Electronique de puissance et convertisseurs statiques
1.3 Technique de conversion
1.3.1 Généralités
Le fonctionnement des convertisseurs statiques se base sur quelques principes fondamentaux de la technique de conversion. Ces convertisseurs sta-tiques commutent périodiquement entre différents niveaux de tension. Selon les niveaux de tension et la séquence de commutation choisis, il est possible d’obtenir différents genres de conversion.
Dans cette section, on présentera plusieurs prin-cipes de conversion, à savoir :
• conversion alternative-alternative à fréquence invariable ;
• conversion continue-continue ;
• conversion alternative-continue ;
• conversion continue-alternative ;
• conversion alternative-alternative à fréquence variable.
Ces différents principes sont présentés indépen-damment de montages particuliers de convertis-seurs statiques. Le montage doit être conçu de façon à réaliser la commutation désirée entre les différents niveaux de tension. Les montages les plus utilisés seront présentés dans les chapitres suivants, où l’on décrira surtout leur application pratique.
1.3.2 Conversion alternative-alternative à fréquence invariable
La figure 4 montre schématiquement la conversion alternative-alternative à fréquence invariable. Dans ce cas, on commute entre une tension alternative d’amplitude Uˆ et de pulsation ωet le niveau zéro. La commutation durant la demi-période négative est symétrique à celle durant la demi-période positive.
Selon le secteur sélectionné de la tension alterna-tive, on peut faire varier l’onde fondamentale de la tension alternative résultante dans un large domaine. Ce secteur est caractérisé par l’angle d’en-clenchement αet l’angle de déclenchement β.
L’amplitude 1Uˆ de l’onde fondamentale s’obtient par la relation
avec
et
Introduit dans [1.1], on tire
[1.4]
Comme on le voit de la figure 4, cette conversion donne non seulement l’onde fondamentale de la tension alternative que l’on peut influencer par les commutations, mais aussi des harmoniques plus ou moins prononcées ayant une fréquence multiple de la fréquence du réseau d’alimentation alternatif.
A noter que le variateur de courant alternatif se base sur ce principe de conversion.
I1U =U
Figure 4 : Représentation schématique de la conversion alternative-alternative à fréquence invariable.
[1.1]
[1.2]
[1.3]
1.3.3 Conversion continue-continue
Lors de la conversion continue-continue, on com-mute périodiquement entre deux niveaux de ten-sion constants, comme le représente la figure 1.4.
Avec la durée t1où reste enclenché le niveau U1et la durée t2 où le niveau U2 reste enclenché, on obtient la valeur moyenne de la tension continue
U1t1+ U2t2
Umed = —————– [1.5]
t1+ t2
En intervenant sur les durées d’enclenchement t1et t2, il est possible de faire varier la valeur moyenne de la tension continue Umed.
polyphasé. Le nombre des phases est en général deux (déphasage entre les tensions simples 180°), trois (déphasage 120°) ou six (déphasage 60°). La figure 6 montre le cas d’un système triphasé.
t1 t2
Figure 5 : Représentation schématique de la conversion continue-continue.
Dans ce cas, on obtient une ondulation de forme rectangulaire très prononcée qui se superpose à la valeur moyenne. Sa valeur crête à creux est de
U∆= U1– U2 et sa fréquence
1 / (t1+t2).
Le variateur de courant continu travaille selon ce principe, le deuxième niveau de tension est alors
U2= 0 ou U2= –U1.
Dans ce dernier cas, la valeur moyenne de la ten-sion continue peut aussi devenir négative.
1.3.4 Conversion alternative-continue Dans le cas de la conversion alternative-continue, on commute périodiquement entre des secteurs sinusoïdaux appartenant à un système alternatif
ωt
Figure 6 : Représentation schématique de la conversion alternative-continue.
Avec p le nombre des phases du système poly-phasé, on trouve la valeur moyenne de la tension continue par
[1.6]
En variant l’angle α, la valeur moyenne de la ten-sion continue varie aussi. Elle devient négative pour α> π/2.
A la valeur moyenne est également superposée une ondulation dont la fréquence est p fois la fréquence du réseau d’alimentation polyphasé.
A noter que le convertisseur de courant se base sur ce principe de conversion. Dans ce cas, la commu-tation d’une tension alternative sur une autre est assez facile à réaliser.
Cependant, pour la conversion alternative-continue, d’autres possibilités sont imaginables. Une variante est représentée à la figure 7.
Dans ce cas, on utilise des secteurs symétriques des tensions sinusoïdales, intercalés de secteurs où la tension est nulle.
La valeur moyenne est donnée, cette fois-ci, par
Avec cette méthode, il n’est pas possible de faire varier l’onde fondamentale lorsque la tension U est constante. On peut seulement varier la fréquence en intervenant sur les instants de commutation caractérisés par la durée T / 2 de la demi-période.
En plus de l’onde fondamentale, on obtient égale-ment des harmoniques dont la fréquence est un multiple impair de la fréquence fondamentale.
Lorsqu’on désire faire varier aussi l’amplitude de l’onde fondamentale, il est judicieux de commuter la tension pendant une demi-période plusieurs fois respectivement entre U et 0 et entre 0 et -U comme le montre la figure 9. Lorsque la durée t1, où la ten-sion U(t) est égale à +U ou -U, varie sinusoïdalement en fonction du temps t, on obtient une tension pul-sée dont la valeur moyenne glissante varie sinusoï-dalement en fonction du temps.
ωt δ
u
^U
Figure 7 : Représentation schématique d’une variante de la conversion alternative-continue.
En variant l’angle δ, on varie également la valeur moyenne Umedde la tension continue. A celle-ci est de nouveau superposée une ondulation.
Cette méthode n’est pratiquement pas encore utili-sée pour la conversion alternative-continue. En effet, la commutation depuis la sinusoïde sur la tension zéro pose certains problèmes, lorsqu’on emploie des thyristors. Cependant, avec l’apparition de nou-veaux éléments semiconducteurs de puissance, plus facilement déclenchables, la réalisation de cette variante de conversion devient possible.
1.3.5 Conversion continue-alternative Pour la conversion continue-alternative, il y a plu-sieurs méthodes qui sont utilisées plus ou moins fréquemment pour la réalisation des onduleurs.
A la figure 8 est représentée la méthode la plus simple. On commute alternativement entre les deux niveaux constants +U et -U. On obtient ainsi une tension alternative d’allure rectangulaire.
L’amplitude de l’onde fondamentale de la tension alternative s’obtient par
Figure 8 : Représentation schématique de la conversion continue-alternative (première méthode).
Figure 9 : Représentation schématique de la conversion continue-alternative (deuxième méthode).
Lorsque la période de pulsation Tpest très inférieure par rapport à la demi-période T /2 de l’onde fonda-mentale, la durée t1doit être modulée selon la relation [1.9]
Elle dépend donc de l’amplitude 1Uˆ de l’onde fon-damentale et de sa pulsation ω= 2 π/T.
Cette méthode possède l’avantage de ne produire que des harmoniques à fréquence relativement éle-vée. En effet, elles sont des multiples entiers de la fré-quence de pulsation fp = 1 / Tp. A noter que cette méthode et très répandue et connue sous le sigle PWM (pulse width modulation : modulation d’impul-sion en durée, voir [1] chapitre 3.5).