uL

uR

E

R

iTH1

vD1 vD2

(V) VS

2p

p

V.2

d(rad)

10

a) Chronogrammes.

ve(V)

q = w.t

ig1, ig2(mA) q = w.t

ig1

ig2

vS(V)

q = w.t

iS(A)

q = w.t iTH1(A)

q = w.t iD1(A)

q = w.t

ie(A)

q = w.t

d d+p

d+2p

d+3p

TH1

TH2

TH1

TH2

D2

D1

D2

D1

TH2

D2

d d+p

d+2p

d+3p

d d+p

d+2p

d+3p

d d+p

d+2p

d+3p

11

b) Analyse du fonctionnement.

pour d q < p + d : ve(t) > 0 et iS > 0 :

q = d, on amorce TH1, alors : vTH1 = 0 ; vD2 = 0 car D2 polarise en directe donc

passante ; vS = ve > 0 ; iTH1 = iD2 = iS ; ie = iS > 0 ; vTH2 = vD1 = -ve < 0 ; iTH2 = iD1 = 0 car D1 polarise en inverse

donc bloque. pour q = p : ve = 0 or iS = iTH1 0 TH1 ne peut pas se bloquer naturellement et continue

dassurer la conduction. Par contre la diode D2 se bloque naturellement, D1 se trouve polari-se en direct et devient passante.

pour p < q < p + d : ve(t) < 0 :

vTH2 = -ve > 0 TH2 peut tre amorc mais on ne le fait pas. tant que p q < p + d, TH1 continue dassurer la conduction puisque iS > 0 avec D1 la charge est court-circuite : phase de roue libre.

iS = iTH1 = iD1 ; vS = 0 ; iD2 = iTH2 = 0 ; ie = 0 ; vTH1 = vD1 = 0 ; vTH2 = -ve > 0.

pour p + d q < 2p + d : ve(t) < 0 et iS > 0 :

q = p + d, on amorce TH2, alors : vTH2 = 0 ; TH1 se bloque simultanment et iTH1 = 0 ; vD1 = 0 car D1 polarise en directe donc

passante ; vS = -ve > 0 ; iTH2 = iD1 = iS ; ie = -iS < 0 ; vTH1 = vD2 = ve < 0 donc D2 bloque et iD2

= 0.

ve ie

TH1

vS

TH2 iTH2

iS

iD1

D1 D2

iD2

vTH1 vTH2 L uL

uR

E

R

iTH1

vD1 vD2

ie

TH1

vS

TH2

iTH2

iS

iD1

D1 D2 iD2

vTH1 vTH2 L uL

uR

E

R

iTH1

vD1 vD2

ve

ie

TH1

vS

TH2

iTH2

iS

iD1

D1 D2 iD2

vTH1 vTH2 L uL

uR

E

R

iTH1

vD1 vD2

ve

12

pour q = 2p : ve = 0 or iS = iTH2 0 TH2 ne peut pas se bloquer naturellement et continue

dassurer la conduction. Par contre la diode D1 se bloque naturellement, D2 se trouve polari-se en direct et devient passante.

pour 2p < q < 2p + d : ve(t) > 0 et iS > 0 :

vTH1 = ve > 0 TH1 peut tre amorc mais on ne le fait pas. tant que 2p q < 2p + d, TH2 continue dassurer la conduction puisque iS > 0 avec D2 la charge est court-circuite : phase de roue libre.

iS = iTH2 = iD2 ; vS = 0 ; iD1 = iTH1 = 0 ; ie = 0 ; vTH2 = vD2 = 0 ; vTH1 = ve > 0.

Remarques : la frquence de vS est le double de celle du rseau ; la tension redresse vS est monodirectionnelle et iS > 0 :

vS > 0 p = vS.iS > 0, la charge reoit de la puissance. les thyristors et les diodes doivent supporter en inverse $Ve.

c) Valeur moyenne de la tension redresse.

T + t

tSS

0

0

(t).dtvT1

= V = V.)cos( +

= ).dsin(V

= ).d.sin(V1

ee

0e

1

p

dqq

pqq

p

p

d

p

Il est possible, en agissant sur d de faire varier VS .

d pouvant varier en thorie de 0 p, VS dcrot de V.

ep

2 0 sans jamais tre ngatif.

d) Valeur moyenne du courant dans la charge.

On a la relation suivante : V S = R.IS + dtdi

L. S + E.

Or, dtdi

L. S = 0 donc : R

E - V.)cos( + 1

= R

E - V = I

eSS

p

d

Remarques : chaque diode et thyristor est travers par un courant moyen gal 2

I S ;

le courant ie fourni par le rseau est alternatif : Ie = 0. e) Conclusion. Le pont mixte nest pas rversible en tension et en courant, le convertisseur ne peut fonctionner quen redresseur command en raison de la prsence des diodes dans le montage. Application possible : variateur de vitesse moteur DC dans un sens de rotation quadrant ou .

ie

TH1 TH2

iTH2 iD1

D1 D2 iD2

vTH1 vTH2

vS

iS

L uL

uR

E

R

iTH1

vD1 vD2

ve

13

4. Pont PD2 tout thyristor sur charge active rversible : moteur DC. a) Fonctionnement en redresseur.

iTH1

ve ie

TH1

vS

TH2 iTH2

iS

iD1

TH4 TH3

iTH3

vTH1 vTH2 L uL

ur

E

r vTH4 vTH3

ve ie

TH1

vS

TH2 iTH2

iS

iD1

TH4 TH3

iTH3

vTH1 vTH2 L uL

uM vTH4 vTH3

M

ve(V)

q = w.t

ig1, ig3(mA)

iS(A)

q = w.t d d+p

d+2p

d+3p

q = w.t d d+p

d+2p

d+3p

vS(V)

q = w.t d d+p

d+2p

d+3p

ig2, ig4(mA)

q = w.t d d+p

d+2p

d+3p

TH1

TH2

TH1

TH2

TH2 TH3

TH3

TH4

TH4

TH4

14

IS est impos par le moment du couple rsistant Gr et la f..m. varie avec la valeur moyenne de la ten-

sion redresse vS : E = SeSS Ir. - .cosV2.

= Ir. - V dp

= K.W

La valeur moyenne de la puissance P consomme par la charge est positive. b) Fonctionnement en onduleur assist.

Le montage fonctionne en onduleur assist si d > p2 rad. On a les chronogrammes suivants pour d = 3 4

p rad

ve(V)

q = w.t

ig1, ig3(mA)

iS(A)

q = w.t d

d+3p

d+2p

q = w.t d+p

vS(V)

q = w.t d d+p

d+2p

ig2, ig4(mA)

q = w.t d d+p

d+2p

d+3p

TH1

TH2

TH1

TH2

TH2 TH3

TH3

TH4 TH4

TH4

d+3p

15

IS est toujours positif et le couple rsistance galement. La valeur moyenne de la tension redresse vS devient ngative :

E = SeSS Ir. - .cosV2.

= Ir. - V dp

= K.W < 0

la vitesse de rotation sinverse. La valeur moyenne de la puissance P consomme par la charge devient galement ngative le trans-fert dnergie a lieu dans le sens continu (moteur) alternatif (rseau) caractrisant un fonctionne-ment en gnratrice de la machine. Cest le cas lors des phases de freinage en particulier lorsquelle est entrane par sa charge. Le rseau rcupre une partie de lnergie fournie lors du fonctionnement en moteur. Le pont ne fonctionne plus en redresseur, mais en onduleur assist ( onduleur autonome) car la fr-quence de vS (dans ce cas 100 Hz) est impose par celle du rseau (50 Hz). c) Conclusion.

Traons V S = f(d) pour 0 d p rad. ).cos(V2. = V eS dp

Avec un seul pont complet 4 thyristors on peut faire fonctionner le moteur dans les deux quadrants (ici les quadrants 1 et 4). Pour pouvoir le faire fonctionner dans les 4 quadrants, il faut pouvoir gale-ment inverser le sens du courant I traversant linduit, on utilise un second pont complet 4 thyristors mont tte-bche avec le premier : on parle de variateur rversible.

M Pont 1 quadrants 1 et 4

Pont 2 quadrants

2 et 3

(V) VS

peV.2

d(rad) p

redresseur command

onduleur assist