Un onduleur triphase avec modulation de la largeur des impulsions de sortie/

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UN ONDULE UR TRIPHASE AVEC MODULATION

,

DE LA LARGEUR DES IMPULSIONS DE SORTIE

par

François C&YJ.:ol •. DlplOmê ENSEDIT

Dêpartement de GênJe Electrique

Ullâeralt6 Mo01U 1I0Dtr6a1. Cuada

, Qptcbre

18'13

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François Ca7rol 1'74 \

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UN ONDULEUR TRIPHASE AVEC MODULATION DE LA

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LARGEUR DES IMPULSIONS DE SORTIE

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par

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TIlêse soumise lia Facu1t6 de. Etude. padu'-et de la recIIercbe

eD ne

a.

l'obClfttlOQ pardeUe d .... MaItrlae eD IDKtIlIerte

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UldNI'llt6 JlG(JW,

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UN ONDULEUR TlUPHASE A WC J.IODU'U TION

DE LARGEUR DES IMPULSIONS DE SORTIE

par

Fran~'Ols Cnyroi. Diplômé ENSEIHT' .

Département de Génie El~ctrique

Muter of EnlineerlDg \ '

Les problèmes techniques posés par la construction d'un onduleur

_---..

piloté l thyristors destiné l alimenter une machine 1 courant alternatif ont été exposés dans cette tbêse.

Les différents procédés visant l modifier la tension de sortie d'un tel ondule ur sont étudiés. conduisant au choix d.e celuI basé sur une méthode de

modulation de durée des créneaux

dë

sortie.

~

.

Le circuit de principe d'un onduleur adapté l cette méthode est étudié en détails.

•

Les problèmes rencontrés lors de la construction sont eXposés t et

leur solution Justiflh.

,

.

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.

';' 1 RESUMl!:

Les problèmes techniques pœês par la construction d'un ODduleur piloté à thyristors destiné à alimenter une machine à courant alternatif œt

or;. été exposés dans cette thèse.

Le,s différents procédés visant l modifier la tension de sortie d'un

tel

onduleu~

s:ont étudiés-. condu:sant au èbolx de celui

bas~

sùruoe méthode de (

.

~\

• 1 )

modulation de durée des créneaax de' sortle'l

Le circuIt de prIncIpe d'un ondule ur a~tê 1 cetœ-mHhode est étudI é en détails.

Les problèmes rencontrés lors de la conatrucUon.soGt eXposês. et

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leur solution justifiée. ' ) ~ ,

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\ ABSTRACT Il

, -Tbe _, design,and construction of an

.

adJustable frequency motor drive

thyristor lnverter are descrlbed ln thls theala.

The varlous techniques to control the' output voltage ~re lItudled. A ,pulse width modulation metbod la chosen.

, Tbe circuit of a hlgb frequency Impulse

commutated

.Inverœr ls

r

Investlgated.

The problems met durlng conatrûctlon are mentloned along wltb thelr a-otOtionS.

---.

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III

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-TABLE DES MA , TJERES

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E!I!

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RESUME 1

ABSTRACT li

_...

TABLE DES MATJERES lil

CHAPITRE

"

_~

Introductiœ _{\ .} 1 ,

;.- ~~

-"

CHAPITRE IL , MocHfleatlœ de la teDslOll deJiortle

de .·ondulear

.,

"

- - ' - ' ~ "

,

CHAPITRE III Scbêma de prlaclpe de l'oadaleur 21

'"

]

'j

.,.

CHAPITRE IV Protectlœ coatre dY/dt et

./dt

45 . ~ ,

" •

CHAPITRE V CIrcuits d·alllllDqe

7J

CHAPITRE VI CODCl_IOIl

..

ANNEXE 1 DNerlptlca . . prGll' . . . 63r1t paar

..

• Imuler l 'GadaIetIr UolltII'ftY

ANNEXE 2

fi

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BIBLIOGRAPHIE

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CHAPITRE 1 i INTRODUCTION

L 'électronique Industrielle~a connu un regain d'activité ces dix dernières

années, à la suite de l'introduction en 195'1 par General Electric d'un nouveau type

deflalve semiconductrice baptisée depuis thyristor. Dans ces éléments, la conduc-'

1 •

tlon est initiée par l'application d"une tension coovenabh~ l 1Dle flectrode appelée

gachette. Dans l'état bonducteur, celle-ci perd tout contrale, et le thyristor se

.

\,

.1 ~

présente comme une diode. Son ouverture ne peut être assurée que. par extinction

, dn courant qui le parcourt pendant one dorée de temps,~rleure a~ temps

d'ouver-1

ture spécifié par le constructeur.

"

. Le problème de l'ouverture du thyristor ou commutation pousse .1 une

distinction suivant que celle-el est naturelle, ou forcêe. La commutation naturelle

~

se r9ncontre dans les cIrcuits 00 le COUl'&Ilt 8 'arrête de clrculer daII8 un êlêment

de lui-même. Par exemple. dans un redte .. ear cootr61ê. le couraat est tralisfêrê

d'un thyristor" un autre simplement par la vamUon de la te_Ion d'aUmeatatloa

'.

.

(

aux bornes d'un élément unldlrectloaael. BleD", certalDa oaduIean adq)teD.t

ce type de commutatloo! la grande majorltê d'eRtre eux utilise la commutatlOD foroM. J1a comportent cIoac un circuit auxiliaire. doat le ... bat . . t de cNtourner

•

le courant du tlayrJator 1 ouvdr ... _ te . . . pour _ver . . . '.

ealt de eommutatiOll (R8. 14).

:,1

- J l

,.j

•

,

_.

'

. J' ... , , l .... ~·· ; ... ~. ~ .

Nous voulooa cOll8trutre un onduleur pour alimenter _ moteur a.ayacbroae

1

à fréquence variable. Un tel appareil doit comporter un dIapoeitif destiné l mo-difler la tension de ~ortle avec la frêqueDce. DaDa le Chapitre D Doua pas.GIUS en

,

, /

revue les différentes teqJmiques qui peuvent r&Uaer cette fonctlœ. et, en cholaia-sons une. ~ Ce choix exige de l 'onduleur des performaDCe8 qui ne peuvent être rempUea

.

"

que par un appareil à commutation forc& par Impulsion. Dans le Chapitre

m,

nOQi ' \ étudions le cirçult de principe d'un tel œduleur pour déterminer le scbéma

dêfl-" • C'

nlUf ninsi que la valeur des élEments du circuit oscillanl. Les chapitres suivants

.r-sont consacr~ aux problèmes techniques que nous aVOll8 reDCootrêa, cdmme la protection contre dv/dt et dl/dt (Cba~lfre IV) et l'allumage des thyrlslors.

(C hapltre V).

-

...

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.

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.

.

.~

'.

" CHAPITRE

n

MODIFICATION DE LA . TENSION DE SORTIE

DE L 'ONDULEUR

.

"

Un onduleur destiné l alimenter une machine awc uae teoslœ 1

.

fr~uence

_.

variable ne sRurait -être conçu sans un dispositif qui permet de mocUfler

l"te~-• 1 ~

sion de sortie. Ce dispositif peut être nécessaire pour oompenser les varlatlOll8

de la source d 'alimentat~on, mais sà principale fonction e8t de limiter le CGUrant

_.

.

dans une charge active à une v;leur convenable. En effet l 'lDdùctJOIl

m.~qae

est proportionnelle ,au quotient tension sur fréquence dana UD8 macblD8 Bectrlque;

cene-cl a été conçue pour que les dents soient saturées, 'ce qui reud Impcw.lble le

, ,

foncUonnement avec une InductiOD plus Sevêe.

n

a'eJl,81dt que, quandJ-fr6paeaoe est r6:lulte

l~

tenaiœ. doit l'êire de' façon

a

cCD8~ner

UD

~

cœa~

u ..

101 de variation l~"re est dœc *"optée.

....

.

o

n

ya plusleuri m~ de r6alIaer oette fœotl-. et. l'CIl ... -tfngue,r par l

'~pJ.cement

dâDa le cœvertlalear

·.1_

taoa . . . IUf qat . .

, .

"

,

.

l 'œduleur

.

OU blell l la .GrUe. Oua le pNID1er . . _ "'IB . .

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te_lem cœtmae ftrIable pour .a1l ... r l 'OadaIear. .,... III dl '1t . . . . ~ ~

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n . . .

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oe-eubl~meDt

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.

4( ,} i .

4:

2.1 Ooduleur alimenté par une tension cootinue variable

Le schéma de principe d'un tel convertisseur est Indiqué sur la Figure 2. 1.

_-

_..

La tension continue variable- peut être fournie par un' transformateur suIvi d'un

redresseur et d'un filtre, par un pont de thyrlst~rs suivi d'un filtre, ou par un pont

redresseur suivi d'un hacheur. suivant que le contrOle se fait du cOté alternatif, ou.

Q continu.

En dehors de sa simpllclt6 due à l'utlUsatlQll de techniques con~ues. ce

type de convertisseur ne nécessite pas un onduleur rapide. La fréquence de sortie·

n'est guère plus de 400 Hz et, à cette fréquence les pertes dans les circuits de

commu-taUon ainsi que dans les protections et les thyristors eux-mêmes sont faibles. Deux

types d'onduleun qui Peuvent"etre dilJt1ngués sUIvant t'angle de conductIon des

thy-r1stors qu'Us comprennent sont utlUsés. Stcet angle est de 120 degrés, deux

thyristors seulement conduisent l tout moment. La locJque de oommande en ut

!JmpUflêe pulsqu 'il

~

'êcoule un )ttervalle de 60 degrés pendant lequel aucun

thyris-tor d'une même branche ne

c~ult.

(Figure

2.~)

CepeDdult la tenalOll de 8ort1e 8ur

charae active dépend de la charge et 1 ce titre nJ peut pu etre prêd1te a18ement. " _.

\

Sil 'angle de conductlœ e8t de 180 degrés. trola thyrl.ton CODdulaeat 1 cbaque

lna-tant, et, le calap de. 8êquenoe. d'allumap •• t crtUque. Cepea,daDt la te_lGD de

.

• ortle ne ë:lêpend pl. de la charge. Sa forme a 6t6 repr . . . en FJpre 2.3. Elle

\.,.

"

cGDtlent envlrCll 3~ d 'bannoalquea et ce coatellu De dfpead Id de la friqaence

, \

d'op6raUOIl, Dl de la .... ICID d'alimentatloo de l 'œdalnr.

lA prlDclpalIDOCll . . . t dl Ge

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r61tde _ _ le paad

nombre

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CIRtUIT

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COMMUTATION

!

1

3

5

4

6

2

j

t

Thyristors allumés conduction

o

•

60· 120 1 180 240 300

•

i 80-1

Les nUméros dODll& aux thyristors soat IDdiquês sur la

Figure 2.1.

"

Figure 2.2 Sé:(uence d'allumage d'un onduleur triphasé dans leca-lles

Thyristors allumés

conduetlœ

i

thyristors conduisent pendant 1200 •

• 1 1 1 •

•

3 -1 5 180

1

•

•

240 1

•

•

•

1 1 1

•

300

•

360

•

•

•

1

•

1 1 1 ,"

l''~ 2.3

-re..tœlla-.ortt.

et.,,-.ce

d'an_ • •

d_ . . .

trIpIau6 _ _ leq_ ... u.,n.ton ~ ••• t

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•••

.. 1

d 'B.éments

_,

qu

'n

iDelut. Ceci est eacore agrav6 par le fait que .'-t"Cle Ilec-,.ùlre

.

.

A la commutation du courant ftOIDlnall tenalOll de sortie faible doit provenir d'une

source auxiliaire cœt10ue Dm variable (Flpre 2.1). Emin aœ atlllsaUœ dans un

servomécanisme cœdult _, l un tèmps de rfpoDae très long, l cause du.

_.

(ntre destiné

l supprimer l'ondulation résiduelle du coté cœUnIl'. Lea valeurs de. B.émenta de

ce filtre peuvent cependant être diminuées si celui-ci est précédé d'un hacbeur.

(RM. 1)

2.2 Onduleur l modulation de durœ d'impulsions

. Le

point

commun de cette classe d'ODduleurs r&ide dans le fait qu'Ils 8011t ,

allment& l ~msiOll continue canatante (Figure 2.4), et que, la tension de sortie est

la valeur moyenne d'oDe ou de plusieurs .lmpuI.atODS dœt GD.

_.

peut faire varier le8

.

darêes. Ce prbaeJpe D'lmpoae aucœe forme ap6clfJque 1. la teulGD. de sortie. ce

,

cial

apllque les dlff&entea riaU_Uœa auqllltUea

n

cGDdalt. Noua Il 'examlnel'ClU

que quelques uae. d'entre eUes.

Une pl'8lllMre ItNe ~"te l cIaoJalr . . forme d'.de .Imple que

l'aaclo-l~ peut reproduire. Par aea",. l 'œcIe . " . . . . . . lmpulalGD. . . r deml cycle

a 6t6 utllla6e· (Flpre 2.5). 1& . . . ,_ mGJ- . . aodalte _ mocInI_t ... le •

-, ,

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Figure 2.4 Scbêma de prlDclpe d'un ODduleur l

modulation de dur . . d'lmptlatOll.

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Figure 2~ 5 ,Onde contenant une lmpulsioo lpar demi cycle.

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1

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prêcêdemment l'angle de conduction permet de moduler la tenalem ~/0rtle

•

.

..,.

.

,

.

~

.

L'angle

f

est éholsl p~ur supprlll)er ~ barmorilque donné. Par exemple, 1&

dêcom-"TF

posltlo~ en série de Fourier de l'onde montre que le choix de

fi"

SA"! ....

1-élimine l 'harmonique de rang 2n + 1. Sur le dessin de la Figure ~. 6 nous avonS éliminé le troisième harm~ue. On conçoit qu'en augmentant le nombre' d'Impul- ..,

sions par~eml cycle on peut ~tenir une forme d'onde assez pure. C~ndant la logique de commande des thyristors devient de plus en plus complexe, ce qui conduit

à l'adoption d'un autre procédé.

1 1

SI les impulsions sont suffisamment nombreuses Il devient possible de

cbanger rapidement la tension de sortie. On peut alors envisager de reprodulre'plus

,

fidèlement une slnusoide en modulant slnusoldalement la durée des Impulsions. Ceci conduit l plusieurs réalisations (Figure 2. 7. Figure 2.8). Arbitrairement nOUf ne considérerons que la méthode dite du sous -harmonique. daDa 'laquelle, lea Impul'alonS résultent de la comparaison d'une slnusoide dont.la fréquence est celle que l'ODdu- . leur doit reproduire (modulaU\.8) aveo une forme d'onde de frêquence s~leure ~

,

dont la forme eat triangulaire (portet.e) (FIgure 2.8). 811& fr6aueoce de la porteuse, f. eat bien supérieure l la fr~uence de la modulaUœ F le premier "rmoÎa.lque ren-contré à la fr"ùènce F et toua les autre. aœt l une fr6a~ f -! nF" ~ .GDt doDc faciles l aêparer et le filtre paaae bas COD8tltu' par le acteur seul ~afflt.

~.t

'. • <

ED praUque tout D ... t pu si .1mple. ED.u.i la . . . ~ dl aortIe

Peut

etre

aJU8t~

ell fal ... t varier l'ampllb. relaU •• de oea

_.'GDCJe.\!,

~

....

-10lIl M l'amplitude de la al_alde, et. Pla teaalœ

m'slinu ...

cie l'Gade trIaIIpl .... .

DOWI pouYOIII cNftnlr le taux de

modulaUQD

ID -

II/P:

La . . . de •

.ue ...

~

i < , -'--,~ '\ ...

'v---11 1 ~ ~ ..-- r - i

-Figure 2.7 ModulaUoo sfnusoidale de durée des Impulsions.

•

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, •

1-.

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...

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.

1 1

...

, PORTEUSE, • -MODULA TION "

•

~

r

,.

---.;:.--.". ,

12

avec m. Cependant le taux d'harmonique augmente dans ce mouvement.

Pour le maintenir dans une proportloo cœvenable 00 choisira une fréquence f aussi

haute que possible ftfour les petites valeurs de m. Nous ~ouvons augmenter la

ten-sion de sortie en augmentant le taux de modulation. Celui -cf ne peut être égal ou

supérieur à 1 pour maintenir un certain contrOle. Dans oe mouvement la durée des Impulsions diminue, comme ceci est illustré sur la F.igure 2.9. Or l 'onduleur a une limite supérieure de fréquence due au temps nécessaire pour commuter un

.

thyristor. Ce temps est de l'ordre de 300 microsecondes. Pour obtenir une tension

de sortie élevée, c test l dire pour un tatpc de mO,dulation voisin de 1 on peut être . , obligé de diminuer la fréquence f pour saUsfalre aux exigences de la commutatlon.

On conçoit que 1 ton ait l établir une 101 de variation de la fréquenoe

r

en

fonction du taux de ~ulatJon ml pour obtenir un cootenu harmonique dODOê.

cepen-dant'fttautres cOllSldêratlOll8 doivent être prisee en ligne de

c~Pte

sf1 'OG veut garder f aussi petit que pOSSible (RM. 2, 3). L'obaenatlOil de la Figure 2.8 reprêaentant

la tension llà sortie d'un ànduleur mOllophasê moatre que 1 . . deux altel1llUlOel

peuvent ne pas être symétriques. Une cOlldJtlœ D6)essalre p~r dbteDfr la symftrle ,est

~ue

f

~t

un

multiple Impair de F.

~D

OIlduleur trlpbaa6 peut etre

œa.a.

par extenaloa de cette mahode en

~~

trois slbusoYeIes trlpbu_ a . . o la .... me

r6f'~

trlaDplall'e.

n~-rait

'1:

JIoar -

le. - . taul_ ...

eodl' ...

1...;... ...

t ...

n

faut que la coaftpratlœ d ... 1 . . - . et de la

pone ....

aolt reprodalta 0 ... . pour 1 .. de_ autna .~. c.ot . .

t

r*lia6 al f ..

t

tpll troll foie ...

multiple de P. Oa oIIGIalt

_0lIl_ ...

,.,...r f .... _ maltlp&e dl .. .. de'

,i

. ,

fl ___ / • 1 1 1 f2 1 1 1 1 1 1 1 _1

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₁ 1

1

•

) Il \ \ \ \ \ \

_,

\ \

\

\ M2 Ml

Figure 2.9 Réglage de la tension de sortie et

dUr.

des Impulsions •

• < - 1 13 Ml> M2 ,. < ra fi

>

f 1 ra

_<

,4,

P . . . . Z.IO T1IaaI. cie .~I"",

e.

OCIIIPIut . . .

tri ... doat lei ... Iou

de

aortle •

.e

dIfipIIII . . .

da

100.

0

'],

.'

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..

'.

1 " f CI

·e

14

r

changer le rapPort f/F avec le taux cie modulatlOll.

n

existe pl_leurs variantes

de cc procédé. L 'une COI1818~ l remplacer les trois 8lnUII~dea par des crêœaux.

C t

Toutes se beurtent cependant au problème de la 8yDChrœlsatlœ (RB. 4).

2.3 ,ContrOle de la tension à la sortie de l'ODduleur

Ce type de cmtrOle se rapproche du type que nous venœs d'étudier et il

est quelquefois difficile de dlstl.nguer l'un de l'autre. Le principe de base peut être

illustré par l'examen de la Figure 2. Il. au bas de laquelle les tensions de sortie pour différents angles de déphasage ~ ont été desainêes. Ce principe eat appliqué dans l'industrie en utilisant plusieurs œduleurs trip"'&' êveatuellemeDt déUvraDt

une tension modulée d'une des faÇODS simples que DOUS avœa dêcrltea. Lee sortIea

de chaque onduleurs 80nt couplées par an transformateur de teDe aorte que la sGrUe

\

du transformateur soit encore plus pure que les te . . JODa appllqu6ta au prlJDalre.

La

~o~~

d'onde

ob~nlll! ~D

couplant cleu oncIuleurs tl'lpbas61 doat les . . . 1-. de

aorUe sont d~basêes de 30

decrél.

et cIoat l'aDIle de cœcluctleJa des tbyrIaton est

de 1800 est repr&ent6e eD Figure 2.10.

(RM. 5) .

-.

7

• 15 A 8 0 - - - + - - - - 1

1

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•

1

M 1 1 Cl

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1

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Flpre 2.11 C~J'OIe de la .... , _ . Iortie ... ,. _ _ . . . . . .

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~j)

2.4 Onduleur alimeoU PlU; une te_lOB cœtiDaè YUiablè.

et;

ODduleur A modulation d 'Impul810ll8 avec une c!-rP active'

18

Une charge r6slsUve se caractêl'lse par l'ah.-.o& de ~ entre

/

courant et tension. Ceci se traduit par la cœductlœ d'un thyristor peadaat toute

"

la durée d'une alternance. Le problême de l'all1lDUlp da tbyrIstor eat alors"slm-pUfié puisqu'une impulsion envoyée sur la pcbette au moment bien dêftD.I du

renver-"

sernent de la tension de sortie suffit. Si la charge est I.oductlve le courant ,ne .. a changer de sens qu'après la tension. Une diode dUe de retœr en paraUale avec J

~

chaque thyrJstor est nécessitée pour inverser la tension de/sortie 1!1&118 o-npr la

direction du courant dans la charge (Figure 2.12). èelaf-cl va cIImJDuer~ cban-ger de 8ens et circuler claDe le thyristor qu'Il faut .l~ amorcer. L'lMtaatexact

,

d'allumage d6pend de la c~. et les circuits d'all1llllq8 cIoIveat etre CGIl\WJJOUr

,

remplir leur fonction pendant toute la dur&! d .... ii~. AftO _ . .

~uremeDt

Inductive la diode coadult peDduIt 80° et le

~

peadaBt le rest. dl

.

l'altel'D8.DC8. Le courant et la put . . . ce foamla GDt al . . _

ru ...

11\0) . . . . Dalle •

l'

81 la charp .at 1l1li8 ID.chiD8 8. r6&"'6ra~CIl le coanat daU rneaJr . . . la ~

\ ,

de tell8loa çOlltIDœ et

n

PU" clau les dlodla . . . pl. de 10 ... Le ...

8urta"'~.

Pour .. db.rnIaer"

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RE811T1VB

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\

18

\..

doit être capable de détecter une surtension pour chaque valeur de la tensIon d'alimentation.

n

est donc plus difficile l construire dans ce ca8~ que dans le cas d'un onduleur uttllsant un autre procêdê pour changer la tension de sortie. Enfin.

~ ,

si une résistance en parallèle avec la capacité est choisie pour absorber l'énergie

renvoyée par le moteur, celle-cl peut ne pas être capable de le faire si la tension

d'alhnentatron de l 'onduleur varie. En effet (Figure 2.13) l'énergie absorbée par la r~ststance est proportionnelle au carré de la telion d'alimentation, qui ~arle

.

linéairement avec la vitesse st le moteur délivre un couple constant. La différence entre l'énergie envoyée par le moteur et l'énergie brQlée dans la résistance va charger la capacité et donc augmenter momentanément la tension d'allmentation de

• ' c

l 'onduleur .

..

'

2. 5 Choix du tyt>e d 'onduleur

Le type d'onduleur l tension o,botlnue variable a _, beaucoup utUIsé dans

l'industrie car c'est le premier type d'ondOl,eur qui est apparu, et 11 ne nooesltte pas de thyristors spécialement éprouvés pour opérer l haute fréquence. Cependant

,

Il semble qu'U n'ellt prêfér6 maintenant que dans les applications pœr lesquelles la pulssanoe de sortie est faible, et. le moteur qui ooutltue la cbarp de l'ODduleur

l '

D'opa"

pas l buse vitesse (RB. 6).'

Nous .oulou ooaatrulre une machine de laboratoire, c'eat-l-dJre .... 1 "unlVenelle que po8l11ble. Un ODduleur. modulatlOll dl dur6e d'iJDpula101l 611ml ...

(

,

quelques UmltatlODll. prlnolpalement celle. oœcernaat l'operatlœ l ... frtq.ace.

_, ~',' _ .>Jt."

'1

_';Ji ;) r~l -'~ .., , ";

Puissance ~'" ... 11"11'.[: • •

~~

1.

n

Vite . . . couple coutant (0)

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Oaduleul'

'te ...

IOD CODtlftue .arlable

...

,

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•

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et, permet de ccatreler le oaateDu

barm...

Na. ... daM

cIaoIaldi ...

- an oadalear de

oe

type. doœ leqaolla lIlodullaUœ

J....

...te.- .... -

~

~ -

-simple. cqulme la métbocle du 80U8-barm0llÎqQe. NOUS/. dGDC CODItndre

ma

1

œduleur rapide et dans lequel la commutatlOlleat effectuêe avec.,.. de pertes.

1

-1

{" \ " i ...

1

~.

-

,

r.

:. '.

CHAPITRE

m

SCHEMA DE PRINCIPE DE L'ONDULEUR

3. 1 Description du fonctionnement de l'ooduleur M:cMurray

,.

Décrit pour la première fois en 1964 par W. McMurray (Rêf. 8) l'onduleur

qui depuis porte SOlI nom ne seIDhle pas alors avoir été beaucoup utiUsé à. cause

du grand nombre d'éléments semi-conducteurs qu'Il nécessite. Cependant. avec

la dlminutlœ du coOt des thyristors et leur amêlioratloas techniques, ses qualités

apparurent, qui le ren~t parfaitement adapté lia gênêratlœ d'Impulsions

l largeur modulée. A ce titre l'industrie. s 'y est intéressé et l'a utIIùê

sous une forme ou sous une autre daDa de multiples réaUsatlœs ces dernières

1

années (Réf. 1. 9: 10).

3. 1.1 Schema de pr1Dctpe de l'oaduleur McMarray

La Flpire 3.1 repr6aeote . . pbaae de l'oadaI.ear IIcMurr&y.

~t18-, tors 1 et 3 que BoaS appellerœa thyrI8t:on auxO lalres _l,eDt l commuter la

LaFIplreS.2 ' . . . 6qu_oed·.Uum.p . . .

1D1-cœdaateanI.

.AdIaIeuaaa

ca-

la

capu"

110ft oIIaq6e ..., la poIarIM lad ... _

FIpre 3.1 et . . le ... Z eoIt_ ~-. X. ... & Ia...ue

. 1

...

-" < ' , < .l 1 ~, ;, _,

1

+

3

.

'

1

1

2

3

4

1

1 : . . ..

2

4

Figure 3.1 Une phase de l'ondule ut: McMurray •

,

tJ

,

..

.

1

1

,

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Flpre '.1 ...

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dIJrII"

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1

•

•

•

1

•

" ~D/2 " " ;, , , ,~

NPi 1 \ ... , ... ; , - . . . ,/~ r.-'~

~-"

23

l'extinction du courant circulant dans la pellette du thyristor 2 provoque la d6c"rge

de la capacité dans l'inductance et la diode. Le thyristor 2 est alors polarisé en inverse et se désamorce rendant possible l'allumage du thyristor 4. Cecllnverse la polarité de la tension à la sortie de l 'ondule ur et recharge la capacité du circuit

.

oscillant. L'arrêt du courant dans ce

circu~t

assure l'extinction du tbyr'tor 1 au moment oil la capacité est chargœ avec une polarité qui permet la r~étition du processus décrit pour commuter le thyristor 4.

J

, ,

Dans les chapitres qui~ suivent nous allons étudier en 'détaU la

commuta-tlon pour déterminer les valeurs optimales des composants du circuit oscillant. A cause de la symétrie du fonctionnement, nous admettrons que le thyristor 2 coodult, et, que la cap~c1té est chargée comme indiqué sur la Figure 3.1.

3,1.2 Etude de la commutation

L'analyse de la. commutatfœ ne peut pas être menée 88D8

distfDcuer

entre

charge rêslstlve et cbaige hiductlve. NEgligeant le cas ai) la cbarge est capacltlye

pour lequel la commutation est rledœdante. n~ jetterœs ensuite le. bues d'UDe

étude tbéorique.

3.1.2.1 •. Cba!]! Inductive

L'entrée en ooaduotlœ da tbyrlator 1 permet lia 0IIpI0lt6 da clrcalt

GeeR-lant de le dtobarger daDa l~ (Ftpre 3.3). Le coaraat_ ~

le.

/

;:

+

F.lgure 3.3 .Dêcharge de la capacité du circuit oscillant.

~

~

Il

;;

Fleure 3." Cllarp de la ~IN l courant

coutant.

-

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..

" \ \ \

\

_\ , , {1, .' .. ~ \~ " _, ) " ;"'J _, ',,"1

.~~

~$: ...

circulant dans le thyristor 2, pour donner JI • Dia que sa valeur d'Passe Il • l'excès de courant circule dana la diode DI polarisant e~ Inverse 10 thyristor 2. Comme le courant le dêcrolt la diode cesse de conduire et le courant inductif Il

dont la valeur peut "tre considérée comme cOIl8tante pendant cet InterfaUe charge lu capacité à une valeur telle que la diode D4 rentre en conduction (Figures 3.". 3.5). La tension aux bornl's de l'onduleur 'est alors inversée, mals le thyristor 4 ne pourra

•

conduire quo quand le courant Il aura changé de sens.

3.1.2.2 Charge r~Bjstlve

La première phase de la conl~utaUon ost ~denUque l ce que Doua veDOIl8 de décrire ( F lIUre 3.3). Cependant dês que la diode D2 cesso de cODduire

le

circuit prend la configuration lndlqu~ on Figure 3.6. La commutaUOIl est alors terminée et l'allumage du thyristor 4 recharge la capaclt6 du circuit oecUlant.

(F

Jgure

3. 7)

3. 1.3 Bases d'une dtude quantitative

Un examen des "dlff6rentea conflpraUou que DOUe., . . . . de ~rlre (FIgures 3.3 -3. '1) rfvêle que

tGUte."

ram6 .. nt lia cIaarp ou lia d60urae

J

d'un circuit R. L. C.

n .urnt

dooc d'lDtrodaIre 1 . . cGllldltlou Ialtial . . oaave ...

daaa les 6quaUGIUI qullOUftnnt le cœaponameDt d'ml .. 1 olrcalt pout" ... ,

oan.-.'

, -" " \ k" f.

It:

~.i

J

"'- Figure S.5 Charge de la capaoité

. , . ,.

.

; " t:i. Ir'

,

•

•

•

•

Caaflpratloa reDCœtree .9'eO

qIaup ...

tlve • ,

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\

10

t

\!vt""'~X'-' ,-

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..

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-lM.t.ot

~

avec Ii ::: courant InlUal dans l'Inductance

El == charge initiale de la capacIté

W()2 == ' Le>, LUt.

i

1 _ SL 1-G

3.2 Etude de la tens)on aux bornes • la capacité du circUIt oscillant

L'observation du fonctionnement de l'ou.duleur mœtre que la charge de

la capacité varie dans de grandes proport1œs nœ seulement a~ le courant dans

la charge. mais aussi avec l'iDstant auquel 1Bl tbyrIator prlDclpal est allumé. Ce

\

phén~mê~ quJ'~

'a pas êtê mentlOllllê jusqu 'l pr6leat doit êtI'e Mudlê eD dbn car

il est directement rellé l la COllllDUtaUoa.

3.2.1 OrIgine du phâlomêDe cas Umftea

roos par me .ource de . . . . 011 car la CGIIUIlalaUœ e8t

.r

npIde . . le ooaraat de

~

n'a pu le tempa de

.~.

•

est ...

'aU . . .

daJrI*Ir

4 " qae

DOU8 avœ. 1ala6 .~meat . . . '~ paR.-le

..,rIa ... .

• COURANT -1 ). COURANT

1.

MAXIMUM

DE

CnARGE-r---r---...,r---+--~----.'.1 .. 1 1

,

• ALLUMAGE 14 RETARDE

•

₁ 1 1 1 ~ ____ , -______________ ~----__ ~I~ __ ~----__ ~TE~ "

,

1 TEMPS DtOUVER-TURE DU THYRISTOR 1 1 1 ,ZONE 'ZONE 1

D'ALLl~A;D'ALL

MAGE IOE PREMAIINTER IEDtAmE

TURE

Flpre S., LaUtadlt d'alla . . . . die

tlaJrlaton .

prIDc .... _ - NOnttiCIM •

-1

-'.t '/!,l '-' < .1

.

Nous pouvons allumer le thyristor" a'ftllt que le CoaraDt . . . . le cIrGaft

1

08cjll~t ne redevienne égal au courant circulant daDa la charge. En tenant cOll'ipte

du courant' maximum l commuter nous pouvons dêffnir œe zooe d'allumage prématuré.

Nous pouvons ll11umer le thyristor .. l un IDstant oi\ le courant daDa le circuit oscillant est inférieur au courant dans la charge. Ce demler pouvant être nul, le oas limite adviendra quand nous allumel'OllS le thyristor,,, au moment oille

.

courant dans le circuit oscillant 8 'annule. Nous appelleroos ce cas allumage . . tarel.

Nou8 pOUVOll8 allumer le thyristor" entre le8 bistants dMnIs au-dessus,

définissant une zone d'allumage lntermMlalre.

,

Nous pouvons allumer le thyristor" aprês le cas d'allumap .mrel dffl-nissant une zone d'allumage retardé.

3.2.2 AllUmage pnmaturê

Dana ce cu la coaflpratlCD reprfaeDt6e .. PIpre S.3 est aalYie dl OeUe

représentêe en Flpre 3. '1. La almalatlOD tIa ... que aIDat que l'abeenatlœ f .

apparaftre les caraot6rlatlquea auJ~:

- La . . . O~e de la capaclt6 .. .,... lU ...

cO.aut

cII'oalat .... la charp. A ce Utre ,Ue l'Mte CCIIIRudI.

et,

oeoJ ... ll'aMld ... dl

001II-,

mutllr un 'courut qgelcODql18 . . . al

n ...

aDOIIp _ ... Dili . . . la . . . p6dode prétdent8.

,

•

.

,

.

'.,.,

,.' _.,

.'

lt.l.,,~~

• La tension finale aux bornea de 1& capao1t6 peut

e.

bta ... _, augmente quand on avance l'allumap du thyristor 4. Elle

_.t ...

motu

'&al- .-2.5 ED (En est la valeur de la teD8Jon continue d'al1ment.:atlOD).

- En pratique l'allumage du thyristor" au moment ~ la diode D2 OCJDdult croo un court circuit de la source de tension. Les oouranta qui en risultent peu-vent etr~ limités par l'addition d'une inductance ~ la branche •

.

3.2.3. Allumage naturel et retardé

Dès que la diode D2 cesse de conduire l'ODduleur prend la cœflpraUœ'

indiquée sur la Figure 3.". La capacité est

chari-

l

courut

_.

cooataDt Juqu'& ,

ce que la diode D4 polarlsêe tm direct rentre en.cœduotlœ.

L'analY8e montre que la teIl81cm finale aux borDee de la capaol~ at pl ...

faible que dans le ou prêcMeDt. De plu elle d.nd da

oouraat

olrculaDt dia. la

charge comme noua pouvoaa le d_œtl"er. En .&t 1 • •

_{- .}

raI .... CGDflpI'aUœ. «*

, :. '; .& ~, ,'j \0 ~~ J;-, J;-,< 0; 1')'; " -} 1 .

le clrcult OIolllant .at comaect' l la

'ource

de te"CID . . . l ...

term.MIaIre

da

tII.JriI-

-~~

toi' l

et

de la diode D4 (Figure 3.5), admet.comme cClldltl . . . IDIU-I . . :·

charce

de la oapacltê • .ES • ED

courant

dalla l 'lIlduotaDce

la • "

oecillant va • 'almuler: _{- ~c.IJ.}

_t;

.

"c,.. ..

o ...

:ta..

CAl.

e.

~(~t-tt)

w

," • ~ --t.- 1

:': ';;,

~ ~

j<.,;..:

·;~i:.r

r

',.

A ce momont la tension aux bornes de la capacité est:

_

~c..u.~

f.:...~

Co

1:.3>

-r

V.z

e

"'"

II..

S. 2. 4 Allumage interm&Ualro

1

A faibles courants do charge', l 'onduleur 8e trouvera d~8 un 08S

d'allu-"

mago pr~maturé. La chnrge de ln capaolté sora donc oonstante. Cependant quand : le

co~rtlnt

de

charg~ugmente

l 'onduleur prend lcs oonflgurations que nous 'avons

rencontrœs dan~ le cas d'un allumage naturel, Ceci est dQ au fait que l'on ne peut pas allumer un thyristor quand la diode en parallêle avec oelul-ol est en oonduction. Alors la tension aux bornes de la capaoité ob~it lia fOr~u1e que nous avons

démon-'S. 2. 5 Phénomène dans le oas d'une charge réslatlve

Une analyse de. conflgurationa pr6aentêe. par l'onduleur moatre que dau ce cas auaal la tension ftnale aux bornèl

œ

la, caPaolt6

"t

fortemeDt

nU"

l.l'lnataDt-d'allumage'des thyrlatota prlnclpaux. Utilisant la tlermlDolOl1e d6f1nle dus un para-p-apbe pr606deDt, on peut voir qua. daDa

le

cu d \ID allumap II&~

pe

~lrou1t ,

,L. ~ ""r

pr6aeo" daDa l'ordre 1 .. ooaftpratlou repr6len*tl

'D:

Flprel 1.8,

~.8.t

1. '1.

D .... 1& OOllllpraUOll 1.8 le olrcult œcUlant . . t oCIUI~t'l1a ~I_

EDls

au

1D~_t ~ la charp dl la oap8olt' •• t au molM . . . ce&te ftleur et olle

facteur d'amorU .. emeat ( . . t .u . . . par l'addlUGD de la . . . de obup.

- 1 JI o r 'J , " , , ~ \ .'

33

charge finale relativement indépendante du _{oourant et faible (1. 5 ED). L'Intervalle}

de temps pendnnt lequel l'onduleur prend cette configuration diminue quand Oft

avance l'allumage des thyristors princIpaux, et on conçoit que la charge de la

capa-cit~ augmente dans ce mouvement. Les mêmes ordres de gràndeur que' ceux:

ren-li

contrés avec une charge inductive, se retrouvent IcI, dans le cas d'un allumage

prématuré.

3,2.6: R!sultats quantItatifs

Nous avons construit un onduleur d'un type légèrement différent du

McMurray, et il noue a été impossible de vérifier expérimentalement tous les

ordres de grandeur données dans les chapitres précédents. Cependant ceux-ci

ont été confirmés par une simulation sur ordinateur. Le

_.

_.

programme écrit l oet

effet a été inclus dans une annexe A. la thèse.

n

décrit l'onduleur aveo une charge

Inductive et, quelque soit ~ 'instant d'allumage des thyristors principaux.

Expérimentalement nous aV0ll8 pu obtenir une courbe donnant la oharge

finale de la capacité en foncUoo du oourant de charge pour un allwœge naturel. Ce

résultat Illustre la formule théorique:

-~

U ) .

~

~

-

El>

-t

V

.z

e.. lA)

'l;..

La courbe trouv6e (FIgure S.lO) elt UD8

cb-otte

dœt l'abo .... ll'orl . . . t ...

,

.

voisine de En

=-

230 volta. CepeDdant la pente de cette droite

ocaIalt ....

ftleur de

11

de l'ordre de 8 alors que Doua D'attadlOO8

,uare

pl .. de 4.&. L ...

-tlœ de L peut être expUqu" par . . lIJpot.bhq cie d.rt. ,BD'" DOUI . . . .

, "

.

, 1 j

,

1,

.

" " "

'

..

400

30,0

200

L---__ ---__ ---__

~---~---~

5 10 15

25

Figure 3.10 Val'1atlon de la tenslon\de la capacltê en fonction

du courant de charge pour ua aDumage aatun!. j~

'.

L·

FJpre 3.11 l1li . . . alntlltI ... .

~

k ....

.t:. ... '"'" _

~"tt:

. . . . , . . .

~

.~géles perturbatlœs duea aux circuits amortlsaeura. Celles-ci se maalfeateat

de deux façons. Tout d'abon\ 1 tiDductaDCe effective de la ma1lle est augmentée

par l'additlœ des Inductances destinées l protéger le thyristor contre une

augmen-tatlon trq> rapide de la tensiœ (Figure 4. 8) . _{_ l e courant daDa le o1rcult .)}

oscillant n'est pas constant. car il diffère du courant de charge. d'une quantité .

, t

égale au courant circulant dans les circuits amortisseurs (Figure 3. li)

En conséquence le modèle mathématique choisi pour l'ordinateur n'est

.

pas assez précis pour décrire les phénomènes réels avec précision.

n

indique cependant des ordres de grandeur corrects puisque l'influence des cIrcuits

amor-Usseurs est limitée. La Figure 3.12 reprêsente la tension aux bornes de la

capa-cité pour différents instants d'allumage et différents codrants Inductifs de charge

telle qu'elle est calculée par le programme.

3.3 Détermination des 8.éments du circuit oscillant

L'onduleur que ~ nous pl'CJP08008 de COIUItrulre doit etre capable

d'opérer l haute fr4;queoce.

n

est dCJDc euentlel de ~uer le8 pertes

.-r

CCJm-..

mutat1œ, c!est-l-dire. de cOll8trulre _ clrcult oecWaat da pulle quaU~. Dana

.

d'allumer.lea tIlyrlatora prlDcipux aYmat l'lDstut de com ... tJœ aatarene.

•

1

que cette ênergie était mlnlmale pourvu q _{le rapport autre le oouraat de}

0""

~~.~

~ ':~~

" {

dans le circuit oscillant et le courant daDa la charge, soft

~

.. 1. 5.

(~

}

1

."11

Eo

adm.ua

ue lo·fa.iour d'a , œ 0 • ce

que

Doue~. ~

de voir s'énonce: \. )

Il étant le courant dans la charge

Ecf étant la tension 'finale de la capacité.

1

Choisissant un ordre de grandeur pour Ecf compris entre 1.5 En et

2,5 EO suivant la charge adoptée il est possible de calculer l'Impedance

oaractê-ristlque. A ,chaque valeur de C choisie sur un catalogue de valeurs s~dard

correspond une vale':U" de l'inductance L. Le oouple de valeurs qui crêe une période

voisine de quatre fois le temps d'ouverture des thyristors augmenté d'un facteur de

sécurité convient.

3.4 Description du circuit propoe' par ReUance (Réf. 1)

Le choix des cOlllpoeants du circuit OBcnlaDt tel que DOUI l'aYGal d.,r1t.

suppose Ulle ooona18aance l priori de la teuloa. aax borDel de la oapaolN. 0

'Nt-l-dire daDa le eeul cu que noua could6roaa. celai de l'aU . . . tarel, _ ocatl'I- '

UDC8 de la aIlal'P. SI

la

obarp est t.ductlYe _ ; . . prifolr la ..al . . . um cie

"tl}_:a 500 400 25A 20A 15 A 10A S.A INSTANT D'ALLUMAGE

f

200~ __ ~ ____________________ ~ ____________________ ~ 3

1

1 ZONE D'ALLUMAGE PREMATURE

4 0 DES THYRISTORS 4 (J1Sec ) ~

1 .. , ,,) ALLUMAGE INTERMEDIAIRE

.

~ 1 .:0:

1

ALLUMAGE NATUREL \ ' _,

Flpre 3.12 TeœIOllaax

bome(de

la oapaclt6 . . fCJDCtl_ de 1 ... dtallamap'1tNr dUf6nata COID'AIda. LM

,·-e

On est conduit il Ecr == 3 EO •

SI la

Cha1e

e~

t rés lat/va la lensl ... sera beadC';UP plus faible. de l'ordre de 1. 5 E_D •

, n

8 'en sult qû 'un onduleur CODçu poür commuter un courant Inductif dooné

ne sera pas capable de commuter le même courant réslstlf. Inversement dans un

ondule ur conçu pour commuter un courant réslstlf le &ourant dans le circuit oscillant

sera disproportionné par rapport au coura~lnductlf il commuter. Enfin, dans

tous les cas la possibilité d'apparition de tensions élevœs mUge de sélectionner des

thyristors à haute tension de blocage,

Certains industriels ont considéré que cette particularité présentait assez

d'Inconvenients pour ~odifier le circuit de base aux dépens du rendement et de la

vitesse d'opération. Ainsi Reliance Electrlc a proposé un circuit dont le schéma _{, ~}

est représenté en Figure 3.13. L'addition de deux diodes et d'une résistance ne

change rien au fonctiœnement de l'oaduleur tel que DOUS l'aVCD8 décrit jusqu'A ; 1

/ / présent mals ajoute une dernlêre cOllflguratioo.. daDa laquelle l'excêa de charges

sur la capacité est transféré lia source de œnslœ par l'Intermédiaire du pœt de

diodes (Figure 3.14). La résistance Rr est cbolale pour ... urer que la teDslco

finale ~ la capacité n'eat pu trop _{lDf&ieure l E D•}

3.5 DétermlnatJoo de, Bémeats du circuit Rellaaèe

Cette cNterminatioo se fait d'une fap

trta

.tmD.llre 1. celle cNorlte

~r l'ODdut.ur Mcllurray. CheU" . . . lem poar la OIpaClit ... - . . . .

<J

~.

;

Dl

D

2

T

•

D3 D

•

FI ... " 3.1 S lIocllflcatiOll de l'Ollduleur

IIcMarray prileDtM par Re~ Eleotrlo

\

..

_~}.,~ .. ,. ;-~ .. ' {.I ~ ..

11;_ :.'

'. 1 ~ ~:~. ~ :;t~!;o", ~

-

. _~ __ f5l1!~L~~ _*'~-:'t;~- ~ ~ .. ::~._. ,;o.· .. ·c ...

Inlêrlellre lED_ que ~OU8 appellèrona Ecrr on peut oalouler l 'lmp"'-nc. oarao-t6rlstlque.

~

Ln connalAsance dt-

p

noua permot do déterminer la charge maximale

de ln capnclt~ avant III dcrnl~l'c éonflguratlon:

Enfin l'annbrse de la dernière conflguratlon reprêsent~ en Figure 3.14 noua oondult

l 6crlre:

(Figure 3,15)

•

tt.

est le facteur d'amortlesement du olrcult OIo111ant auquel Rr a 't'aJoutê.

Le choix de

Eorr

et la connaluaDOe de Eof noua lmpoeent \ID faoteur d'amortlsaement dOIlnê et partant une valeur de la r .. lltance. DaDa le but d'a",-menter le rendement et la vite ••• on peut ehoJ.lr UDe d.l.tance .... 1 faible, done

un faoteur d'amortie •• ment plu. petit. au prix d'une tlen.IOG Eof r

Plu

faible. De 1& meme façon . . . D0UI1", . .

client pr""'mment. œ

peut

d"r-.

ml.Der la

~l.ur

de L et C l partir de

"&te.

et d'aM table de val ... rd

de oapa~l~. Le couple cie

vat ...

L. C. auquel OOft'upoDd . . . .

YOIalae de q_tre fol. le te ... d'ouVerture du dlyrlat.Or aupMllM

ct . .

faatIMr

.

.;

" .<

Rr

..

-,7

••

••

..

-

..

"

t

r , ,

...

\ 1 •

"liure S.14 Conflpratloo ajout" • oeU .. d60rlt •• ~r le clrcult R~Uanoe ~ '" le

+

..

.1 al • 4

..

-

..

_•

•

... 1.11 ... ' •• ' ...

...

i ...

,-Iofr .; . . .

,Ja . . .

~'.(~ 1 , '" , . - .. ' .1" ~

c' /,

~.

, " Exemple:

Nous avons décidé d'utfUser le circuit proposêpar HeU.ace pal8qu'llae néceaatte

pas de thyristors A haute tension de blocage. Nous voaloaa construira un ooduleur

capable de commuter 15 A efficace sur UDe charge inducUve ou réslsUve, et

.11-menté à partir d'une tensiœ cœtln~ En :::r 230 v.

*

Détermination du courant de crête l commuter.

Si la charge est purement inductive le courant. l'allure triangulaire

rcpr~cntée en Figure 2.12. Si la~aleur de crete du courant est IlIl sa valeur efficace est:

'I~

-f3

Le courant maximum l travers le thyrlstor est de

fi

1

eFF = 26 A = lm

*

Détermination des éléments du circuit oscillant.

Pour commuter 26 A le circuit oscillant dolt fournir un courant de crete

'P

=

1.5 lm.

'P

=

40 A. /

Ce courant est faurnl par la dêcharp de la capacité da circuit osclllallt C

dans l'inductance

L.

SI la tnatOll aux borMa de la capacité

Eor

r est cboI.ale

/

égale l 200 V JlOU8 pClUV0D8 "'rire:

Noua a v ... CCDpIe dit l'alDcdI . . .

oeu. ,...

{

En pratique le o~

r.,

IIftaW*'ear & 40 A. et 1 . . .

ecDIf

.0 . . - \ .6Ject( . . . . nt - ftlea.r de

fi .'-...

IIII_t

Iaf~an

.. 1.

"

.

' c\li.

>

- - - ; ,

.

... ,-'~ ~4 ~ "; 1" ":0:,.. ....

.

,

41

",\

\

La valeun standardls4u de oapacl~ (ft'f. 11) lIODt 2111d. Ipfet.

J ' 6

JI

f d. c prd L pU

T

paee Commentalre 2 5 50 62.6 oourt 3 5 75 95 acceptable

\

2 4.5

"8

oourt 3 4.5 60 acceptable

Noua avons choisi des thyrlato

at

le tempe d'ouverture eat de 16 P sec. En prenant un facteur de skurltê de 5 JI sec, noua aUou ~onald6rer comme

aooep-.,/ \

table un c0ue.le de valeurs L, C qui cr6e uno p6rlode volsl~e de: 4 x 20,. le ou

T. 80

l'

8eo. Le couple C - 3 pfd et I. • 60,. H convient.

*

D6termlnaU~ dè Rr •

,

La cbarp,

de

la 08p1lclt6 doit etre aJUllt" l . Eof r -

100

V aprb d60harp l travel' la r6llstaDce

Br

et la aouroe de tealCll. \.

/

La ~ maximale de la aa.,.clt'

.,.ut

etre '6ralu'- l OClDClltlCll cie

Oeil--,'/

Daltre 1 . . IDduataDcea aJ . . . . au olroalt de pdDolpe pour proUpr 1 . . tlâJrl . . .

.

Dau

~

ou

(FI ... 4.8 ) . . . 1_ q- . . .

ana ...

~Ft,

..

HocIInpoM

... fait eJl

y'"-;L ....

c..

t.

-t L 'la .

7 '

\.

.

:. ,,; , ·1 ~ '1 .,

\

, ..

La charge de la capaclt6 est dcJnc:

..

eu: ..:

.1

~

0

+

7 Je

~

':Il

4

oS " .

1

L'équation gouvernant la décharge est reprêsentl!e 80118 forme de papbe en:

Figure 3.15. On peut lire que:

Ecfr - ED Ecf - En .3 .37 . 4 .25 .5 .16 " .6 1-'·09 .7 .04 Ecfr - En (volt) 65

••

28 16 '1 165 186 202 21. Z23

-!'

1 "'.5 conduit A une valeur de Ecf'r proclle de la valéar que DOUS aYCIIIa cbÔUle au dt1but du paragraphe. On d6lult: (

..

c

)

w • • " , .~

."

_J

'.

•

•

CHAPITRE IV

PROTECTION CONTRE dY/dt et

di/dt

4. 1 Origine du problème

Des phénomènes transitoires peuvent faire rentrer en CoodUCUOIl 1Dl

thyristor sans que sa gachette ne 80lt excitée, ou cr~r une d1sslpaUoo de pwssaace

qui à plus ou moins long terme peut le détruire.

Le premier phénomène

rdlllte

d'un accroissement trop rapide de la

ten-" "

sion aux bornes du thyristor. qui en chargeant la capaoltê prêsentêe par les JOJICtlœa

crée un courant circulant dans le circuit

_,

de pellette. Ce courant peut.e .ubatituer

naturellement à l'ordre d'allumage émanant des circuits lqJiques, ~8Ult ,ainsi

une perte de contrOle. Le taux maximum d'augmentation de teuloa ou (dv/dt)max

est spêclfiê par le cOnstructeur.

Enfin l'entrée

en

cOllduoUoo. bien que rapide n' •• t pu GD ph6aoal6M

Instantané. On a observé que le oourant daM le thyrJator . .

te ...

1 ~g . . .

ne clToule que dans IUle petite porUœ de la surface

"rte

par

la JOIIIGtIœt. Cette

D

IODe çooduc.trlce augmente l

ua.e

Ylte._ Oeal_ et le tJa,riator .. Mp plelaelDeDt·

daDa l'êta\-pIUIsant que quaod .U. attelDdra la .arfaoe ... .-la ,..,....

ua

sauce.

n

est doao

.ouha1tahl. de

limiter

le ta .. d ... dl ... el ..

:) , f

.

~ ,. ~. !...?\.,.;L _ ... ;k ,.." {' •

.

' . , ~

46

4.2 Ctrcuit amortisseur de base

De~ transitoires de tension apparaissent normalement dau un onduleur. ns peuvc~t être cr6és par l 'all~mage d'un thyristor da~ le circuit, la fermeture ou l'ouverture d'un contact ou bien encore par l'interruption brutale d'un courant li' circulant dans une Inductance. Les clrouits amorUsseurs utilisés pour se protêger

..

'

des effets de ces transltolre~ se ramènent au schéma éqQSvalent de la Figure 4.1. Ce circuit fournit une 'protection contre une augmentation soudaine-de

tension: On peut montrer que si il est soumis l un écbelon de tension d'amplitude Es la v8rl~tlon maximum de tensIon aux bornes du thyristor est:

(~)~-

--~.6 étant le faoteur d'amortissement du circuit.

Dans le cas extr~me ob l'amorçage du thyristor cr6e un court olrcuit l'Inductance'

La

limlte la pente du courant donnant alnst le tempe aux fusibles de

'.

protêger les éléments sernt-conducteurs.

Ces foncUons proteotrlces ne se font cepijendant qu'aux dépens du

rende-1

1

ment et d'uDe éll-vatlon de teulon. lM pertes prennent place dau leI compo.anta

du

cl~uit

amortisseur lors de l'appllcatioa d'un êcheloo

ae

tenalOll, et

etau

le.'"

\ \

"'-thyristors lara de l'amorçap. Le. prem.1&rel scot minimal .. pour un facteur

J

d'amortla . .

ment

~ ~

_ . S"

•

et 1 . .

aeoœdes

mlDtmta __ par UD8 .autaDte de ,~ IiOmpa

Ra

Ca ... 11 ... que poealble(R •• 11).

EDfIn

le cIrcult amortlaHur

.~

. -'\~

j

/!

";

"

/

"

L •

1.

,

Figure 4.1 Clroult amortlsleur de bue. 1. .

L •

l i

t·

Figure .fI

a

Sch'ma ~ulyalelÛ du

o'rqUlt

aap«tleae __ r

tenaat oompte du oourant

1~.n.

dl

rêta-\ { " .bll •• ~_.t de

r.

d l . de re~~;

•

..

,'~ 1 '-: .... ... , , f r; , > ~ ~ ... 4'1

\- j'

0' ~ , ,~ l~~

l'

•

t.

'tant un elrcult rleonant (~ ..

..c4. )

H

taut.' ....

Ddre lltapparlUODd ...

-sion

.wc

bomes du thyristor. Cette .urteulon •• t d'e.'fII'CIl ~ pour un faoteur ~

d'amortissoment de .5.

4.3 Circuit nmortl.seur ct r'tabllailement du blooye du thyristor ,

l~ circuit amortisseur dontnoua

vanone

d'êtudler

le fonctionnement ne

SRurait être conçu sana une connals,.nce du pb6\omfane de r,étabU •• ornent •. Ce

•

ph~oml'ne qui Accompagne toute traneltJon de l '6tat pa . . . at l l '~t bloqu6 conat.te l'n l '6vacuaUon de" porteurs da l 'Intfrleur du eeml-conduetlur. Ceel.e caract4rlae macroacoplqucment par le

pasaaao

~'un courant, dans le aena Inverae du .ena

000-ventlonnel. euh'. de fun Inlt'rruptlœ.

la tension Inverse appllqu6e lU . . ml-conducteur E. et par PIDduotaaoe dl la maille

Ls

(Figure ".2).

n

fit P~UI

d,meU.

d'en prlvolr la valeur de

art.

Ina'"

cbaque cu particulier, et. aua.ll. fabrlcaat e. dorme ... l UDI valeur typlq .. ou

une valeur maximum.

n

n'elt pu rare . . pl .. d"r~r ll'&aI.r' partir da la

char .. maximum'

6Yaouer

de

t' ...

t

au

mameat dl la OGIIUDutaUOD.

courant I .... rae de ritabll.elMld... L'ID .. rrupUaa

pe_ . . .

b,.taIe et,

,}

au

d*r1aDeat da

pertH

da ... l ' ... t (PIpn 4.4) •

.La

oODj..,UOD d ...

7

nl ... cil J.,.

et._ ...

...a

lit""

\

" "-'~--I -' 1

,~

"Ji

Courut direct Courant Inverse Courant dl reet Courant Inverse

\

1 •

Flau'" 4.4 CaracdrllUq . . "lraduelle" dl rfIabIl ...

ment.

Figure 4.3 Caract6rt.Uque "abrupte" de : rêtabllaseme t.1 1

: " le ,

Figure 4.5 Forme Id6aU . . . du courant permettant. de faire aDe

ual,..

tb~lque ~u circuit amortlueur. Teulon directe

1

bloqué dœne Ueu l des surtenalaos aux borDes de l'él6mellt leml-cOlldacteur muai du circuit amortisseur. Celles-cI sont dues au transfert brutal de Pênergle

COIlte-l , '

nue dans l 'inductance L~ur le réseau rêalatance capacité (R.. CI) en parallèle avec l'élément l protéger :yI •• d'lnformatlœ cet obtenue en

~ttant

que le transitoire en courant a la forme IdéaUaée'repdsentêe en Figure 4.5. et, en ana-lysant le circuit équivalent de la Figure 4.2. Les résultats ont été publiés lOUs

forme de courbes dans la référence 12 .

.

Il faut remarquer cependant que le modèle mathématique ne représente pas la réalité avec précision. En effet si le transfert du cou~ant Irm du thyristor au réseau Ra. Ca est immédiat, un êchelon de tension de hauteur Rs Irm doit apparartre aux bornes du thyristor (Figure 4.6) En conséquence les résultats thêo-rlques ne doivent pas être pris à la lettre et les valeurs dêflnltlves Rs. CSI La

doivent être sélectionnées par l'examen des formes d'onde.

-Une variante du cl rouit amortisseur peut être oholale au ou

oa

oe olrcult amortisseur de base ne donne pas satisfaction (FIgure 4. '1). Enfin. 011 peut trouver

des composants semi-conducteurs qui ont l la fois un tempe de commutaUœ ra-plde et un fafble- courant de rétabllsaement. Leur usage e.t quelquefois Il'''8Ialre pour supprimer toute aurtenal00 •

•

4.4

Calcul dei circuits amorti.seurs

*

EYal~tlOll de 1 ~Utade de l

''''''1on

cie taulOll

auquel

.cat

.CMamta

1ee

thyrfatol'8. r '

'

..

)

~.

,

.

.. ~ "':.

.

t"JM.t ~ .. _r. " 51

.

!t..

~ , / -

.

•

~

~

...

.

-

-

-

--

~ 'fi"" ,

••

_•

•

FIgure 4.6 TensIon aux bomes d'un thyrIstor en parallèle avec une diode de retour et soumis à un échelon de tenslOll!'

/

..

..

Fleur. 4.7 Circuit amortlaaeur .... lequel le ...

de r~bI"

••

meDt De cr6I

pu

de

perturlletloa

aoudalae • teuiOD.

1

"

'.

_{Un thyrlator auxiliaire eat aoumla l un 60belœ}

"

_{de te_10ft de hauteur}

&1

Eofr au moment on l '(Ultra thyristor de la même branche eat allumé.

, Les thyristors prlnolpaux sont soumis l un êcbelon de teulon de hauteur variable avec la oharge. Les quatre thyrlat0!8 doivent donc être munia d'un circuit amortisseur ct nous avons choisi d'Insérer le8 inductances comme cela est repré-senté en Figure 4. 8. Avec une charge r&lstlve la hauteur de l 'oobelon auquel les thyristors principaux sont soumis est:

El>

l:.

~L~

+

Li>

r

L

~ ê

A vec une obàrge Inductive l'augmentation de tension est bellucoup plus graduelle et

il n 'y a pas de danger d'allumage.

*

Dlmenslonnement des Inductances

La valeur de

4J

ne peut pas être cbollie arbitrairement.

En e"et l

l'allumage du tbyrlstor 2 u~ surlention est créée aux bome. du thyristor" dont la

valeur

est:

La tensIon de blooage du C 140 e.t de 400 volta. Pour prder 1Ul 'rteur de .êcurlt~ obolllaaOO8-~ 91e .350 volta:

Ecfr eat au mulmum ~ • Id

Ect •

230 V

..

~ r~\

le

:!;~~

.'

.

.

lf. " , .

..

...

....

FI ... 4. 8

SoIa_

oomplet d'une . . .

1 tGDduleur •