L’électronique de puissance permet de faire une conversion d’énergie entre deux sources électriques continues ou alternatives ; nous sommes donc à la frontière entre électrotechnique, où la notion de rendement est primordiale, et électronique, où l’on va surtout s’intéresser à la forme du signal.
1 Différents types de convertisseurs
On distingue plusieurs type de convertisseur :
- les redresseurs, commandés ou non, qui réalisent une conversion d’une source alternative vers une source continue (alimentation d’une MCC par exemple à partir du réseau de distribution électrique) ;
- les onduleurs autonomes qui fournissent une tension alternative à partir d’une source continue (alimentation d’un moteur synchrone à partir d’une batterie par exemple )
- les onduleurs assistés qui renvoient de l’énergie d’une source continue (une MCC fonctionnant temporairement en génératrice par exemple) vers le secteur de distribution d’énergie ;
- les onduleurs à résonance qui utilisent les propriétés d’un circuit résonant pour créer une source sinusoïdale de fréquence fixe à partir d’une source continue (utilisé en chauffage industriel par exemple) ;
- les gradateurs qui réalisent une conversion d’une source alternative vers une source alternative sans changement de fréquence (commande d’éclairage par exemple) ;
- les cyclo-convertisseurs qui réalisent une conversion directe d’une source alternative vers une autre source alternative de fréquence différente, en vue d’alimenter par exemple un moteur asynchrone en vitesse variable ;
- les hacheurs qui font une conversion d’une source continue vers une autre (alimentation à découpage par exemple).
La notion de rendement énergétique étant primordiale en électronique de puissance, on évitera tout composant dissipatif dans la partie puissance du circuit, qui sera donc composé :
- de dipôles réactifs, inductance ou condensateur ;
- de composants actifs (diodes et transistors divers) fonctionnant en commutation.
Le principe de la conversion consiste à emmagasiner de l’énergie dans le circuit magnétique d’une inductance ou dans le circuit diélectrique d’un condensateur, et de restituer cette énergie à une source en changeant la topologie du circuit ; le changement de topologie est réalisé par la commutation des composants actifs.
Le type de composants actifs dépend de la puissance mise en jeu ; d’une manière générale, plus cette puissance est élevée, plus la fréquence de découpage est faible, le tandem « puissance fréquence » constituant une limite technologique. Afin de caractériser les composants, on préfère parler de pouvoir de coupure en V.A plutôt que de puissance (en W), ceux-ci étant en effet :
- soit bloqués, le courant les traversant étant alors nul, - soit saturés, la tension à leurs bornes étant alors très faible,
le but étant d’avoir toujours la puissance dissipée dans le composant la plus faible possible.
La figure suivante donne une idée des composants utilisés suivant la gamme d’utilisation ; les diodes employées systématiquement n’apparaissent pas sur ce graphique.
pouvoir de coupure (kVA)
fréquence de commutation
(kHz)
101 103 105
100 102 104
IGBT GTO thyristor thyristor
transistor MOS
2 Exemples d’applications sur hacheur abaisseur
2.1.1 Hacheur à transistor MOS (faible puissance, fréquence élevée)
La commande est de type MLI (Modulation de largeur d’impulsion ou PWM : ¨Pulse Width Modulation).
2.1.2 Hacheur à transistor IGBT (puissance moyenne, fréquence moyenne) L
Vs Ve
C
T L
D
commande R
La commande est de type MLI.
Exemple d’application : commande de moteur à courant continu de quelques kW.
2.1.3 Hacheur à thyristor (puissance moyenne, fréquence moyenne) Th1
Vs L
commande amorçage (par gachette) et blocage (par Vak) Ve D
2.1.3.1 Le thyristor
Le thyristor est amorcé par une impulsion de courant, d’amplitude et durée suffisante, envoyée de la gâchette vers la cathode, lorsque sa tension anode cathode est positive.
Le thyristor se bloque lorsque le courant d’anode s’annule
Dans cet exemple, le blocage se fait par l’application d’une tension Vak négative, ce qui provoque le passage par 0 du courant.
Exemples d’applications : commande des moteurs à courant continu des premières générations de T.G.V.
3 Redresseurs monophasés commandés
3.1 Redresseur mixte (diodes thyristors)
L
alimentation alternative
D4
12
Q2 13 2 Q1
13 2 R
D3
12
La charge est ici un circuit RL série afin de simplifier. Dans la pratique, il s’agit généralement d’un moteur à courant continu.
La tension de sortie du pont est une tension unidirectionnelle positive, dont l’amplitude (donc la vitesse du moteur) est réglée par le temps de retard à l’amorçage des thyristors.
3.2 Redresseurs tout thyristor
Q3 13 2
Q1 13 2
Q2
13 2 R
L
alimentation alternative
Q4 13 2
La charge est ici un circuit RL série afin de simplifier. Dans la pratique, il s’agit généralement d’un moteur à courant continu.
La tension de sortie du pont peut être positive ou négative. L’amplitude (donc la vitesse du moteur) est réglée par le temps de retard à l’amorçage des thyristors.
Le courant étant toujours de même signe ; lorsque la tension est négative, la machine à courant continu fonctionne en génératrice et fourni de l’énergie au réseau. Ce fonctionnement peut être utilisé pour freiner un moteur.
4 Redresseurs triphasés commandés
L’utilisation d’une alimentation triphasée permet de réduire l’ondulation de tension et de courant en sortie.
Dans le cas d’un pont mixte, la tension de sortie ne peut être que positive, la machine à courant continu (modélisé ici par une force électromotrice en série avec une inductance) ne peut fournir d’énergie à l’alimentation (pas de freinage possible).
D1
12
D2
12
. D3
12
D6
12
alimentation triphasée
D5
12
D4
12
L
Dans le cas d’un pont tout thyristor, la tension de sortie peut être négative
Q2 13 2 Q1
13 2
alimentation triphasée
Q2
13 2 L
5 Gradateur (convertisseur alternatif – alternatif)
alimentation alternative
C1
CHARGE
R1
TRIAC 3
21
DIAC
2 1
5.1 Le triac
Pour amorcer les triac, il faut envoyer une impulsion de courant, d’amplitude suffisante (voir documentation constructeur) de la gâchette vers la cathode. Cette impulsion peut être positive ou négative, de même que la tension anode cathode.
Le triac s’amorce cependant mieux si courant de gâchette et tension anode cathode sont de même signe. Le triac se bloque lorsque son courant d’anode s’annule.
5.2 La diac
La Diac (diode for alternative current) devient passant lorsque la tension à ses bornes dépasse 32 V, dans un sens ou l’autre. Une fois la diac passante, la tension à ses bornes chute alors à 22 V. La diac se bloque lorsque le courant la tranversant s’annule.
5.3 Fonctionnement du gradateur
Le circuit R1.C1 retarde la conduction de la diac d’un temps réglable par R1. La conduction de la diac provoque le passage du courant dans la gachette du triac, qui s’amorce.
Sa tension anode cathode chute alors à 0 (ou presque) et la tension apparaît aux bornes de la charge.
Lorsque ce courant s’annule, le triac se bloque.
Remarque : la résistance R1 peut être connectée directement à l’alimentation.
Application : commande d’éclairage, de chauffage, vitesse variable sur petits moteurs asynchrones (P<1 kW).
