LES GRADATEURS

Introduction :

Un gradateur est un convertisseur alternatif / alternatif permettant, à partir d’une source alternative de valeur efficace fixe, d’obtenir une tension alternative à valeur efficace réglable.

Les composants utilisés sont généralement les thyristors et les triacs.

On rencontre les gradateurs dans les systèmes de variation de vitesse pour moteurs universels (perceuses…)et petits moteurs asynchrones(ventilateurs…), ainsi que dans la commande des résistances chauffantes pour fours ou pour varier l’intensité d’éclairage d’un local …etc.

 Symbole d’un gradateur :

 

A/ Gradateur monophasé :

1/ Cas d’une charge résistive :

 

Les thyristors Th1 et Th2 sont montés en tête-bêche (en opposition) et peuvent être remplacés par un seul triac. Les commandes des thyristors sont décalées d’un angle de Л ; ainsi si Th1 est amorcé à l’instant α, Th2 le sera à l’instant α+Л.

a/ Formes d’onde :

 

Pendant l’alternance positive le thyristor Th1 susceptible de conduire est amorcé à l’instant α. A son amorçage, la charge voit la tension d’entrée Ve. Au passage de Ve par zéro, le thyristor Th1 se bloque spontanément à cause de l’annulation de son courant anodique. A l’instant Л+α , le thyristor Th1 est amorcé et Vs=Ve jusqu’à son désamorçage spontané à la fin du cycle.

b/ Valeur efficace délivrée :

La tension aux bornes de la charge est alternative non sinusoïdale ; sa valeur efficace est donnée par intégration de la quantité Vmax sin (wt) entre α et Л sur la demi période. Ainsi, on obtient :          

 

La puissance transmise est alors 

              

Evolution de la valeur efficace en fonction de l’angle 

Evolution de la puissance en fonction de l’angle 

 c/ Tension appliquée aux thyristors :

Cette tension appliquée est quasi nulle lorsque l’un des deux thyristors est en conduction. Si les deux thyristors sont bloqués, le thyristor Th1 voit une tension VTh1=Ve.

Chaque thyristor devra donc supporter en direct et en inverse une tension maximale de valeur Vmax.

2/ Cas d’une charge purement inductive :

a/ Principe :

 

Si le thyristor Th1 est amorcé à l’instant α, le courant dans la charge ne peut prendre instantanément une valeur considérable mais croît lentement à partir de zéro (une inductance constitue une inertie de courant.

b/ Formes d’ondes :

• Pour 0<α<Л/2 :   Le courant i reste positif au-delà de l’instant Л+α. Il vient alors que le thyristor Th1 reste conducteur au moment ou l’on décide d’amorcer Th2. Celui-ci ne pourra s’amorcer puisque la tension à ses bornes est légèrement négative. Ceci est valable pour une courte impulsion de gâchette.

      Le tracé ci après correspond à un angle α=Л/3.

Le thyristor Th2 ne s’amorce jamais. Le courant i tiré au réseau possède une valeur moyenne non nulle.

Si par contre les impulsions de commande sont assez larges, le réamorçage du Thyristor Th2 est possible après l’extinction du courant i puisque l’impulsion d commande est toujours présente. Le courant continu alors à circuler en sens inverse via Th2. La forme d’onde obtenue ne présent aucun intérêt puisque la totalité de la sinusoïde est transmise à la charge (pas de contrôle de valeur efficace).

• Pour Л/2<α<Л :

Le courant i s’annule donc avant l’instant Л+α (Instant de commande de Th2). Ainsi, lorsque le thyristor Th2 est commandé à l’amorçage, Th1 est déjà bloqué et n’empêche plus la conduction de Th2. 

On obtient ainsi les formes d’ondes suivantes :

3/ Cas d’une charge résistive inductive :

Dans ce cas, le courant i et la tension Vs ne sont plus en quadrature mais déphasés d’un angle φ inférieur à Л/2 :        tg(φ)=.

Le même raisonnement reste valable à condition de remplacer Л/2 par φ. Ainsi :

Si l’angle de retard α est dans l’intervalle [0,φ], le fonctionnement n’est pas symétrique : seul un thyristor s’amorce et la valeur moyenne du courant est non nulle si les impulsions 

• de commande sont de courte durée ; par contre si ces impulsions sont assez larges la totalité de la sinusoïde est transmise à la charge.

Si l’angle α est choisi dans l’intervalle [φ,Л], le fonctionnement est symétrique : Th1 conduit dans l’intervalle [α,θ]  (avec θ un angle dépendant de α et φ) .

4/ Gradateur à cycle complet :

 

La charge est alimentée pendant un certain nombre de périodes puis non alimentée. La variation de la puissance transmise à la charge s’obtient en réglant le nombre de sinusoïdes entières (cycles complets) reçues pendant une durée donnée

Le triac reçoit donc sur sa gâchette un signal rectangulaire de fréquence 50 Hz et en phase avec Ve. Il s’amorce pour chaque demi période et se comporte donc comme un interrupteur fermé pendant la durée de présence du signal de commande. Pendant la coupure du signal, le triac reste bloqué et la charge se trouve non alimentée.

a/ Allure du signal de commande :

  

 

Le train d’ondes transmis à la gâchette du Triac est  envoyé pendant une durée tON  et coupé pendant une durée tOFF.

b/ Allure du signal transmis à la charge :

Domaine d’utilisation de ce genre de gradateur :

- Chauffage.

- Utilisés sur des systèmes présentant une inertie thermique importante.

Avantages:

- 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 faible.

- On a une relation linéaire entre la puissance moyenne dans la charge et le rapport cyclique.

5/ Gradateur à réseau déphaseur :

Un circuit RC (Filtre passe bas) peut être utilisé pour retarder l’instant d’amorçage d’un triac. Ce circuit RC est appelé réseau déphaseur.

On utilise pour l’amorçage du triac un diac . Le diac est composant bidirectionnel qui se met en conduction lorsque la tension à ses bornes dépasse une valeur précise : tension de retournement  

 .

 

  

Pendant l’alternance positive, la capacité C se charge à travers R (10K+220K variable) pour atteindre la tension d’amorçage  (au voisinage de 30V) du Diac. A ce moment là celui-ci se met à conduire et provoque l’amorçage du Triac. La charge se trouve alimentée et la capacité se décharge à travers le Diac jusqu’à son blocage. Une nouvelle charge du condensateur reprend suivie d’une nouvelle décharge tandis que le triac reste en conduction tant que le courant dans la charge n’est pas interrompu.

Au passage de la tension Ve par zéro, le Triac se bloque et la tension Ve devient négative. Le condensateur C se charge en inverse pour atteindre –. Le triac se réamorce grâce au fort courant tiré par le Diac en conduction.

La constante de temps R.C règle l’angle de retard à l’amorçage du Diac donc du Triac. Elle règle donc la puissance transmise à la charge.

B/ Gradateurs triphasés :

Lorsque la puissance à transmettre dépasse quelques dizaines de KW, on emploie des gradateurs triphasés. On distingue deux types de montages possibles :

Le gradateur triphasé proprement dit. On donne l’exemple du montage triangle sur charge résistive.

On dispose en série avec chaque phase un gradateur monophasé. Aucune étude supplémentaire n’est à faire ; les phases fonctionnent indépendamment l’une des autres et l’étude est similaire à celle en monophasé. Il reste à signaler que pour un fonctionnement correct les commandes des thyristors doivent être décalées de 2Л/3.

1/ Gradateur triphasé en étoile :

a/ Principe :

Chaque thyristor est commandé avec un retard α par rapport à l’instant ou la tension vue par celui-ci devient positive : passage par zéro (pour Th1, Th2 et Th3) ou négative (pour Th1’, Th2’ et Th3’). Ainsi :

·         Le thyristor Th1 est amorcé avec un retard α par rapport au moment ou V1 devient positive.

·         Le thyristor Th3’ est amorcé avec un retard α par rapport au moment ou V3 devient négative.

On déduit :

·         Les thyristors de la même phase sont commandés avec un décalage de 180°.

·         Les thyristors de la phase 2 sont commandés selon un décalage de 120° par rapport à ceux de la phase 1.

L'ordre de commande des thyristors est :

Th1 en , Th3’ en +60°, Th2 en +120°, Th1’ en +180°, Th3 en +240° et Th2' en +300°.

Remarque :

• Nous devons avoir à chaque instant i1+i2+i3 = 0.
• Un seul thyristor peut être passant dans chaque phase : quand Th1 conduit, Th1' est polarisé sous une légère tension négative donc ne peut être commandé.
•  
   
  ·         Allure pour α<60°  ( Exemple  α=30°) :
  Pour  le montage fonctionne selon le mode 1 dans lequel on peut avoir soit trois thyristors conducteurs soit deux.
  Ainsi :
  ·         Th1 peut conduire avec Th2’ et dans ce cas là  .
  ·         Th1 peut conduire avec Th3’ et dans ce cas là  .
  ·         Th1 peut conduire avec Th3 et Th2’ ou avec Th3’ et Th2’ ou encore Th3’ et Th2 et dans ce cas là    .
  
  
  Pour définir les angles d’amorçages des thyristors, on peut raisonner de la manière suivante :
  
  
  En amorçant Th1 à   il pourrait conduire avec Th3 et Th2’. Cela suppose que V1>0 et V2<0 et V3>0. Cette condition est vérifiée pour . En effet, à ,V3 devient négative et Th3 se bloque. Il vient alors que Th1 reste conducteur avec seulement T
  
  h2’. En conclusion
  
  
  Th3 se bloque 30° avant l’amorçage de Th3’. On pourra vérifier de la même manière que Th1 se bloque 30° avant l’amorçage de Th1’….etc
  Ce raisonnement nous mène à déduire :
  • Angle de conduction de chaque thyristor=150°.
  • Décalage de conduction entre deux thyristors de la même phase= 30°.
  
  
  Stratégie de commande :
   
  
  
  
  
  
  ·         Allure pour 60°<α<90°  ( Exemple α =75°) :
  Pour  le montage fonctionne selon le mode 2 dans lequel on peut avoir seulement deux thyristors conducteurs.
  Ainsi :
  ·         Th1 peut conduire avec Th2’ et dans ce cas là  .
  ·         Th1 peut conduire avec Th3’ et dans ce cas là  .
  ·         Lorsque aucun de la phase 1 ne conduit, Vs1=0V
  Pour définir les angles d’amorçages des thyristors, on peut raisonner de la manière suivante :
  
  
  En amorçant Th1 à   il pourrait conduire avec Th3 et Th2’. Cela suppose que V1>0 et V2<0 et V3>0. Cette condition n’est vérifiée parce que V3 est devenue négative. Il vient alors que Th1 reste conducteur avec seulement Th2’. Cet état devrait être maintenue par la condition , qui est réalisée.
  A wt=135°, On amorce Th3’ ; cela ferait d’avoir trois thyristors conducteur mais la condition : V1>0 et V2<0 et V3>0 n’est pas réalisée car V2 est positive.
  En conclusion, Th2’ se bloque 60° avant l’amorçage de Th2. On pourra vérifier de la même manière que Th1 se bloque 60° avant l’amorçage de Th1’….etc
  Ce raisonnement nous mène à déduire :
  • Angle de conduction de chaque thyristor=120°.
  • Décalage de conduction entre deux thyristors de la même phase= 60°.
  
  
  Stratégie de commande :
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  ·         Allure pour 90°<α<150°  ( Exemple  α=120°) :
  Pour  le montage fonctionne selon le mode 3 dans lequel on peut avoir soit  deux thyristors conducteurs,  soit aucun.
  Ainsi :
  ·         Th1 peut conduire avec Th2’ et dans ce cas là  .
  ·         Th1 peut conduire avec Th3’ et dans ce cas là  .
  Pour définir les angles d’amorçages des thyristors, on peut raisonner de la manière suivante :
  
  
  En amorçant Th1 à   il pourrait conduire avec Th3 et Th2’. Cela suppose que V1>0 et V2<0 et V3>0. Cette condition n’est vérifiée parce que V3 est devenue négative. Il vient alors que Th1 reste conducteur avec seulement Th2’. Cet état devrait être maintenue par la condition , qui est réalisée.
  A wt=180°, devient négative, Th2’ se bloque alors.
  En conclusion, Th2’ se bloque 90° avant l’amorçage de Th2. On pourra vérifier de la même manière que Th1 se bloque 60° avant l’amorçage de Th1’….etc.
  
  
  Remarque : Lorsque Th2’ se bloque Th1 se bloque aussi. Il faut alors le réamorcer à l’amorçage de Th3’. Chaque thyristors recevra deux impulsions par période.
  
  
  Ce raisonnement nous mène à déduire :
  • Angle de conduction de chaque thyristor=60°.
  • Décalage de conduction entre deux thyristors de la même phase= 90°.
  
  
  Stratégie de commande 
  
  
  
  
  2/ Groupement en triangle de trois gradateurs monophasés :
  
  
  
  
  
  
  
  
  Les thyristors Th1 et Th3 sont amorcés avec un décalage de 180° un certain nombre de cycles. La tension de sortie récupérée est positive (Redressement).
  Ensuite, ces thyristors étant bloqués, on amorce Th2 et Th4 (avec un décalage de 180°) un certain nombre de cycles pour récupérer une tension de sortie Vs négative (Redressement).
  La commande des thyristors est spéciale ; ainsi d’un cycle à l’autre l’angle de retard à l’amorçage varie :
  
  
  
  Ceci est adopté dans le but d’obtenir une valeur moyenne variable (par cycle).
  
  b/ Formes d’ondes :
  La tension de sortie Vs est formée de la juxtaposition de fractions de sinusoïdes successives qui proviennent de la tension d’entrée. Elle contient une composante fondamentale de fréquence plus basse que celle du réseau, associée à des harmoniques qui peuvent être éliminés par un filtre passe bas.
  
  2/Cycloconvertisseur triphasé :
  
  
  Il comporte trois cycloconvertisseurs monophasés montés de telle sorte que les trois tensions de sortie soient déphasées de 120°. Une phase du cycloconvertisseur peut être formée de six thyristors ou de douze thyristors formant deux ponts complets.
  
  
  
  
  ·         Cycloconvertisseur à 6 thyristors / phase :
  
  
  
    ·         Cycloconvertisseur à 12 thyristors / phase :
  
  
   
  
  

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