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Variateurs, onduleurs et convertisseurs

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1/3 : Découpage du signal sinusoïdal

Le gradateur à triac en vidéo





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Schéma de base du gradateur

Gradateur de tension à triac, dimmable
La bobine et le condensateur 0.1 µF en gris, (self de choc), servent d'antiparasites et n’interviennent pas dans le fonctionnement technique du gradateur.

Le DIACConstitué de 2 thyristors, (pour fonctionner en ~ : bidirectionnel), chacun piloté par une Zener lui conférant un seuil de conduction ≃ 32 Volts :
Avant ce seuil, il ne conduit pas laissant le condensateur 0.1 µF en rouge se charger, dès que Uc > 32 V, le DIAC se met à conduire ce qui va décharger le condensateur dans la gâchette du triac qui à son tour deviendra passant !
Le DIAC n'existe qu'en 32 Volts pour cet usage ! Composant très unique :-)
est un composant très particulier qui n'est utilisé... que pour le gradateur !
C'est lui qui déchargera le condensateur 0.1 µF en rouge, dès que la tension à ses bornes atteindra 32 Volts, dans la gâchette du triac afin de l'amorcer, (la décharge du condensateur envoie l'impulsion), et laisser circuler le courant électrique.
Le potentiomètre permet de régler ce temps de retardEt donc le délai avant l'impulsion :
Retard t avec gradateur
(temps t = R × C) modifiant Us moyenTension moyenne gradateur
Plus le retard est élevé, plus faible est le surface disponible. Seul les récepteurs à forte inertie fonctionnent correctement :
Moteurs universels, asynchrones si charge de type ventilation (couple proportionnel² (au carré) de la vitesse), ampoules à filament (scintillement quelquefois perceptible à faible puissance), LED uniquement les modèles dimmables...

Mais ne raccordez jamais une alimentation d'ordinateur ou autre sur un gradateur !
Risque de surtension !
. La résistance 3.3 kΩ est un talon limitant I quand le potentiomètre est au minimum, sans elle : court-circuit !
Tension moyenne efficace sortie gradateur
Mise en valeur absolue (alternances toutes positives). En bleu la tension moyenne en sortie.




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Le redressement contrôlé

Ce montage est encore quelquefois utilisé, mais surtout présent dans les variateurs convertisseurs de fréquence pour moteur asynchrone où il porte le nom de pont mixtePont redresseur mixte à base de diodes et thyristors.
Généralement triphasé double alternance, 6 diodes (voir cours sur le redressement au besoin)
et permet la ré-injection de la femForce électromotrice, quand le moteur est en sur-vitesse par rapport à la consigne variateur. moteur dans le réseau.

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3
Pont mixte thyristors diodes bloqué
Ici, les thyristors ne sont jamais pilotés au niveau de leur gâchette, par conséquent Us = 0 !
Pont mixte thyristors monophasé double alternance à 50%
Désormais, les gâchettes sont pilotées avec un retard d'1/2 alternance : Us ≃ 1/2 de Ue.
Notez qu'en raison de la forme sinusoïdale, 1/4 de l'alternace ne serait pas du tout égal à 1/4 de Ue, mauvaise linéarité du ratio : temps de conduction/tension moyenne !
U moyen redressement contrôlé
Voici U moyen unidirectionnelOn ne peut pas évoquer le terme continu : ce signal n’est pas constant et passe même par 0 ! qui on le voit bien n'est pas vraiment proportionnelLa non linéarité évoquée auparavant, limite encore son utilisation au retard et n'est acceptable que pour des récepteurs à forte inertie (moteurs, résistances).




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Cochez en vert la réponse exacte...


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2/3 : Onduleur : convertir du continu en alternatif

Onduleur économique à signal carré !





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Montage en pont : signal carré alternatif

Onduleur : obtention d'un signal alternatif carré

La séquence de l'onduleur est la suivante :

  1. Aucun transistor n'est passantSi verticalement T1P et T2N ou T2P et T1N conduisent simultanément :
    C'est le cct (court-circuit) entre les rails d'alimentation !
    : Us = 0 V
  2. La diagonale du couple T1 (P et NP pour positif ou PNP ici mais on aurait pu trouver du MOSFET...
    N pour Négatif ou NPN
    ) conduit produisant Us = +Ucc
  3. A nouveau, aucun transistor n'est passant : Us = 0 V
  4. L'autre diagonale T2 devient passante et génère Us = –Ucc
  5. Aucun transistor ne conduit, Us = 0 V, le cycleLe cycle = la période qui est l'inverse de la fréquence de l'onduleur...
    t = 1 / f (Hz)
    peut recommencer !

Il suffira de remplacer la résistance de charge par un transformateur et d'ajouter les diodes de protectionOnduleur avec transfo élévateur : Us ~ ≃ Ue × Ns / Np
onduleur élévateur avec diodes
pour obtenir un onduleur élévateur de tension.

Attention à réaliser le plus efficace câblage des diodesCâblage correct de diode de protection surtensions
C'est la diode qui protège le transistor des surtensions dues à la bobine. Ainsi, le transistor ne doit absolument pas faire fil commun avec elle. Seul le schéma vert assure cela. Les 'pattes' du composant doivent être réduites au minimum à cause, comme tout fil, de leur inductance propre...
possible !




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Autres onduleurs avec transformateur élévateur

Onduleur push-pull
Ci-contre, une variante 'pousse-tire' (push-pull) qui requière un transformateur à point milieu mais simplifie l'électronique de commande (seulement 2 transistors N)
Onduleur conduction directe
Attention, là aussi au bon :
Positionnement des diodesCâblage correct de diode de protection surtensions
C'est la diode qui protège le transistor des surtensions dues à la bobine. Ainsi, le transistor ne doit absolument pas faire fil commun avec elle. Seul le schéma vert assure cela. Les 'pattes' du composant doivent être réduites au minimum à cause, comme tout fil, de leur inductance propre...
!
Conduction directe :
Les 2 transistors N conduisent simultanémentLeur gate est pilotée par des optocoupleurs car elles ne sont pas au même potentiel (pointillés). Passants, les transistors alimentent la bobine primaire : + en haut, – en bas.
A l'ouverture, la bobine crée sa surtension inverse que les diodes contiennent, grâce au condensateur, à Ue (aux seuils diode près), la même valeur donc mais en inverse !
On pilote donc ici en mono-alternance, l'alternance négative est automatiquement générée par la bobine avec l'effet d'auto-inductionE = – Δ Φ / Δ t = L × Δ I / Δ t !




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Onduleurs, pas si semblables !

  1. Les plus économiques : signal carrésignal ondulé carré
    Signal tel qu'en vidéo, il n'est pas accepté par tous les récepteurs... Certains se mettront en protection à cause des surtensions engendrées par la forme de ce type de signal !
  2. Intermédiaires : la MLI non filtréeSignal ondulé MLI
    Ce sont les pseudo-sinus, avec une fréquence de découpage plus ou moins élevée, ils reproduisent une moyenne de forme sinusoïdale !
  3. Pseudo-sinus filtréSignal MLI filtré
    Avec un filtre passif L (inductances) ou LC (inductances et condensateurs).

    Des parasites contenus, que l'on qualifiera plutôt de distorsion, apparaissent sur le signal ainsi filtré
    : le plus pur
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2
3
Onduleur basique à signal carré
Là, on respecte simplement un temps mort entre l'alternance positive et négative afin d'éviter tout court-circuit et c'est tout ! Cet onduleur très économique ne convient qu'à des récepteurs fort tolérants. Il présente l’avantage de fonctionner directement sur une batterie 12 V automobile.
Onduleur pseudo-sinus non filtré
Typiquement le signal, comme en vidéo, foruni par les convertisseurs de fréquence pour moteurs asynchrones ou les onduleurs 'pseudo-sinus' à MLI. Attention à la CEM !
Onduleur MLI filtrée LC
Le même que précédemment mais après filtrage LCFlitre LC
En rouge le signal MLI, en vert le signal filtré de sortie
(à réaliser 3 fois pour du triphasé).
Pour la partie HF du signal MLI, la bobine oppose une haute impédance et garde cette HF à ses bornes grâce au condensateur, qui lui en HF est proche du court-circuit !
A l'opposé, en BF (l'enveloppe 50 Hz BF) il est quasiment isolant quand la bobine est, elle en BF, conductrice...
Le filtre ici est de 1° ordre et directionnel (entrée obligatoirement en rouge, sortie en vert sinon c'est le cct !).
Un seul couple LC ici mais il existe des filtres bien plus évolués...
, le filtrage passif engendre un peu de pertes mais il est très simple bien qu'onéreux en forte puissance à cause principalement des bobines de lissage.




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Calcul de l'auton...


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3/3 : Le plus utilisé désormais : modulation de largeur d'impulsion

Onduleur MLI brut puis MLI filtré


Photo de MLI en triphaséMLI triphasée fournie par un convertisseur de fréquence : variateur de vitesse pour moteur triphasé (asynchrone ou synchrone) constitué d'un redresseur puis de 3 onduleurs déphasés de 120°...




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Avantages inconvénients versus découpage du sinusoïdal

Avantages de la MLI, Rapport cyclique variable
  • Fréquence libre, jusqu'à > 1 Mhz, plus de souci d'inertie
  • Très précis : 10.0% du temps de conduction Us = 10.0% de Ue !
  • Absolument linéaire : on part d'un courant continu lisse
  • Très rapide de par la fréquence de découpage réglable
Inconvénients de la MLI
  • Génère des parasites Haute Fréquence : souci en CEMVoir nos cours sur la compatibilité électromagnétique
  • Complexe à maintenir, dépanner
  • Encore plus coûteux pour les applications domestiques

Avantages des gradateurs
  • Simples, robustes et peux coûteux
  • Parasites Basse Fréquence, plus faciles à maîtriser pour les non électroniciens
  • Facile à maintenir, réparer
Inconvénients des gradateurs
  • Toléré uniquement par des process lents (moteurs, résistances)
  • Fonction sinus : 10% de retard de Us qui n'est pas du tout égal à 10% de Ue !
  • Bruyant : le découpage du 50 Hz est audible, cela peut gêner...




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Pourquoi et comment la MLI ?

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Pertes sinus vs MLI
Réaliser un tel signal, une sinusoïde bien propre, est techniquement possible ! Mais à partir de la tension continue en pointillés, toute la surface rouge est perdue en pertes Joule dans les transistors, avec un rendement d' ≃ 50% : inacceptable Sur un amplificateur audio haute-fidélité, perdre 50% de 100 Watts, n'est pas dramatique mais dans un variateur 100 kW, perdre 50 kW et les dissiper n'est ni responsable ni envisageable !
(bien des amplificateurs audio fonctionnent aujourd'hui en classe D et donc en MLI !)
!
MLI échantillonnage sinus
L'idée consiste à réaliser un échantillonnage (le signal gris en escalier), on mesure le signal à reproduire X fois par seconde. Ce procédé était déjà utilisé dans les premier CD audio qui ont succédé aux vinyles...
MLI échantillonnage fin sinus
Ici l’échantillonnage est plus fin, se fréquence est plus grande mais le bon choix est un compromisPour un CD : 44.1 kHz, à peine 2 fois le son le plus élevé à reproduire c'est peu mais dû aux supports de l'époque peu capables de stocker plus de données !. Pour les variateurs un échantillonnage trop élevé fait perdre de la puissance à cause de l'inductanceQuand la fréquence augmente, l'impdance augmente ce qui diminue l'intensité et par conséquence : le couple moteur ! des bobines des moteurs...
MLI escalier vers MLI
L'escalier en gris est converti pour chaque marche en son équivalent MLI (voir en connexes le cours découper commuter). Ainsi, le signal bleu est généré...
MLI pseudo-sinus
Voici notre signal MLI en bleu, qui une fois intégré ou filtréMLI filtrée
Avec bobines et condensateurs, vu en vidéo, on lisse la MLI pour s'approcher du signal d'origine, les pertes sont faibles ≃ 10%.
Mais les moteurs ne bénéficient pas souvent de tels filtres qui protègent bien des parasites : voir cours CEM, car de par leur inertie ils l'intègrent et font naturellement la 'moyenne' de la MLI...
reproduira le signal d'origine en vert ! Ici le vrai signal MLIMLI convertisseur de fréquence
Voici un MLI fourni par un convertisseur de fréquence, on notera que la fréquence échantillonnage élevée : ici 20 kHz pour reproduire du 50 Hz : 400 mesures par période !
d'un variateur (ou onduleur pseudo-sinus).
Onduleur MLI signal complet
Enfin le signal final, avec les alternances positives et négatives !

Onduleur MLI triphasé

MLI triphasée
Ci-dessus le signal issu d'un onduleur triphasé :

Les 3 onduleurs en sortie d'un convertisseur de fréquence aussi nommé variateur de vitesse pour moteur asynchrone.




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La MLI/PWM en action !

Lorsque la fréquence diminue, la tension doit elle aussi diminuer (loi U/F), c'est en modifiant le temps de conduction que le variateur permet cela en mode commutation. Jouez avec le curseur sous la sinusoïde :

Le curseur règle la consigne U (tension)
50%

Vous devez retrouver le même élargissement des impulsions que dans la vidéo à ceci près que cette animation pédagogique ne représente que 7 cycles (impulsions) par alternance.
Le nombre de cycles dépend de la durée et donc de la période de la fréquence de modulation de largeur d'impulsion. Plus la fréquence est élevée, plus fine sera la reproduction du signal visé (le sinus). Toutefois une fréquence élevée procure un plus mauvais rendement (pertes lors des transitionsLors des passages de 0 à 1 et 1 à 0 (ouvert vers fermé et l'inverse), les transistors sont dans une zone résistive très brève car liée à leur temps de commutation mais moins négligeable quand la fréquence et donc le nombre de transitions augmente... Voir Conseil+ en fin de cours) et diminue la puissanceVu en cours sur les inductances, le moteur est constitué de bobines donc l'impédance augmente avec la fréquence. En simplifié, le moteur absorbe moins d'intensité et perd donc du couple et de la puissance (P = tension × intensité) convertie par le moteur.
MLI 60 Jz à 2 hHz de désoupage
Alternance provenant d'un convertisseur variateur de fréquence réglé à 60 Hz pour 2 kHz de découpage :
Soit ≃ 17 impulsions par alternance.




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MLI, choix de fréquence et loi U/f, filtrage SINUS


Mise en évidence de la loi U/f avec mesure RMS et oscilloscope. Filtrage du signal par élément blindé LC.




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Le signal ci-dessous est un signal......


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Pertes en commutation et conduction

  • Parfaite (théorique) en vert : transition nulle !
  • Tension aux bornes du contact en bleu
  • Intensité traversant le contact en violet
  • Pertes par conductionAucun contact n'est parfait : une résistance subsiste mais elle doit être négligeable
    Pour un transistor de commutation c'est soit sa résistance RdsON (mosfet), soit sa tension CE
    en marron en bas
  • Pertes par commutationLa pointe est ≃ égale à la puissance du circuit fermé divisée par 4 car les courbes de tension et d'intensité se croisent à leur demie valeur.
    Comme on ne peut diminuer cette pointe, on va s'attacher à limiter la largeur du triangle ainsi formé, car il représente l'énergie. Pour cela, on utilisera des bascules rapides !
    , les pointes rouges
Pertes par commutation
Comme il est impossible de diminuer la pointe, (liée à U et I), on diminue au maximum le temps de transitionEn bleu, le signal parfait, en gris la période t, en rouge le temps de commutation, en vert le temps 0 ou 1 :
Temps de transition des composants en HF
Il apparaît clairement que le ratio tc (temps de commutation : pertes Joule) en rouge est inacceptable au milieu (près de ≃ 50% !).
Alors qu'il est en vert acceptable en bas (< à 10%)
avec des composants très rapides !

Fréquence de découpage

Pour les alimentations :

Les plus miniatures (chargeurs de smartphones...) dépassent les 100 kHz et arrivent au MHz.
A l'opposé, les alimentations de quelques kilo-Watts vont descendre jusqu'à 50 kHz, au dessus des ultra-sons.

Pour les convertisseurs variateurs de XX kW à quelques MW :

Leur découpage devient audible et va de quelques centaines d'Hz à quelques kHz.
Avantages d'une fréquence élevée
  • Inaudible, plus compacte, plus légère
  • Taille minimale des composants passifsCondensateurs :
    C = (I × t) / U : quand la fréquence ↗, t ↘ (t = 1 / f) et donc la capacité C en Farad est inversement proportionnelle à la fréquence.
    Ex : 10 000 µF à 50 Hz, 10 µF à 50 kHz !

    Inductance : E = – L × (ΔI / Δt) ⇒ E est fixe, si t diminue : L diminue là aussi proportionnellement !
Inconvénients
  • Composants rapidesEn bleu, le signal parfait, en gris la période t, en rouge le temps de commutation, en vert le temps 0 ou 1 :
    Temps de transition des composants en HF
    Il apparaît clairement que le ratio tc (temps de commutation : pertes Joule) en rouge est inacceptable au milieu (près de ≃ 50% !).
    Alors qu'il est vert acceptable en bas (< à 10%)

    Ce qui implique des composants très rapides MOSFET qui sont indisponibles en haute puissance : IGBT plus lents seulement...
    peu disponibles en haute puissance
  • Bruit électronique : CEM Compatibilité électromagnétique
  • Pertes de puissance pour les onduleursLorsque le signal reste impulsionnel, onduleurs, convertisseur variateurs pour moteurs asynchrones...
    Les pertes dans les inductances des câbles de liaison et les bobines du moteur deviennent problématiques !

Conseils+, compléments, prérequis :
Pertes commutation et conduction
Fréquence de découpage

Cours connexe recommandé par l'auteur :
Crée le 09 / 06 / 2017, der. màj le 26 / 10 / 2017 par : Guillaume (Guillaume DUPAS)
Contributeur Guillaume DUPAS Gu5835e07c1389f
Cours vu 237 fois ★★★★☆
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