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Document de formation avec exemples sur les gradateurs




LES CONVERTISSEURS

ALTERNATIFS / ALTERNATIFS LES GRADATEURS

1.INTRODUCTION

Les gradateurs peuvent assurer la commande et le réglage du courant débité par une source alternative dans une charge aussi alternative, avec valeur efficace contrôlée sans changement de fréquence .La variation de cette valeur efficace se fait par découpage de la tension à l’aide d’un interrupteur statique.

Les gradateurs possèdent deux types de fonctionnement les plus utilisés :

ü  Gradateur à train d’ondes : Utilisé dans l’électrothermique spécialement les fours.

ü  Gradateur a angle de phase : Utilisé pour la commande des moteurs asynchrones aussi pour l’éclairage.

Actuellement tous les gradateurs fonctionnent sur le principe de la commande de phase qui consiste à amorcer l’interrupteur statique avec un retard réglable, et à laisser le blocage s'effectuer en commutation naturelle. L’interrupteur doit permettre le passage du courant dans les deux sens.

On utilise deux thyristors montés tête-bêche ou un triac pour les faibles puissances.

Le courant débité est ininterrompu. En effet, comme, un gradateur comporte simplement, par phase, un interrupteur placé en série avec la charge. Il s'ensuit que l'on ne pourra pas faire abstraction de la nature de la charge et que, comme pour toute étude en courant discontinu, il faudra raisonner sur une succession de cas particuliers. Pour ne pas alourdir la description, nous nous limiterons cependant aux cas les plus usuels de débit sur circuit résistif et sur circuit inductif pour le monophasé et circuit résistif seulement pour le gradateur triphasé.

2.   GRADATEUR MONOPHASÉ COMMANDE EN RETARD DE PHASE :

2.1Débit sur circuit résistif

Figure 1 : montage redressement commandé mono-alternance charge résistive

a.Analyse de fonctionnement

Les thyristors TH1 ou TH2 sont passants qu’à partir du moment où l’on envoie le signal de gâchette et à la condition que la tension VAK soit positive.



ü L’amorçage s’effectue avec un retard t0 après chaque début de période T ü Le signal de gâchette doit être synchronisé avec celui de la tension V ü L’angle  s’appelle l’angle de retard à l’amorçage.

•    Pour 0??????

On a V>0 pas d’impulsion sur la gâchette donc TH1 et TH2 sont bloqués,

Alors ?

•    pour ???????

On a V>0, on envoie une impulsion de commande (courant d’amorçage) donc

TH1 devient conducteur, alors  

                              ? pour ??????????

Le thyristor TH1 se bloque.

                              ? Pour ??????????2?

TH2 reçoit une impulsion. Il est alors polarisé en direct, 

Il s’amorce.  

b. Forme d’onde des différentes grandeurs

Pour un angle d’amorçage  

Figure 2 :Forme d’ondes simple alternance charge résistive

c. Grandeurs caractéristiques Tension et courant

Valeur moyenne

Valeur efficace

Valeur de courant

   

Figure 2 : Variation de  en fonction de

Exemple d’application : Commande de chauffage d’un radiateur 

Un radiateur de résistance R=35? est commandé par un gradateur. 

Figure 3 : Variation de la puissance P en fonction de

d. Remarque

Le courant i(t) dans la charge n’est plus sinusoïdal. Il est possible de décomposer son allure en une onde fondamentale (première harmonique) et une série d’harmoniques d’ordre supérieur. On constate que l’onde fondamentale i1 est déphasée de l’angle ?1 par rapport à la tension d’alimentation v.

Il en découle, que le réseau d’alimentation doit fournir une certaine puissance réactive, même si la charge est purement ohmique.



2.2Débit sur circuit inductif

À cause de l’effet inductif, la conduction se poursuit après la fin de l’alternance, jusqu’à  l’instant d’annulation du courant i(?), lorsque l’angle devient inférieur à ? L’argument du récepteur, le fonctionnement dépend de la nature des signaux appliqués aux gâchettes :

Figure 4 : Montage simple alternance charge inductive

a. Analyse de fonctionnement pour  

Le courant dans la charge est la somme d’une composante libre caractérisant le régime transitoire et d’une composante forcée caractérisant le régime permanent.

La composante  est solution de l’équation sans second membre

La composante est la solution de l’équation avec second membre

 , 

la solution est

•   pour ???????1

TH1 reste conducteur, il se bloque avant l’amorçage de TH2 à ?????

•   pour ?1????????? aucun thyristor n’est amorcé, i(?) = 0, et vTH1(?) = - vTH2(?) = v(?).

? pour ??????????2??

TH2 devient conducteur, il se bloque pour ????1???quand le courant qui le traverse s’annule.

? Pour ??????2?? on a TH1 est à nouveau amorcé le phénomène devient périodique, il est donc possible de régler le courant on agissant sur ??pour ????????.

b. Forme d’onde des différentes grandeurs 

Figure 5: Forme d’ondes simple alternance charge inductive

3.   GRADATEUR TRIPHASÉ COMMANDE EN RETARD DE PHASE :

Contrairement au monophasé, les gradateurs triphasés donnent des meilleures performances.

Il existe plusieurs façons d'associer l'interrupteur avec la charge. Les vrais gradateurs triphasés sont formés de trois ensembles de deux thyristors montés entre le réseau et la charge couplés en triangle ou en étoile.

3.1Débit sur charge résistive sans neutre :

Lorsque l'alimentation et la charge possèdent effectivement la structure en étoile et offrent des points communs accessibles, on peut envisager de relier ces derniers. On obtient alors l'équivalent de trois gradateurs monophasés.



Figure 6 :montage gradateur triphasé charge résistive 

Vu la structure du montage, la conduction isolée d'un interrupteur est impossible. Il ne pourra donc y avoir que trois possibilités:

a)Un interrupteur est commandé : Pas de conduction du courant possible (pas de boucle pour le courant)

b)   deux interrupteurs sont commandés :

Les impédances dans chaque phase conductrice étant identiques, la tension composée correspondante se répartit de façon égale entre les deux éléments concernés. Ainsi, par exemple, si [TH1;TH4] et [TH2;TH5] sont passants, on a

 

[TH3;TH6] bloqué. La loi des mailles, appliquée aux phases 2 et 3 donne  

Comme v3 = 0 et   , on en déduit, tous calculs faits, que

c)   trois interrupteurs sont commandés :

L’installation correspond alors à une installation triphasée équilibrée

On se limitera au tracé des tensions de sortie exemple v1, les autres étant identiques à des décalages de 2?/3 près ).

L'étude complète montre que, suivant la valeur de l'angle de retard à l'amorçage de chaque thyristor, trois modes de fonctionnement sont possibles.

1er Cas où :  

il y a 3 ou 2 thyristors conducteurs :

•       

TH1 , TH5 et TH3 conducteurs d’où

•       

TH1 et TH5 conducteurs d’où

•       

TH1 , TH5et TH6 conducteurs d’où

•   Ect ..

La tension de sortie a pour valeur efficace  

 

Figure 7 : allure de V1(?) pour = 

 

2èmeCas où :

il y a 2 thyristors conducteurs :

? TH1 et TH5 conducteurs d’où

•    1 et TH6 conducteurs d’où

?

•    Ect ..

La tension de sortie a pour valeur efficace    

Figure 8 : allure de V1(?) pour =5/12

3èmeCas où :



il y a toujours 2 ou 0 thyristor passant;

? TH1 et TH5 conducteurs d’où

•   1 et TH6 conducteurs d’où

•   Ect ..

Figure 9 : allure de V1(?) pour =2/3

4.GRADATEURS COMMANDES PAR TRAIN D’ONDES :

Il fournit à partir du réseau alternatif monophasé ou triphasé, par séries, des périodes entières consécutives de tension (amplitude et fréquence du réseau) séparées par des absences totales de tension à un rythme modulable.

Il permet donc le réglage d’énergie.

Dans ce type de gradateur, le signal envoyé sur l’entrée de commande du gradateur est de type TOR.

Le thyristor Th1 et le thyristor Th2 sont amorcés de manière continue pendant le temps Ton (période de conduction) et ils sont ensuite bloqués jusqu’à la fin de la période de modulation

On obtient alors aux bornes de la charge la tension suivante :

Figure 10 : tension de commande d’un gradateur à train d’ondes

La puissance est fournie pendant le temps de conduction.

Le rapport du temps de conduction sur la période de modulation donne le pourcentage de la puissance max transmise.

Exemple : Si ton= 80 ms et T= 200 ms et que cette tension alimente une résistance de chauffage de 1 kW, la puissance moyenne transmise est alors :

 Domaine d’utilisation de ce genre de gradateur :

ü  Chauffage

ü  Utilisés sur des systèmes présentant une inertie thermique importante

Avantages:

ü  La tension aux bornes de la charge est alternative sinusoïdale, donc le courant absorbé sera aussi alternatif sinusoïdal. La présence d’harmonique de courant sera donc nulle.

ü  On a une relation linéaire entre la puissance moyenne dans la charge et le signal de commande b

Principales relations

Valeur de la tension efficace aux bornes de la charge :      

Avec     Usource     : tension efficace fournie par la source

                          : Rapport cyclique



Puissance moyenne dissipée dans la charge :   

Avec R : valeur de la résistance de charge



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